CCD-Sensor

Ein hochempfindlicher CCD-Sensor für die Astronomie

Ein Charge-coupled Device (CCD) (Ladungsgekoppeltes Bauteil) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Lichtstärke. CCDs sind integrierte Schaltkreise ("Chips"), also Halbleiterbauelemente und gehören deshalb zu den Halbleiterdetektoren.

Funktionsweise und Aufbau

Ursprünglich wurden CCD-Chips zur Datenspeicherung entworfen, es wurde jedoch schnell bemerkt, dass diese Chips lichtempfindlich sind und ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal ausgeben.

Das Bauteil besteht aus einer Matrix (seltener: einer Zeile) mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel genannt werden (picture elements). Sie beruhen auf dem inneren fotoelektrischen Effekt. Die einfallenden Lichtquanten geben ihre Energie an Elektronen ab und "heben" diese dabei vom Valenzband ins Leitungsband des Halbleiters. Die Elektronen (oder die "Löcher" im Valenzband) werden während der Belichtung in "Potenzialtöpfen" gesammelt, es sammelt sich also elektrische Ladung ("charge") an.

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Ladungstransfer in einem CCD (Quelle und Informationen)

Nach der Belichtung werden die Ladungen ähnlich einer Eimerkette schrittweise verschoben (daher der Wortbestandteil "coupled"). Zum Verschieben werden Spannungen an die Elektroden oberhalb der Ladungspakete angelegt, so dass die Ladungsträger von einer Elektrode nach der anderen angezogen werden. Schließlich erreichen die Ladungspakete eines nach dem anderen den Ausleseverstärker, es wird eine von der Ladung abhängige elektrische Spannung ausgegeben.

Das Ausgangsignal eines CCD ist also 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 ("interlaced"). Für alle anderen Zwecke sind "progressive scan" CCDs üblich, bei denen die Zeilen in ihrer natürlichen Reihenfolge hintereinander ausggegeben werden.

Während des Verschiebens der Ladungen sollen keine weiteren Ladungen durch Belichtung hinzukommen, um die Bildinformation nicht zu verfälschen. Dies kann am einfachsten durch einen mechanischen Verschluss erfolgen, diese Variante wird bei manchen CCDs für wissenschaftliche oder astronomische Zwecke verwendet ("full-frame CCD"). Für die meisten Zwecke ist ein solcher Verschluss zu aufwendig oder störungsanfällig. Es wurden daher, vor allem für Videokameras, verschiedene Anordnungen zur Lösung dieses Problems entwickelt, das Frame Transfer- (FT), Interline Transfer- (IT) und Frame Interline Transfer-Verfahren (FIT).

Full Frame-CCD (FF CCD)

Bei FF-CCDs gibt es keine abgedunkelten Bereiche, der Chip muß im Dunkeln ausgelesen werden. Nicht zu verwechseln mit Full Frame CCDs im Sinne von Kleinbildformat-CCDs ohne Crop- und Verlängerungsfaktor!

Frame Transfer-CCD (FT CCD)

Bei FT-CCDs wird das gesamte Bild nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben, dann kann es mit der üblichen (geringeren) Geschwindigkeit Ladungspaket für Ladungspaket ausgelesen werden. Man braucht also doppelt so viele Zellen (Potenzialtöpfe) wie Bildpunkte. Das Verfahren funktioniert nur, wenn die Zeit für das schnelle Verschieben viel kürzer als die Belichtungszeit ist. FT-CCDs sind also für sehr kurze Belichtungszeiten nicht geeignet.

Interline Transfer-CCD (IT CCD)

Bei IT-CCDs wird die Ladung jedes Pixels seitlich in eine abgedeckte Zwischenspeicherzelle übernommen; die geschieht für alle Pixel zugleich. Erst dann werden die Ladungen in den abgedunkelten Streifen in Richtung Ausleseverstärker verschoben. Die daraus resultierende geringere lichtempfindliche Fläche wird bei neueren CCDs durch eine Sammellinse kompensiert, die über jedem Pixel liegt und das Licht auf die kleine lichtempfindliche Fläche fokussiert. Der Vorteil von IT sind die deutlich kürzere Zeit für den Transfer vom lichtempfindlichen zum abgedunkelten Bereich. Der Nachteil liegt darin, dass die Ladungen in diesem Bereich relativ lange verweilen, da sie nur langsam ausgelesen werden.

Zudem liegt dieser Speicherbereich noch relativ nah an den unbedeckten Teilen des CCD-Chips. Bei zu hoher Produktion von Ladungsträgern laufen diese in die Zwischenspeicherzellen 'über', wodurch durch die Verschiebung der Ladungen ein senkrechter Streifen im Bild entsteht. Dieser Sachverhalt wird Smear-Effekt genannt und ist besonders an hellen Stellen des Bildes zu sehen, zum Beispiel an Lichtquellen. Es kann auch passieren, dass Lichtwellen an den Abdunklungsstreifen in die Zwischenspeicherzellen hineingebeugt werden. Da die Speicherzellen zwar abgedeckt, aber prinzipiell immer noch lichtempfindlich sind, entsteht wieder eine Überproduktion von Ladungsträgern.

Frame Interline Transfer-CCD (FTIT-CCD)

Eine Lösung dieses Problems bieten die FIT-Chips: Bei diesem Typ werden die gespeicherten Ladungen in den Zwischenspeicherzellen 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 Ladungsträger nicht länger als nötig dem Licht direkt ausgesetzt sind, andererseits werden sie relativ schnell aus dem 'offenen' Bereich des Chips transportiert. Der Nachteil ist, daß nun pro effektivem Pixel drei Speicherzellen nötig sind, was diese Chips relativ teuer macht. Der schnelle Abtransport der Ladungen ist jedoch z.B. bei Hochgeschwindigkeitskameras unumgänglich.

