Hinter der Abkürzung CCD verbirgt sich die englische Bezeichnung Charge-coupled Device. Es handelt sich hierbei um ein besonders lichtempfindliches Bauelement, welches heute in vielen Digitalkameras als Lichtsensor Verwendung findet. CCD-Sensoren beruhen auf dem sogenannten inneren Photoeffekt und können auf einfache Weise ein zweidimensionales Bild erfassen.
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100% kostenlose Analyse anfordern!CCD Sensor Geschichte
Bereits 1969 wurden die ersten CCDs entwickelt. Ihre Aufgabe diente vornehmlich zur Datenspeicherung. Jedoch wurde schnell erkannt, dass diese Bauelemente sehr lichtempfindlich waren und zweidimensionale Bilder erfassen konnten. 1970 wurde daher der erste CCD Sensor entwickelt.
Im Zuge der fortschreitenden elektronischen Miniaturisierung wurden bereits 1975 die CCDs für Fernsehkameras hergestellt, die eine genügend hohe Anzahl an Bildpunkten aufwiesen. Anfang der 80er Jahre wurden CCDs im Bereich der Satellitenfernerkundung und der Astronomie als Bildsensoren verwendet.
In heutiger Zeit unterscheidet man zwischen ein- und zweidimensionalen CCD-Arrays. Während die eindimensionalen CCD-Zeilensensoren in Faxgeräten, Scannern und Spektrometern eingesetzt werden, werden die zweidimensionalen CCD-Arrays als Bildsensoren in Digitalkameras und modernen Camcordern eingesetzt.
Funktionsweise eines CCD Sensors
Generell bestehen CCD Sensoren aus einem sogenannten Array aus lichtempfindlichen Fotodioden. Von der Bauweise her werden heute rechteckige und quadratische Formen bevorzugt. Die größte Lichtempfindlichkeit und damit den größten Dynamikumfang erreichen großflächige Sensoren.
Ein Beispiel stellen die Bildsensoren der modernen Vollformat-Spiegelreflexkameras dar. Vom Aufbau her sind die meisten CCD Sensoren MIS-Strukturen. Auf einer isolierten Schicht über dem dotierten Halbleiter sind optisch transparente Elektroden angebracht. Unter ihnen sammeln sich die Elektronen als Ladungsträger.
Zwischen den einzelnen Pixeln verlaufen elektrische Leitungen, deren Aufgabe es ist, überbelichtete Pixel auszulesen. Das Licht fällt auf die Elektronen und erzeugt einen photoelektrischen Effekt. Hierbei entstehen negativ und positiv geladene Elektronen, deren Spannung sich von der einstrahlenden Lichtmenge unterscheiden. Sie werden in einem Potentialtopf gesammelt und können dann ausgelesen werden.
Überbelichtungen erzeugen oft einen sogenannten Blooming-Effekt, da die Ladungen aus dem Potentialtopf in benachbarte Zellen wandern können. Nach der Belichtung des CCD Sensors werden die gespeicherten Ladungen der Reihe nach, man nennt dies auch Eimerkettenschaltung, zum Ausleseverstärker verschoben.
Das Ladungspaket enthält unterschiedliche Ladungen, die von der gespeicherten eingefallenen Lichtmenge abhängig sind. Das Auslesesignal des CCD Sensors ist daher seriell, obwohl das ursprüngliche Bild bei gleichzeitiger Belichtung aller Pixel parallel entstanden ist. Bei Digitalkameras werden progressive Scan-CCDs verwendet, die die gespeicherten Ladungen in der richtigen Reihenfolge wieder ausgeben. Videokameras arbeiten meist mit dem Zeilensprungverfahren. In diesem interlaced Modus werden zunächst alle ungeraden und danach alle geraden Bildzeilen ausgegeben.
CCD Sensoren in der Fotografie
Im Bereich der Fotografie werden CCDs zunehmend durch die preiswerteren CMOS-Sensoren ersetzt. Diese Tatsache beruht darauf, dass die Schwächen, wie Bildrauschen und geringere Empfindlichkeit der CMOS-Sensoren weitgehend behoben sind. Letztlich besitzen CMOS-Sensoren eine schnellere Datenauslesung und sind auch preiswerter als CCDs. Dennoch werden CCD-Sensoren in der Profi-Fotografie bei Auflösungen von 40 Megapixeln und höher eingesetzt. So sind sie beispielsweise in den digitalen Rückenteilen von Mittel- und Vollformatkameras zu finden.
Nach wie vor sind sie aber auch in den sogenannten Bridge-Kameras zu finden und können hier ihre Vorteile ausspielen. Im Bereich der Videokameras werden heute CCDs eingesetzt, da sie das ältere Röhrenprinzip am besten ersetzen können. Dabei erreichen sie nach der PAL-Norm eine Auflösung von 440.000 Pixeln und nach der NTSC-Norm eine Auflösung von 380.000 Pixeln.
Häufige Fragen und Antworten
Was bedeutet CCD?
CCD steht für Charge-coupled Device, was auf Deutsch so viel wie ladungsgekoppeltes Bauelement bedeutet.
Wie funktioniert ein CCD Sensor?
Ein CCD Sensor besteht aus lichtempfindlichen Fotodioden, die in einem Array angeordnet sind. Das Licht fällt auf die Elektronen in den Fotodioden und erzeugt einen photoelektrischen Effekt. Die entstandenen Ladungen werden in einem Potentialtopf gesammelt und können dann ausgelesen werden. Überbelichtungen können einen Blooming-Effekt verursachen, bei dem die Ladungen in benachbarte Zellen wandern können. Die gespeicherten Ladungen werden in der richtigen Reihenfolge zum Ausleseverstärker verschoben und als seriell ausgelesenes Signal ausgegeben.
Wo werden CCD Sensoren verwendet?
CCD Sensoren werden hauptsächlich in Digitalkameras und modernen Camcordern als Bildsensoren eingesetzt. Sie finden auch Anwendung in Faxgeräten, Scannern, Spektrometern und Videoüberwachungssystemen. In der Profi-Fotografie werden CCDs bei hohen Auflösungen eingesetzt, während in der Videokamera-Technologie CCDs das ältere Röhrenprinzip am besten ersetzen können.