CCD-Sensoren
- eine veraltete Technologie
Der Begriff "CCD" heißt übersetzt "Charge-coupled Device" (ladungsgekoppeltes Bauteil) und ist eine elektronische Baugruppe, die in der Lage ist, elektronische Ladungen zu transportieren.
Diese Technik wurde im Jahr 1969 in den Bell Laboratories von Willard Boyle und George E. Smith als reine Datenspeichermöglichkeit erfunden, hat sich aber für Speicherzwecke niemals technisch durchgesetzt. Dieses Prinzip wird jedoch bis heute erfolgreich benutzt, um die Ladungen, die durch Belichtung auf einem Halbleiter durch den "inneren photonischen Effekt" entstanden sind, mit Hilfe sehr vieler kleiner Schritte (vertikale und horizontale Schieberegister) zu einem zentralen A/D-Wandler mit einer Art "Eimerketten-Prinzip" zu transportieren. Die Ladungsverschiebung wird mit Hilfe von Elektroden durch Anlegen von elektrischen Potentialen von außen erzwungen:
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(Für diese fundamental wichtige Erfindung erhielten Willard Boyle und George E. Smith 40 Jahre nach der Entdeckung dieses Effekts den Nobelpreis für Physik 2009.)
Ein Bildsensor, der dieses Prinzip zum Verschieben und Auslesen der Ladungen der lichtaktiven Pixel anwendet, wird "CCD-Sensor" genannt.
Die Frequenz, wie oft der Sensor pro Sekunde der in der Lage ist, die Ladung um einen Pixel weiter zu transportieren, wird "Pixel clock" genannt. Die Frequenzen, mit den CCDs betrieben wurden, betrugen rund 25 bis 50 MHz.
Vereinfachtes Funktionsprinzip der Lichtempfindlichkeit
Der innere photoelektrische Effekt ist fundamental für die Funktionsweise des Sensors.
Die Atome des Siliziumkristalls befinden sich diskreten Energiebändern, das energetisch niedrigere wird Valenzband, das energetisch höhere wird als Leitungsband bezeichnet. Im Grundzustand befinden sich die meisten Elektronen im Valenzband, können jedoch durch Anregung von außen in das Leitungsband befördert werden.
Die dazu benötigte Energie beträgt 1.26 eV oder mehr. Im CCD-Sensor kann dieser Übergang durch Licht, aber auch durch höhere Wärmezufuhr (Dunkelrauschen des Sensors) angeregt werden. (Hinweis: 1.26eV entsprechen etwa der Energie von Infrarot-Strahlung mit der Wellenlänge von 1µm. Langwelligeres Licht kann das Silizium ohne Absorption durchdringen, es wird quasi durchsichtig ab diesen Wellenlänge und unempfindlich.)
Bei der Anregung entstehen gleichzeitig freie Elektronen (negativ) und positiv geladene „Löcher" im Valenzband, die sich aufgrund einer angelegten Spannung voneinander trennen. Diese Ladungen fließen jedoch nicht sofort nach außen ab, (wie bei einer Fotodiode am CMOS-Sensor), sondern werden in der Speicherzelle selbst gesammelt.
Mittels oben beschriebener Ladungsverschiebung wird durch den gesamten Sensor in vielen kleinen Schritten bis zu einem zentralen Verstärker / AD-Wandler die Ladung hindurch getaktet.
Typischer Sensoraufbau von CCD-Sensoren
Allgemein werden einige typische CCD-Sensor-Bauarten unterschieden, die auf weiteren Homepage-Seiten beschrieben werden:
von denen sich in der industriellen Bildverarbeitung vor allem der so genannte "Interline Transfer Sensor" durchgesetzt hatte.
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Nur dieser konnte sehr schnelle Bildraten mit Hilfe einer "elektronischen Shutterfunktion" aufnehmen und wurde daher in 90 Prozent der CCD-Industriekameras für die industrielle BV bis ins Jahr 2015 verwendet. Danach kamen nach und nach bessere CMOS-Sensoren, speziell von SONY, On Semi und anderen Firmen auf den Markt und CCD-Produktlinien wurden zunehmend abgekündigt.
Frame Transfer-CCDs und Full Frame Transfer CCDs kamen vor allem noch bei wissenschaftlichen Anwendungen mit geringen Bildwiederholraten vor, wo extrem hohe Lichtempfindlichkeit das Hauptkriterium darstellt.
Vor- und Nachteile der CCD-Sensortechnik
Da die Umwandlung der Ladung in Spannung für jedes Pixel durch eine einzigen zentralen Verstärker/ AD-Wandler erfolgt, entstanden im Vergleich zum CMOS-Sensor viele Vorteile und Nachteile. Heute ist der CCD-Sensor jedoch eine überholte Technologie, da durch moderne Fertigungsschritte für Consumerelektronik (Smartphone-Kameras) die CMOS-Technik so weiter entwickelt wurde, das deren Vorteile heute überwiegen. Der CCD-Kamerasensor ist für Massenanwendungen quasi tot.
Vorteile waren lange Zeit:
- Höhere Empfindlichkeit und geringeres Rauschen aufgrund besserer Flächennutzung (höherer fill factor)
- Weniger Defektpixel aufgrund einfacherer Struktur
- Größere Homogenität des Bildes durch nur einen zentralen A/D-Wandler
Nachteile bis heute:
- Langsameres Auslesen, da nur ein zentraler A/D-Wandler digitalisiert
- Kein direkter Pixelzugriff wie beim CMOS-Sensor, da der CCD-Sensor seriell ausgelesen werden muss
- Komplexerer Kameraaufbau durch benötigte Zusatzelektronik führt zu größeren und teureren Kameras
- Höherer Stromverbrauch der gesamten Kamera
- Mehr Smearing und Blooming-Effekte beim Überbelichten als im Vergleich zum CMOS-Sensor
Aufgrund moderner Fertigungstechnologien hat der CMOS-Sensor seit etwa dem Jahr 2015 die Bildqualität von CCD-Sensoren überholt. Daher wurden diese Zug um Zug von den Herstellern alle Kameraserien auf CMOS-Sensoren umgestellt.