Charge Coupled Devices (CCD) sind Halbleiter-Arrays, die Lichtsignale in elektrische Signale wandeln. CCD-Komponenten werden in Digitalkameras, digitalen Videokameras, Camcordern und anderen optischen Erfassungseinrichtungen wie Scanner und Röntgendetektoren eingesetzt.

Ein CCD-Element besteht aus einer oder mehreren Reihen von miniaturisierten Kondensatoren in denen ein Ladungsbild gespeichert wird. Die Kondensatoren sind in Form eines Arrays angeordnet und mit einem lichtempfindlichen Material versehen. Bei Auftreffen eines Lichtsignals sendet das lichtempfindliche Material Elektronen aus, die in den Kondensatoren gespeichert werden. Das gesamte Ladungsbild des CCD entspricht somit der Lichtintensität an jedem einzelnen Punkt auf dem CCD.

CCD-Element für eine Digitalkamera

Die einzelnen Kondensatoren sind über Feldeffekttransistoren miteinander verbunden. Das Abrufen der Ladung erfolgt in dem die Ladung der Kondensatoren von einem zum nächsten Kondensator weitergereicht wird, jeweils ausgelöst durch einen Weiterleitungsimpuls. Dieses Verfahren wird auch als Kettenspeicher bezeichnet. Die Ladung jedes einzelnen Kondensators wird also nacheinander zum Zeilenende transportiert und steht dort als Ladungsabbild für die Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Aufbau eines CCD-Elementes mit Steuer- und Ladungspfaden

Die CCD-Technik zeichnet sich durch eine enorme Lichtempfindlichkeit und Auflösung aus; so können bereits bei minimaler Helligkeit Ladungsbilder erstellt werden. Die ständig steigenden Werte für die Auflösung haben Größenordnungen von 10 Megabyte (MB) und mehr überschritten. Außerdem ist der hohe Dynamikbereich zu erwähnen, der im Bereich von 1:10.000 liegt, und damit über 10.000 Helligkeitsstufen repräsentiert. Das entspricht einer Quantisierung von 2exp13 und höher. Die Größe der CCD-Sensoren liegt zwischen 1/0,6" und 1/2,5", wobei diese Dimensionierung ein Relikt aus der Vidikonkamera-Zeit ist. Je größer die Zahl unter dem Bruchstrich ist, desto kleiner ist der CCD-Sensor.

Da CCD-Sensoren nur helligkeitsempfindlich sind, nicht aber farbempfindlich, müssen die Lichtsignale für die Farberfassung vor der Umwandlung über Farbfilter, einem Bayer-Filter oder einem Interferenzfilter, in die Primärfarben rot, grün und blau gefiltert. Jedem CCD-Pixel ist ein eigenes Farbfilter vorgeschaltet. Da die Farbfilter die physikalische Auflösung des Bildsensors reduzieren, wird durch Interpolation der Helligkeitswerte der Nachbarpixel jedem Bildpunkt des Sensors ein eigener RGB-Wert zugewiesen.