CCD-Fotosensor

Ein CCD-Sensor ist ein Charge-coupled Device, das als Sensor ausgelegt ist. CCDs wurden im Jahr 1969 eigentlich zur Datenspeicherung entworfen.^[1] Es wurde jedoch schnell bemerkt, dass diese Bauteile lichtempfindlich sind und ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal ausgeben. Bereits 1970 wurde ein solcher CCD-Sensor gebaut^[2], und 1975 wurden die ersten CCDs mit einer für Fernsehkameras ausreichenden Anzahl an Bildpunkten hergestellt. Seit ca. 1983 werden CCD-Sensoren auch in der Astronomie eingesetzt.

Zweidimensionale CCD-Sensoren werden in Videokameras und Digitalkameras, eindimensionale Arrays (CCD-Zeilensensoren) u. a. in Faxgeräten, Spektrometern, Scannern und Barcodelesern eingesetzt.

Hochempfindlicher CCD-Sensor für die Astronomie

Funktionsweise und Aufbau

CCD-Bildsensoren bestehen meistens aus einer Matrix (seltener einer Zeile) mit lichtempfindlichen Fotodioden, die Pixel genannt werden (vom englischen picture elements). Diese können rechteckig oder quadratisch sein, mit Kantenlängen von weniger als 3 µm bis über 20 µm. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher ist die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des CCD-Sensors, desto kleiner ist aber, bei gleicher Sensorgröße, die Bildauflösung.

Die meisten CCDs sind MIS-Strukturen: Über einem dotierten Halbleiter liegt eine isolierende Schicht, auf der optisch transparente elektrische Leiter (Elektroden) angebracht werden. Darunter sammeln sich die Ladungsträger (meist Elektronen, manchmal auch „Löcher“). Details werden im Abschnitt Physikalische Grundlagen behandelt. Zwischen den Pixeln verlaufen oft weitere feine elektrische Leitungen, die zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Pixel dienen.

Das einfallende Licht überträgt durch den inneren photoelektrischen Effekt seine Energie auf die Elektronen des Halbleiters. Dabei entstehen gleichzeitig freie Elektronen (negativ) und positiv geladene „Löcher“, die sich aufgrund einer angelegten Spannung voneinander trennen. Die Ladungen fließen jedoch nicht sofort nach außen ab, wie bei einer Fotodiode, sondern werden in der Speicherzelle selbst, in einem sogenannten Potentialtopf gesammelt, der wie ein Kondensator Ladungen speichert. Deren Menge ist dabei proportional zur eingestrahlten Lichtmenge, wenn rechtzeitig ausgelesen wird, bevor die Leerlaufspannung der Fotodiode erreicht ist.

Bei Überbelichtung könnten Ladungen aus dem Potentialtopf einer Zelle in die Nachbarzellen übertreten; dieser Effekt ist als Blooming bekannt. Dagegen hilft ein „anti-blooming gate“, das ähnlich einem Überlauf funktioniert, also überschüssige Ladungen ableitet. Allerdings kommt es dadurch vor allem bei langen Belichtungszeiten zu einer Nichtlinearität zwischen Lichtmenge und Ausgangssignal; daher verzichten CCD-Sensoren für wissenschaftliche Anwendungen oft darauf.

Nach der Belichtung werden die Ladungen (engl. charge) ähnlich einer Eimerkette (daher die Bezeichnung Eimerkettenschaltung) schrittweise verschoben, bis sie schließlich als Ladungspakete, eines nach dem anderen, den Ausleseverstärker erreichen. Es wird eine von der Ladung und somit der Lichtmenge abhängige elektrische Spannung ausgegeben. Der Mechanismus des Ladungstransfers wird in Charge-coupled Device genauer beschrieben.

