CCD-Sensor
Ein Charge-coupled Device (CCD) (Ladungsgekoppeltes Bauteil) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Lichtstärke. CCDs sind aus Halbleitern aufgebaut und gehören deshalb zu den Halbleiterdetektoren.
Funktionsweise und Aufbau
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 werden während der Belichtung in "Potenzialtöpfen" gesammelt, es sammelt sich also elektrische Ladung ("charge") an. Nach der Belichtung wird die Ladung von Potenzialtopf zu Potenzialtopf schrittweise verschoben (daher der Wortbestandteil "coupled"), sodass die Ladungspakete eines nach dem anderen den Ausleseverstärker ereichen.
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, ist jedoch für die meisten Zwecke 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).
FT-CCDs
Bei Frame-Transfer 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.
IT-CCDs
Bei Interline-Transfer 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 diesen Bereich, der zudem noch relativ nah an den lichtempfindlichen Teilen des CCD-Chips liegen, relativ lange verweilen, da sie nur langsam ausgelesen werden.
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 Abdunklungssteifen in die Zwischenspeicherzellen hineingebeugt werden.
FIT-CCDs
Eine Lösung dieses Problems bieten die FIT-Chips (Frame Interline Transfer): 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.
Das Ausgangsignal eines CCD ist seriell: die Ladungen der einzelnen Pixel werden hintereinander ausgegeben, wogegen das ursprüngliche Bild parallel entstand, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet worden sind.
Diese modernen Bildaufnehmer sind vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar, auch für sehr lichtschwache Objekte wie in der Astronomie. Die Quantenausbeute kann über 80% betragen, gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.
CCD-Arrays, Farb- und Liniensensoren
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.
Der CCD-Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von 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. Bei diesem Prozess entstehen jedoch nur Graustufenbilder.
Bei teureren Videokameras kommt ein Prismenblock zum Einsatz, der im Zusammenspiel mit 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.
Für Farbbilder werden die Zellen 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.
Statt lichtempfindlicher Flächen sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte "Stripes" oder Zeilensensoren. Diese Sensoren werden z. B. in der Spektroskopie, in der Industrie zur Überwachung von Fließbändern oder bei Scannerkassen von Supermärkten zur optischen Abtastung (Scannen) und nicht zur Bildaufnahme verwendet.
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.
- 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.
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)