CCD-Größen und Bauformen

Der CCD-Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von ca. 300.000 bis zu mehreren 10 Millionen solcher lichtempfindlicher Zellen, die den Pixeln des aufgenommenen Bildes entsprechen. Sie sind rechteckig oder quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 bis 20 µm. Dazwischen verlaufen feine elektrische Leitungen, die zwar eine Lichteinbuße bedeuten, aber zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Zellen dienen. Größere Pixel bedeuten deshalb höhere Lichtempfindlichkeit, aber geringere Auflösung und dadurch unschärfere Bilder.

Die Größe von CCD-Bildsensoren wird oft in Zoll (inch) 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". Da man bei alten Vidicon Bildaufnahmeröhren den Glasdurchmesser in Zoll angab und die nutzbare Fläche kleiner war, ist die angegebene Größe nicht mit der Bilddiagonale identisch. Die tatsächliche Bilddiagonale ist bei 1/2"-CCDs ca. 9 mm und bei 1/3"-CCDs ca. 6 mm.

Außer CCDs mit zweidimensionaler Anordnung von Bildpunkten, also Bildsensoren, sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte Zeilensensoren. Diese Sensoren liefern keine Bilder sondern werden z. B. in der Spektroskopie, in der Industrie zur Überwachung von Fließbändern oder bei Scannerkassen von Supermärkten zur optischen Abtastung (Scannen) verwendet.

Bei den meisten CCDs 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 (z.B. Elektroden aus polykristallinem Silizium). Vor allem kurzwelliges (blaues und ultraviolettes) Licht wird aber schon in den obersten Schichten absorbiert und gelangt nicht mehr in den darunter liegenden lichempfindlichen Bereich. Dieses Problem wird bei sogenannten back-illuminated CCDs vermieden. Dazu wird das Siliziumplättchen bis auf eine Dicke von 0,01 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 (Quantenausbeuten) für kurzwelliges Licht ankommt, also z.B. 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 and der vorderen und hinteren Oberfläche Interferenzen wie im Fabry-Pérot-Interferometer auftreten.

CCDs für Farbbilder

Die lichempfindlichen Elemente der meisten CCD-Sensoren sind für den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts und das nahe Infrarotlicht (bis zu einer Wellenlänge von ca. 1 Mikrometer) empfindlich und liefern ohne zusätzliche Maßnahmen nur Graustufenbilder.

Für Farbbilder kommt bei teureren Videokameras ein Prismenblock zum Einsatz, der im Zusammenspiel mit großflächigen Farbfiltern das einfallende Bild in seine roten, grünen und blauen Anteile aufspaltet. Auf diesen 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 einzelne Farbkanäle nicht mehr scharf aufgenommen werden.

In den meisten Farb-Videokameras 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. Meist erhalten je zwei von vier Pixeln winzige Grünfilter, die anderen rote und blaue. So wird das menschliche Farbsehen angenähert, allerdings verringert sich die Farbauflösung auf ein Viertel der Graustufen-Auflösung. Um wieder eine bessere Schärfe zu erzielen, werden die dazwischen liegenden Pixelfarben mathematisch interpoliert.

Die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation wird durch den (Bayer-Filter-)Algorithmus aus den einzelnen Elementen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG-Format 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- und UV-Sperrfilter, um Farbverfälschungen durch Infrarot-Licht oder UV-Licht zu vermeiden. Bei manchen Fameras kann das Infrarot-Sperrfilter für Nachtaufnahmen abgeschaltet werden.

Benutzung

CCD-Kameras in der Forschung und der Industrie werden in der Regel per Rechner ferngesteuert oder speichern die Bilder automatisch auf Datenträger.

Zur Beseitigung der Bildfehler auf dem Chip und in der Optik wird ein Weißbild und zur Beseitigung des Rauschen bei Langzeitaufnahmen (z.B. Astronomie) ein Dunkelbild benutzt.

Anwendungen

CCD-Chips können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für die Infrarot-, UV- und Röntgen-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,1 pm bis auf etwa 0,3–1 µm.

CCDs sind daher sind vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar, auch für sehr lichtschwache Objekte wie in der Astronomie.
Bei der Videokamera ersetzten CCD-Sensoren das ältere Röhrenprinzip (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).
Am Fotomarkt haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl erweiterten sich die Verwendungsmöglichkeiten der CCD-Chips auf praktisch alle fotografischen Anwendungen. Professionelle Fotokameras können durch Digitaltechnik mit Auflösungen von 5 bis 16 Megapixeln bereits in vielen Bereichen ersetzt werden. U.a. in der Fototechnik werden neben CCDs zunehmend auch CMOS-Sensoren (Low-end und Canon) eingesetzt, da deren Nachteile (Rauschen, geringere Empfindlichkeit) weitgehend behoben werden konnten.
Allgemeine Messtechnik: Zeilenkameras werden neben der Industrie z. B. auch in Spektroskopen und Scannern eingesetzt.

Kenngrößen für die Qualität von CCD-Chips

Die wichtigsten Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von CCDs sind:

Die Quantenausbeute, also Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Lichtquant ein Photoelektron auslöst. Die Quantenausbeute von CCDs kann über 80% betragen, gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.
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. Weiters 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 CCDs verringert.

Neu- und Weiterentwicklungen

Eine neue CCD-Chip-Entwicklung 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.
EMCCD (Elektron Multiplying CCD)
EBCCD (Elektron Bombarded CCD)

Weblinks