Das Ausgangssignal des Sensors ist somit seriell. Die Ladungen der einzelnen Pixel werden hintereinander ausgegeben, wogegen das ursprüngliche Bild parallel entstand, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet worden sind. Bei den meisten CCDs für Videokameras werden jeweils nur Halbbilder (d. h., erst alle ungeraden, dann alle geraden Zeilen) ausgegeben (Zeilensprungverfahren, engl. interlaced). Für alle anderen Zwecke sind „progressive scan“ CCDs üblich, bei denen die Zeilen in ihrer natürlichen Reihenfolge hintereinander ausgegeben werden.

Während des Verschiebens der Ladungen sollen keine weiteren Ladungen durch Belichtung hinzukommen, um die Bildinformation nicht zu verfälschen. Es wurden verschiedene Anordnungen zur Lösung dieses Problems entwickelt:

• Full-Frame-(FF) (mit zusätzlichem mechanischen Verschluss),
• Frame-Transfer- (FT),
• Interline-Transfer- (IT)
• und Frame-Interline-Transfer-CCDs (FIT).

CCD-Typen.
L - lichtempfindliche Pixel,
T - Transfer-Register,
A - Ausleseverstärker.

Full-Frame-CCD (FF CCD)

Die einfachste Lösung, um zu verhindern, dass während des Auslesevorgangs noch Licht auf den CCD-Sensor fällt, ist ein mechanischer Verschluss.

Da bei CCD-Sensoren mit einem Verschluss die ganze Fläche des Chips zur Gewinnung der Bildinformation eingesetzt wird, heißt diese Lösung auch „full-frame CCD“ (übersetzt etwa „Vollbild“) oder „Full Frame Transfer CCD"

CCD-Sensoren mit diesem Prinzip werden vor allem für wissenschaftliche und astronomische Zwecke verwendet, allerdings ist der mechanische Verschluss aufwendig und störungsanfällig. Für Videokameras sind Full-Frame-CCDs ungeeignet, weil durch den geschlossenen Verschluss während des Auslesens kostbare Belichtungszeit verloren geht.

Vorsicht Verwechslungsgefahr: Der Begriff Full-Frame-CCD wird nicht nur für den inneren Aufbau von CCD-Sensoren verwendet, sondern auch für CCDs der Größe 36 mm × 24 mm, die gleiche (volle) Größe wie die Abbildung auf dem Film von Kleinbildkameras. In diesem Artikel bezieht sich der Begriff ausschließlich auf den inneren Aufbau des Sensors und die Art des Auslesevorgangs, nicht auf das Bildformat bzw. die Größe des Sensors.

Frame-Transfer-CCD (FT CCD)

Bei FT-CCDs werden die Ladungen, also das gespeicherte Bild, nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben. Dann kann das gespeicherte Bild während der nächsten Belichtungszeit Ladungspaket für Ladungspaket ausgelesen werden. Die Zeit des raschen Verschiebens muss viel kürzer als die Belichtungszeit sein, weil sonst der Smear-Effekt zu stark wird. Daher sind FT-CCDs ohne mechanischen Verschluss (wie sie normalerweise eingesetzt werden) für sehr kurze Belichtungszeiten nicht geeignet. Bei manchen professionellen Videokameras wird ein rotierender Verschluss verwendet, um dieses Problem zu vermeiden. Wegen des abgedunkelten Bereichs braucht ein FT-CCD doppelt so viele Zellen (Potentialtöpfe) wie Bildpunkte und muss auch doppelt so groß wie die Bildgröße sein.

Interline-Transfer-CCD (IT CCD)

Bei IT-CCDs wird die Ladung jedes Pixels seitlich in eine abgedeckte Zwischenspeicherzelle übernommen; dies geschieht für alle Pixel zugleich. Erst dann werden die Ladungen in den abgedunkelten Streifen (das sogenannte Transferregister) und von dort in Richtung Ausleseverstärker verschoben. Es ist kein mechanischer Verschluss nötig; die Belichtungszeit kann also elektronisch gesteuert werden, indem die Pixel geleert werden und nach der Belichtung in das Transferregister übernommen werden („Elektronischer Verschluss“, engl. „electronic shutter“). Dadurch werden sehr kurze Belichtungszeiten möglich.

