Charge-coupled Device

Ein Charge-coupled Device (CCD) (Ladungkoppelndes Bauteil) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Lichtstärke. CCDs sind aus Halbleitern aufgebaut und gehören deshalb zu den Halbleiterdetektoren.

Das Bauteil besteht aus einer Matrix (seltener: einer Zeile) mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel genannt werden (picture elements). Aus jeder Zelle wird die der Lichtmenge proportionale Ladung (Charge) ausgekoppelt (coupled) und dann zur weiteren Verarbeitung gespeichert. Während des Sekundenbruchteile dauernden Speichervorgangs dunkelt ein Verschluss das CCD ab, um ein Verfälschen der Bildinformation durch Lichteinfall auf die Pixel zu verhindern.

Bei einer Videokamera unterscheidet man zwischen Frame Transfer- (FT), Interline Transfer- (IT) und Frame Interline Transfer-Verfahren (FIT). Diese koppeln die Ladungen von den lichtempfindlichen Zellen zu den Speicherzellen in unterschiedlicher Weise aus. Sie unterscheiden sich insbesondere in der Koppelzeit. Beim FT wird ein periodisch öffnender und schließender Verschluss verwendet, der das CCD während der Auslesezeit abgedunkelt, um die in der Video- und Fernsehwelt gebräuchlichen 25 Bilder/sec zu erzeugen. Beim IT wird die Ladung des Pixels seitlich in eine permanent abgedeckte Zwischenspeicherzelle gekoppelt und dann der Verarbeitung zugeführt. Die daraus resultierende geringere lichtempfindliche Fläche wird durch eine Sammellinse kompensiert, die über jeder Pixel/Zwischenspeichereinheit liegt. Die Vorteile von IT sind die deutlich kürzere Zeit für den Transfer vom lichtempfindlichen Bereich zum verarbeiten, und der Wegfall eines mechanischen Verschlusses. Der Nachteil von IT liegt darin, dass bei zu hoher Produktion von Ladungsträgern ein senkrecht verlaufender Streifen im Bild entstehen kann. Dieser Sachverhalt wird Smear-Effekt genannt.

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. Sie beruhen auf dem Einstein'schen Fotoeffekt. Die einfallenden Lichtquanten lösen Elektronen aus der Halbleiterschicht und können mittels "Potentialtöpfen" gezählt werden. Die Quantenausbeute kann über 80% betragen, gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.

Inhaltsverzeichnis

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.

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, andere 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. Künftige Verfahren werden Wavelet-Algorithmen verwenden.

Statt lichtempfindlicher Flächen sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte "Strips". Diese Sensoren werden z. B. in der Industrie 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.

Neuentwicklung

Weblinks




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