CCD

Ein Charge-Coupled Device ist ein lichtsensitives integriertes Netzwerk, das Photonen in elektrische Ladung umwandelt. Im Chip sitzt ein Gitter aus Photodioden, typischerweise mit mehreren hunderttausend bis mehreren Millionen einzelnen Pixeln. Wenn Licht auf eine Photodiode trifft, erzeugt sie eine elektrische Ladung, die proportional zur Helligkeit dieses Punkts ist. Der Chip verschiebt diese Ladungen dann nacheinander über das Silizium zu einem Ausleseverstärker, der jeden Ladungsimpuls in eine Spannung umwandelt, die digitalisiert werden kann.

CCDs wurden ab den 1980er Jahren zum Standard-Sensor für Digitalkameras, Videorekorder und Machine-Vision-Systeme, weil sie höhere Lichtempfindlichkeit und weniger Rauschen als frühere Alternativen bieten. Ein typisches CCD zur industriellen Inspektionhat 2048 mal 1536 Pixel, je etwa 4,4 Mikrometer im Quadrat, mit einem Dynamikbereich von 60 bis 65 Dezibel. Farbvarianten nutzen ein Bayer-Filtermuster mit roten, grünen und blauen Filtern über dem Pixel-Array, sodass jedes Pixel einen Farbkanal erfasst; der Kamera-Prozessor interpoliert dann die fehlenden Farben aus benachbarten Pixeln. Schwarzweiß-CCDs ohne Farbfilter haben bessere Empfindlichkeit in schwachem Licht.

Wie die Ladungskopplung funktioniert

Der Begriff Kopplung bezieht sich auf den Mechanismus: Die Ladung jedes Pixels wird wie in einer Staffel zur nächsten Pixel verschoben, gesteuert durch präzise getaktete Impulse an Metallelektroden über der Siliziumoberfläche. Diese Reihenschaltung ist langsam, aber außerordentlich sauber, da die Ladung während der Verschiebung nie eine Siliziumoberfläche berührt und damit minimales Rauschen eingeführt wird. Moderne Kameras lesen ein 2048-mal-1536-Array üblicherweise in etwa 33 Millisekunden aus, was einer Bildrate von 30 Hz entspricht. Die Taktfrequenz und Spannungsschwankung bestimmen Geschwindigkeit und Rauschverhalten; industrielle Systeme erlauben oft Benutzern, die Auslesetaktfrequenz anzupassen, um Bildrate gegen Rauschverhalten auszutauschen.

CCDs unterliegen zwei häufigen Verschleißmechanismen. Kosmische Strahlung auf der Siliziumoberfläche kann ein Pixel zur Sättigung treiben und erzeugt so helle Punkte in der Dunkelheit. Wiederholte Belastung durch ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlen schädigt das Silizium-Gitter und erhöht den Dunkelstrom, eine thermisch erzeugte Ladung, die sich auch in völliger Dunkelheit ansammelt. Langfristige Kühlung auf minus 5 oder minus 10 Grad Celsius verlangsamt die Dunkelstrom-Erzeugung und verbessert die Datenqualität in empfindlichen Anwendungen wie Astronomie oder Mikroskopie.

CMOS-Bildsensoren, die in modernen Designs mit CCDs konkurrieren, lesen die Ladung parallel statt seriell aus und ermöglichen schnellere Bildraten und geringeren Stromverbrauch. Aber CCDs bleiben überlegen, wenn Empfindlichkeit und Rauschen wichtiger sind als Geschwindigkeit, etwa bei Spektroskopie, Dokumentenscanning und lichtschwacher Videoüberwachung. Industrielle Hersteller produzieren CCD-Arrays weiterhin in Standardformaten, besonders in Zeilenkamera-Ausführung für Bahnprüfung und Dokumentenverarbeitung, wo die Physik und Form seit der Erfindung der Technologie 1969 praktisch unverändert geblieben sind.