Die konstruktionsbedingte geringere lichtempfindliche Fläche (im Vergleich zu Full-Frame-CCDs) und damit schlechtere Lichtempfindlichkeit wird bei neueren CCDs durch kleine Sammellinsen kompensiert. Diese liegen über jedem Pixel und fokussieren das Licht, wodurch die Lichtempfindlichkeit des Sensors wieder erhöht wird („lens-on-chip“-Technik).

Der Nachteil von IT-CCDs kommt durch die − wegen des im Vergleich zu FT-CCDs langsamen Auslesens – relativ lange Verweildauer der Ladungen in den Speicherzellen neben den lichtempfindlichen Pixeln zustande. Die Speicherzellen des Transferregisters sind zwar abgedeckt, aber immer noch lichtempfindlich. Durch Beugung der Lichtwellen können Photonen diese Zellen erreichen und dort störende Ladungen entstehen. Dadurch entsteht der sogenannte Smear-Effekt.

Frame Interline Transfer-CCD (FIT-CCD)

Eine Lösung um den Smear-Effekt zu umgehen bieten die FIT-Chips: Bei diesem Typ werden die in den Zwischenspeicherzellen gespeicherten Ladungen möglichst schnell in einen abgedunkelten Bereich verschoben. Er verbindet also das Prinzip des FT-Chips und das des IT-Chips. So ist einerseits durch die Zwischenspeicherzellen gewährleistet, dass die Pixel nicht länger als nötig dem Licht direkt ausgesetzt sind, andererseits werden sie relativ schnell aus dem „offenen“ Bereich des Chips ausgelesen. Der Nachteil ist, dass nun pro effektiven Pixel drei Speicherzellen nötig sind, was diese Chips relativ teuer macht. Der schnelle Abtransport der Ladungen ist jedoch z. B. bei Hochgeschwindigkeitskameras unumgänglich. Die Belichtungssteuerung geschieht auch hier elektronisch.

Größen und Bauformen

Größen

Die Größe von CCD-Bildsensoren wird oft in Zoll (engl. inch; 1 Zoll = 1" = 25,4 mm) angegeben, gebräuchliche Größen für professionelle Videokameras sind 2/3″ und 1/2″, für Prosumer-Geräte 1/3″ und für Consumer-Geräte 1/4″ oder 1/6″. Die Bezeichnung der Chipgrößen wurde von den Außendurchmessern der alten Bildaufnahmeröhren abgeleitet. Allerdings war die lichtempfindliche Fläche der Röhren deutlich kleiner als der Außendurchmesser der Röhren: So hatte z. B. eine 1″-Röhre eine aktive Fläche mit einer Bilddiagonalen von ca. 16 mm. Ein 1″-CCD-Chip hat per Definition die gleiche Bilddiagonale wie eine 1″-Röhre. Man muss also die Länge der Bilddiagonalen kennen (bei 1/2″-CCDs 8 mm, bei 1/3″-CCDs 6 mm), um die richtigen Maße der lichtempfindlichen Fläche zu errechnen:

$h=\sqrt{\frac{d^2}{1+V^2}};\qquad b=\sqrt{\frac{d^2}{1+\frac{1}{V^2}}}$

h = Höhe; b = Breite; d = Bilddiagonale; V = Bildseitenverhältnis ($\textstyle\frac{b}{h}$)

bei 4:3-Chips, (also $V=\tfrac{4}{3}$) vereinfacht sich das zu   $h=\tfrac{3}{5}\ d; \qquad b=\tfrac{4}{5}\ d$

Die Größe des Chips ist für die Bildqualität von Bedeutung. Bei gleichbleibender Auflösung ist die Fläche der Zellen proportional zur Chipfläche. Je größer die Zellen sind, desto mehr Photonen treffen je Zelle auf, und damit steigt die Lichtempfindlichkeit. Da nicht alle Störsignale mit der Fläche einer Zelle anwachsen, hat ein größerer Chip ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.

