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

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Aufbau eines CCD-Elementes mit Steuer- und Ladungspfaden

Ein CCD-Element ist ein Halbleiter-Array aus Fotodioden, kleinsten Kapazitäten, Feldeffekttransistoren, Steuerleitungen und Leitungspfaden. Wenn Licht auf die Fotozelle fällt, erzeugt sie eine Elektronenladung, die linear mit der Lichtmenge, also der Lichtintensität und der Belichtungsdauer, ansteigt. Die Elektronenladung wird als momentanes Ladungsbild in einem sogenannten Potentialtopf, einer Kleinstkapazität, zwischengespeichert. Wenn der Potentialtopf gefüllt ist, können Elektronen auch in die Potentialtöpfe der Nachbarpixel abfließen. Dieser störende Effekt heißt Blooming. Das gesamte Ladungsbild des CCD-Sensors entspricht somit der Lichtintensität an jedem einzelnen Pixel. Bevor aus den Ladungszuständen der Pixel das Spannungsbild für das projizierte Licht erzeugt wird, werden die Ladungszustände nach bestimmten Schemen von den Ladungssenken ausgelesen, nach außen geführt und dort aufbereitet.

In CCD-Sensoren angewandtes Eimerkettenprinzip

Die Bezeichnung Charge Coupled Device (CCD) sagt aus, dass es sich um ein Bauelement mit Ladungskopplung handelt. Beim Auslesen der elektrischen Ladung aus den vielen Potentialtöpfen werden die Ladungen von einem zum nächsten Potentialtopf verschoben, jeweils ausgelöst durch einen Weiterleitungsimpuls. Dieses Verfahren wird auch als Kettenspeicher oder Eimerkettenschaltung bezeichnet. Die Ladung jeder einzelnen Kleinstkapazität wird also nacheinander zum Zeilenende transportiert und steht dort als Ladungsabbild für die Weiterverarbeitung zur Verfügung. Die Weiterleitung der Ladung erfolgt über Feldeffekttransistoren (FET), über die die Potentialtöpfe, die als Transfer-Register fungieren, miteinander verbunden sind. Während des Auslesens darf kein Licht auf den CCD-Sensor fallen, da sich dadurch die Ladungen auf den Transfer-Registern verändern würden. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Auslesevorgänge, die das Ladungsproblem unterschiedlich angehen: Den Full Frame Transfer CCD (FF-CCD), Frame Transfer CCD (FT-CCD), Interline Transfer CCD (IT-CCD) und Frame Interline Transfer CCD (FIT-CCD). Generell werden beim Auslesevorgang die Ladungen reihenweise von Pixel zu Pixel verschoben und am Reihenende seriell dem Ausleseverstärker zugeführt.

CCD-Sensor mit 12 MPixel, Foto: Dalsa.com

Die CCD-Technik zeichnet sich durch eine enorme Lichtempfindlichkeit und hohe Auflösung aus, wodurch auch bei geringer Helligkeit Ladungsbilder erstellt werden können. Die Bildauflösung ist von einer dynamischen Entwicklung gekennzeichnet. So gibt es bereits Konsumer-Kameras mit 10 Megapixeln (MP) und mehr. Technisch wurden bereits CCD-Sensoren mit 100 Megapixeln entwickelt. Ein weiterer Aspekt ist der hohe Dynamikbereich, der im Bereich von 1:10.000 liegt, und damit über 10.000 Helligkeitsstufen repräsentiert. Das entspricht einer Quantisierung von 2exp13 und höher. Die Chipgrößen von CCD-Sensoren liegen zwischen wenigen Millimetern und dem von Kleinbildkameras her bekannten Kleinbildformat.

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 werden. Beim Bayer-Filter ist jedem einzelnen 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. Eine Alternativtechnik für die Farbtrennung bietet der Foveon-X3-Sensor.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und zur Verbesserung der Bildqualität von CCD-Sensoren gibt es verschiedene Entwicklungen, wie die wabenförmigen Pixel und die Drehung des CCD-Arrays um 45 Grad. In dem ClearVid-Sensor von Sony oder den EXR-Sensor von Fujifilm sind andere Pixelanordnungen realisiert. Beim EXR-Sensor ist die Anordnung so, dass zwei nebeneinander liegende Pixel mittels Pixel-Binning zusammengefasst werden können.