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CCD-Sensoren

CCD-Sensoren sind komplexe elektronische Bauelemente, die aus einer Vielzahl von flächig angeordneten lichtempfindlichen Halbleiterelementen bestehen. Jedes Halbleiterelement stellt einen Fotodetektor dar, ein Pixel, das die einfallenden Photonen in Elektronen umwandelt.

Während der Integrationsphase (der Belichtungszeit) werden die Elektronen, die das einfallende Licht im Halbleitermaterial freisetzt, in einem Potentialtopf gesammelt. Die akkumulierte Ladungsmenge ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts und zur Belichtungszeit. Die Ladungsmenge pro Pixel wird dann gemäß der verschiedenen im Folgenden dargestellten Sensorauslesetechniken ausgelesen.

Beim Sensortyp Interline-Transfer (ILT) gibt es neben den lichtempfindlichen Pixeln so genannte vertikale Schieberegister. Zum Auslesen wird die Ladungsmenge eines Pixels über einen Verbindungskanal in die jeweils daneben liegende Zelle des vertikalen Schieberegisters geschoben. Das Schieberegister selbst ist abgedunkelt und deshalb nicht lichtempfindlich. Nun erfolgt das zeilenweise Auslesen des Sensors. Dazu werden die Ladungen aller vertikalen Schieberegister gemäß dem Eimerkettenprinzip in Richtung des horizontalen Schieberegisters transportiert. Dort angelangt kann eine ganze Zeile ausgelesen und je nach Kameratyp zu einem analogen oder digitalen Signal verarbeitet werden. Auf diese Weise wird der ganze Sensor zeilenweise ausgelesen. Die durch die Transferregister bedingte Reduzierung der lichtempfindlichen Fläche kann durch Mikrolinsen ausgeglichen werden, um die Lichtempfindlichkeit des Sensors zu optimieren. Das Verhältnis zwischen der lichtempfindlichen und -unempfindlichen Fläche wird als Füllfaktor in Prozent angegeben.

Obwohl die Sättigungsladung im Vergleich zu den im Folgenden beschriebenen CCD-Architekturen geringer ist, werden bei CCD-Systemen von Sony und ON Semiconductor CCDs in der Regel Ladungsgrößen von 30 bis 50 keV erreicht. Diese Werte sind ausreichend für eine Digitalisierung im Bereich von 8 bis 10 Bit. In modernen Bildverarbeitungskameras werden ILT-CCD-Sensoren am häufigsten eingesetzt, da das einmalige Auslesen kurze Belichtungszeiten und das Erfassen von schnellen Vorgängen ermöglicht.

Der Full-Frame-Sensor hat keine vertikalen Schieberegister, sondern verschiebt nach der Belichtung die integrierten Ladungen einer Zeile in die jeweils darunterliegende, bis der horizontale Shift oder das Ausleseregister erreicht sind. Auch während des Auslesens sind die Pixel lichtaktiv, daher ist ein mechanischer Shutter notwendig, um Smear-Effekte zu vermeiden.

Der Frame-Transfer-Sensor verwendet die gleiche Methode für den Ladungstransport durch die Pixel wie der Full-Frame-Sensor. Dies erfolgt jedoch erheblich schneller als das spätere Auslesen der Daten aus dem abgedunkelten Bereich. Ein mechanischer Shutter ist dadurch nicht mehr nötig. Das ist ein guter Kompromiss zu den anderen CCD-Typen.

Sowohl für den Full-Frame-CCD-Sensor als auch für den Frame-Transfer- CCD-Sensor ist charakteristisch, dass ein Füllfaktor von 100 % mit entsprechend hoher Sättigungsladung, hoher Empfindlichkeit und damit großem Dynamikbereich erreicht werden kann. Beide Sensortypen verwenden 12 oder 14 μm große Pixel, die eine verbesserte Dynamik und Empfindlichkeit bieten und oft in wissenschaftlichen Anwendungen oder für Highend-Fotografie eingesetzt werden, wo Geschwindigkeit weniger wichtig ist als der Dynamikbereich und ein niedriges Rauschen.


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