Bauformen: Matrix und Zeile

CCD-Zeilensensor aus einem Faxgerät

Außer CCD-Chips mit zweidimensionaler Anordnung von Bildpunkten, also Bildsensoren, sind auch CCD-Linien in Gebrauch, sogenannte Zeilensensoren. Diese Sensoren liefern keine Bilder, sondern werden z. B. in Spektrometern, in Faxgeräten, in der Industrie zur Überwachung von Fließbändern oder bei Scannerkassen und in Scannern von Supermärkten zum optischen Abtasten (Scannen) verwendet.

Front-Illuminated versus Back-Illuminated

Bei den meisten CCD-Chips wird die Oberseite des Siliziumplättchens beleuchtet, also die Seite, auf der die Halbleiterstrukturen hergestellt wurden (front-illuminated CCD). An der Oberfläche befinden sich dann Strukturen, die nicht lichtempfindlich sind (zum Beispiel Elektroden aus polykristallinem Silicium). Vor allem kurzwelliges (blaues und ultraviolettes) Licht wird aber schon in den obersten Schichten absorbiert und gelangt nicht mehr in den darunter liegenden lichtempfindlichen Bereich. Dieses Problem wird bei sogenannten back-illuminated-CCDs vermieden. Dazu wird das Siliziumplättchen bis auf eine Dicke von 0,01 mm bis 0,02 mm abgeschliffen und abgeätzt und mit der lichtempfindlichen „Rückseite“ nach oben eingebaut. Dieses Herstellungsverfahren ist sehr teuer, daher werden Back-Illuminated-CCDs nur dort verwendet, wo es auf hohe Empfindlichkeiten (Quantenausbeute) für kurzwelliges Licht ankommt, also zum Beispiel in der Spektroskopie oder Astronomie. Ein Nachteil der Back-Illuminated-CCDs ist eine ungleichmäßige Empfindlichkeit („etaloning“) bei längeren Wellenlängen, weil durch Hin- und Herspiegelung des Lichts an der vorderen und hinteren Oberfläche Interferenzen wie im Fabry-Pérot-Interferometer auftreten.

Physikalische Grundlagen

Die Artikel Charge-coupled Device und CCD-Sensor#Physikalische Grundlagen überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zu vereinigen. Beteilige dich dazu an der Diskussion über diese Überschneidungen. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollständiger Abarbeitung der Redundanz. Head 20:33, 13. Feb. 2007 (CET)

Auf einem dotierten Halbleiter (meist Silicium) liegt eine optisch transparente elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise Siliciumdioxid. Darauf sind viele Elektroden aus einem leitfähigen und zugleich optisch transparenten Material aufgebracht. Für die Elektroden wird meist polykristallines Silicium („Polysilicium“) verwendet, seit Kurzem auch Indium-Zinn-Oxid. Wegen der Ähnlichkeit der Elektroden mit denen von MOSFETs werden die Elektroden auch als Gate-Elektroden bezeichnet. Bei MOSFETs sind die Gates aber 10 nm statt 10 µm lang und die Ladung wird mit 1 bis 3,3 V getrieben statt mit Potentialhöhen von 1 V, wodurch höhere Taktraten als 40 MHz möglich sind. Die Elektroden sind über Aluminium-Kontakte von außen ansteuerbar.

Bändermodell eines „surface channel“-CCD mit Elektronen im Potentialtopf (vgl. ^[3])

Legt man an eine Elektrode eine Spannung an (positiv bei p-dotiertem Halbleiter, negativ bei n-Dotierung), so bildet sich unterhalb der Isolierschicht an der Oberfläche des Halbleiters ein Gebiet, welches als Potentialtopf bezeichnet wird. In diesem Gebiet ist die Ladungsträgerkonzentration der Majoritätsladungsträger sehr gering.

Photonen, deren Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters ist, heben Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband an; es entstehen also Elektronen-Loch-Paare im Halbleiter. Dies ist der sogenannte innere photoelektrische Effekt. Die dabei erzeugten zusätzlichen Minoritätsladungsträger, das sind entweder Elektronen oder „Löcher“, sammeln sich im Potentialtopf während die gleichzeitig erzeugten Majoritätsladungsträger ins Innere des Halbleiters wegfließen.

Durch Variieren der angelegten Spannung in benachbarten Elektroden kann der Potentialtopf so geformt werden, dass die darin sich befindenden Ladungsträger zum Auslesen in die gewünschte Richtung wandern.

Der Grundaufbau eines CCD konnte weiter verbessert werden. Eine wichtige Ergänzung ist eine im Halbleiter direkt unter dem Isolator liegende Schicht mit gegensätzlicher Dotierung. Dadurch entsteht ein sogenannter „buried channel“, das heißt, es sammeln sich die von den Photonen erzeugten Minoritätsladungsträger nicht mehr direkt an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, sondern im Inneren des Halbleiters. Die Minoritätsladungsträger erreichen dann nicht mehr die Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, wo die dort immer vorhandenen Kristalldefekte stören - es können an dieser Grenze keine Ladungen mehr „eingefangen“ werden oder „hängen bleiben“. „Buried channel“-CCDs haben (im Gegensatz zu den zuerst beschriebenen „surface channel“-CCDs) geringeres Rauschen und eine wesentlich verbesserte Effizienz des Ladungstransfers, allerdings können weniger Ladungsträger je Pixel gespeichert werden.

Kenngrößen für die Qualität von CCD-Bildsensoren

Die wichtigsten Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von CCD-Chips sind:

• Die Quantenausbeute, also die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Lichtphoton ein Elektron auslöst. Die Quantenausbeute von CCDs hängt von der Wellenlänge des Lichts ab und kann über 90 % betragen (Fotografischer Film zum Vergleich: 5–10 %).
• Der Dunkelstrom der lichtempfindlichen Zellen. Der Dunkelstrom ist nicht für alle Pixel völlig gleich, es kommt daher zu Dunkelstromrauschen, das eine Quelle des Bildrauschens ist. Weiter können einzelne „hot pixels“, also Pixel mit besonders hohem Dunkelstrom auftreten.
• Die Anzahl der Ladungen, die in einem Pixel gespeichert werden können („full well capacity“ oder „well depth“).
• Das Verhalten, wenn durch Überbelichtung in einzelnen Pixeln mehr Ladung erzeugt wird, als gespeichert werden kann. Tritt die Ladung in benachbarte Pixel über, spricht man von „Blooming“. Viele CCD-Kameras vermeiden diesen Effekt, indem die überschüssigen Ladungen abgeleitet werden („anti-blooming gate“), dadurch kann aber auch schon Ladung verloren gehen, bevor ein Pixel wirklich voll ist. Der Zusammenhang zwischen Lichtmenge und Ladung ist dann nicht mehr linear, und genaue Messungen sind nicht mehr möglich.
• Die Effizienz des Ladungstransports zum Ausleseverstärker (Charge Transfer Efficiency).
• Das Rauschen des Ausleseverstärkers (Ausleserauschen, „readout noise“).

Dunkelstrom und Rauschen werden bei hochempfindlichen Kameras durch Kühlen des CCD-Chips verringert. Das Rauschen kann zum Beispiel auf unter drei Elektronen pro Pixel und Stunde durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff gedrückt werden.

Kalibrierung

Um Helligkeitsunterschiede im Bild, die auf Verunreinigungen auf dem CCD-Chip (Staub), ungleichmäßige Empfindlichkeit der Pixel, oder die verwendete Optik (Vignettierung, Reflexe) zurück gehen, ausgleichen zu können, wird das aufgenommene Bild durch ein Weißbild dividiert (Weißbild- oder Flat-Field-Korrektur)und mit dem Mittelwert des Weißbilds multipliziert. Zur Beseitigung des aus dem Dunkelstrom hervorgegangenen Bildrauschens wird bei Langzeitaufnahmen (z. B. in der Astronomie) davor noch ein Dunkelbild abgezogen (Dunkelbild- oder Dark-Frame-Korrektur). Das Ergebnis ist ein kalibriertes Bild.

Die Bilder zeigen die Kalibrierung am Beispiel einer astronomischen Aufnahme:

• Das Rohbild zeigt zahlreiche „hot pixels“, die zu einem stark verrauschten Bild führen. Lichtschwache Sterne gehen in diesem Rauschen verloren. Dunkle Flecken im Rohbild rühren von Staub in der CCD-Kamera her.
• Das Dunkelbild wurde bei gleicher Belichtungszeit und Betriebstemperatur wie das Rohbild, allerdings bei geschlossenem Kameraverschluss, aufgenommen. Es erfasst somit den während der entsprechenden Belichtungszeit aufgelaufenen Dunkelstrom.
• Das Weißbild wurde aufgenommen, während das Instrument auf eine gleichmäßig erhellte Fläche ausgerichtet war. Es erfasst Unregelmäßigkeiten in der Ausleuchtung des Bildes (zum Beispiel durch Staub) und in der Empfindlichkeit der einzelnen Pixel.
• Im kalibrierten Bild sind diese Defekte behoben. Auch lichtschwache Sterne sind hier erkennbar. Das kalibrierte Bild kann zur quantitativen Analyse, beispielsweise zur Messung der scheinbaren Helligkeit der Sterne, herangezogen werden. Ohne die Kalibrierung würde eine derartige Messung zu verfälschten Messwerten führen.

Rohbild

Dunkelbild

Weißbild

Kalibriertes Bild

Neu- und Weiterentwicklungen

Chronologische Gegenüberstellung verschiedener Pixel-Geometrien

• Eine spezielle Bauform ist der Super-CCD-Sensor (Fuji-Patent) mit einer wabenförmigen Anordnung von achteckigen gegeneinander verschobenen Pixeln, die enger beieinander liegen und damit eine größere Anzahl von Pixeln auf eine gegebene Fläche bringen. Die Größe der über den Sensorflächen befindlichen Linsen kann heterogen sein, so dass damit eine merklich erhöhte Dynamik erreicht werden kann.
• EMCCD (engl. electron multiplying CCD), ein CCD, bei dem im Halbleiter die Anzahl der Ladungsträger vor dem Ausleseverstärker erhöht wird.
• EBCCD (engl. electron bombarded CCD), ein „back-illuminated“ CCD, das als Sensor für einfallende Elektronen verwendet wird.

CCD-Farbsensoren

Aus Digitalkamera ausgebauter CCD-Farbsensor auf flexibler Leiterplatte

Die lichtempfindlichen Elemente der meisten CCD-Sensoren sind für den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts und das nahe Infrarotlicht (bis zu einer Wellenlänge von ca. ein Mikrometer) empfindlich und liefern ohne zusätzliche Maßnahmen nur Grauwerte.

Für Farbbilder kommt bei teureren Videokameras (Drei-CCD-Kameras) ein Prismenblock zum Einsatz, dessen Grenzflächen als dichroitische Spiegel ausgebildet sind. Dadurch wird das rote und blaue Licht seitlich ausgespiegelt, das grüne Licht tritt gerade durch. Auf dem Block ist an den Stellen, an denen die drei Farbauszüge des Bildes austreten, jeweils ein CCD-Chip aufgeklebt. Die Fertigung dieses mit CCD-Sensoren bestückten Prismenblocks muss sehr präzise sein, da sonst die einzelnen Farbkanäle nicht zusammenpassen oder unscharf sind und im Bild farbige Ränder auftreten.

Bayer-Sensor

In den meisten Farbvideokameras und Digitalkameras für die Farbfotografie werden die Zellen des CCD-Chips abwechselnd mit Farbfiltern versehen. Ein Farbpunkt wird so aus mehreren für verschiedene Farben empfindlichen Zellen zusammengesetzt. Bei den meisten Digitalkameras erhalten je zwei von vier Pixeln winzige Grünfilter, die anderen rote und blaue (Bayer-Sensor). Bei Videokameras sind auch Anordnungen mit vier grünen, einem roten und einem blauen Pixel üblich. So wird das menschliche Farbensehen angenähert, allerdings verringert sich die Auflösung der roten und blauen Pixel auf einen Bruchteil der Auflösung des Grün-Signals (aus dem sich eine „Pseudo-Graustufen-Auflösung“ ableiten lässt). Da ein überwiegender Teil der Bildformate, sowie praktisch alle zur Wiedergabe genutzten Medien nur drei gleich groß aufgelöste Farbsignale unterstützen, wird in der Praxis das hochaufgelöste, grüne Farbsignal den anderen beiden Farbauflösungen zugrundegelegt. Die fehlenden roten und blauen Pixelfarben werden dazu mathematisch interpoliert, wobei die Schärfe dieser beiden Farben keinesfalls zunimmt. Dies bedeutet, dass man zwar mehr Bits speichern, übertragen, verarbeiten und visualisieren muss, aber es liegt nicht mehr Informationsgehalt vor, was zumindest für die Speicherung und Übertragung keine optimale Lösung ist. Im Videobereich, wo wirklich große Datenmengen anfallen, wird den beiden erstgenannten Kritikpunkten durch Farbunterabtastung begegnet.

Bei Digitalkameras wird die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation durch den (Bayer-Filter-)Algorithmus aus den einzelnen Elementen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG-Verfahren in 8×8 großen Feldern durch Frequenzanalyse weiterverarbeitet, was gleichzeitig die Datenmenge reduziert.

Das Funktionsprinzip des Foveon-X3-Sensors, bei dem die lichtempfindlichen Elemente für die Grundfarben übereinander in verschiedenen Schichten liegen, wird derzeit nur für CMOS-Sensoren und nicht für CCDs angewandt.

Zusätzlich zu den erwähnten Farbfiltern verwenden alle Farb-CCD-Kameras Infrarot-Sperrfilter und manche auch UV-Sperrfilter, um Farbverfälschungen durch Infrarot- bzw. UV-Licht zu vermeiden. Bei manchen Kameras kann das Infrarot-Sperrfilter für astronomische Aufnahmen entfernt werden. Dies ist sinnvoll, weil viele Gasnebel ihre intensivste Emission (im sichtbaren Bereich) bei der Wellenlänge von 656,3 nm haben (die H-Alpha-Linie), und diese Spektrallinie durch das IR-Sperrfilter stark abgeschwächt wird.

Anwendungen

CCD-Sensoren können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für Nah-Infrarot-, UV- und Röntgen-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,1 pm bis auf etwa 1,1 µm. Die Grenze zu langen Wellenlängen hin ist durch die Bandlücke des Halbleitermaterials begrenzt (ca. 1,1 eV für Si und 0,66 eV für Ge).

CCD-Sensoren sind daher vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar. Insbesondere der Astronomie haben sie andere Bildempfänger, wie Fotoplatten, weitgehend verdrängt, da sie durch ihre hohe Empfindlichkeit auch die Beobachtung sehr lichtschwacher Objekte erlauben. Weitere Vorteile sind ihre breite spektrale Empfindlichkeit, ihr hoher Dynamikumfang (also die Fähigkeit, gleichzeitig sehr lichtschwache und sehr helle Bereiche eines Bildes zu erfassen) und die Tatsache, dass die Bildinformationen digital anfallen, was zum Beispiel bei der Fotometrie (Helligkeitsmessung) und der Anwendung ausgefeilter Bildbearbeitungsmethoden von Vorteil ist.

In Videokameras ersetzen CCD-Sensoren das ältere Röhrenprinzip (Ikonoskop, Vidicon). Die klassische Auflösung der Videokameras nach PAL- oder NTSC-Norm liegt bei 440.000 Pixel (CCIR/PAL) bzw. 380.000 Pixel (EIA/NTSC) und Bildwiederholraten von 25 Hz (CCIR/PAL) bzw. 30 Hz (EIA/NTSC).

In der Fotografie haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl erweiterten sich die Verwendungsmöglichkeiten der CCD-Bildsensoren auf praktisch alle fotografischen Anwendungen. Professionelle analoge Fotokameras können durch CCD-Sensoren mit 5 bis 16 Megapixel bereits in vielen Bereichen ersetzt werden. U. a. in der Fototechnik werden neben CCDs zunehmend auch CMOS-Sensoren (früher nur in billigen „low-end“-Geräten, mittlerweile aber auch in vielen digitalen Spiegelreflexkameras) eingesetzt, da deren Nachteile (Rauschen, geringere Empfindlichkeit) weitgehend behoben werden konnten.

In der Messtechnik und der Industrie werden CCD-Zeilenkameras eingesetzt, z. B. in Spektroskopen und Scannern.

CCDs können mit einem vorgesetzten Bildverstärker betrieben werden und werden dann als intensified CCD (iCCD) bezeichnet. Dazu trifft das Licht zuerst auf eine Photokathode; der daraus freigesetzte Elektronenstrom wird z. B. in einer Mikrokanalplatte (MCP) vervielfacht und trifft auf einen Leuchtschirm. Von dort wird das Licht z. B. über eine Faseroptik auf das CCD geleitet. Wegen der hohen Empfindlichkeit heutiger CCDs bieten intensified CCDs bei langen Belichtungszeiten keinen Gewinn an Empfindlichkeit (die Quantenausbeute der Photokathoden ist sogar geringer als die der besten CCDs). Da die empfindlichsten CCDs relativ geringe Auslesegeschwindigkeit haben, können bei hohen Bildwiederholraten (zum Beispiel Video) iCCDs Vorteile bringen. Intensified CCDs ermöglichen auch sehr kurze Belichtungszeiten bis zu 0,2 ns, die mit einem CCD alleine bei weitem nicht erreichbar sind. Dazu wird an die Mikrokanalplatte ein kurzer Spannungspuls angelegt. Diese Anordnung ist als gated-CCD bekannt.

CCD-Kameras in der Forschung und der Industrie werden oft ferngesteuert und speichern die Bilder automatisch auf Datenträgern. Oft ist eine Bildauswertung angeschlossen, die teilweise in den Auslesealgorithmus des CCD eingreift, um interessierende Bildbereiche (englisch: region of interest, ROI) schneller auszulesen.

Weblinks

• Image Sensor Sizes
• Digitalkameratechnologien: CCD und CMOS (pdf-Datei)
• Genauere Beschreibung der Halbleiterphysik von MOS-CCDs (Uni Ulm)
• Moderne CCD-Techniken, zusammengestellt von der Fa. Andor, in Englisch (PDF)
• Maßstabsgerechte Übersicht Sensorgrößen Digitalkameras (deutsch)

Einzelnachweise

1. ↑ W. S. Boyle, G. E. Smith: Charge coupled semiconductor deadapted devices. In: Bell Syst. Tech. J.. 49, 1970, S. 587–593 (PDF). 
2. ↑ G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith: Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept. In: Bell Syst. Tech. J.. 49, 1970, S. 593-600. 
3. ↑ D. F. Barbe: Imaging devices using the charge-coupled concept. In: Proceedings of the IEEE. 63, Nr. 1, 1975, S. 38–67.