Sprecher:
Markus Bausewein
Andreas Miesauer
Intro/Outro: Inka
Inhalt der Folge:
Auslesen von CCDs (Charge Coupled Device)
Funktionsprinzip von CCDs
Typen von CCDs
Allgemein werden einige typische CCD-Sensor-Bauarten unterschieden:
- Interline Transfer CCD
dieser kann sehr schnelle Bildraten mit Hilfe einer „elektronischen Shutterfunktion“ aufnehmen.
Beim Interline Transfer ist jede zweite Pixelzeile auf dem CCD-Sensor maskiert und steht nicht für Belichtungen zur Verfügung. In sie können die Ladungen aus der daneben liegenden Zeile ausgelesen werden. Beim Auslesen werden die Ladungen der belichteten Pixelzeilen in die Zwischenzeile transferiert und dann zeilenweise zum Ausleseverstärker geschoben. Das Verfahren ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten. Dieser Sensortyp wird in der Regel mit Mikrolinsen vor jedem Pixel betrieben um den lichtempfindlichen Bereich des Sensors auszuweiten. Der Füllfaktor steigt damit auf ein Maximum an, da die Linsen das Licht auf den jeweils dahinter liegenden Pixel fokussieren.
- Full Frame Transfer CCD
Beim Full Frame Transfer Sensor ist die komplette Sensorfläche lichtaktiv, daher ist dieser Sensortyp ideal für eine maximale Helligkeitsempfindlichkeit. Daher wird dieser Typ gerne bei wissenschaftlichen und astronomischen Anwendungen eingesetzt, um kleinste Lichtmengen über eine lange Zeit (minutenlang, stark gekühlt) zu detektieren.
Dieser Sonsoraufbau hat keine vertikalen Schieberegister, so dass die Ladungen der Pixel durch die benachbarten Pixelstrukturen in ein horizontales Schieberegister verschoben werden müssen.
- Frame Transfer CCD
Nach erfolgter Bildaufnahme im Hellbereich des Sensors wird sehr rasch das Bild in den Dunkelbereich des Sensors verschoben. Dabei handelt es sich physikalisch um die selben Strukturen wie bei den lichtaktiven Pixeln. Diese sind allerdings mechanisch abgedeckt, um Lichteinfall zu vermeiden. Anschließend kann Zeile für Zeile über das horizontale Schieberegister ausgelesen, verstärkt und digitalisiert werden.
Dieser Sensortyp braucht allerdings die doppelte Fläche an Silizium und macht damit den Sensor teuer. Wenn das Bild in den Dunkelbereich geschoben wurde, kann bereits ein neues Bild aufgenommen werden. Für kurze Belichtungszeiten eignet sich dieser Sensortyp weniger, da während des Verschiebens vom Hell- in den Dunkelbereich sonst ein starker Smear-Effekt auftreten kann. Eine Lösung für dieses Problem können nur ein mechanischer Shutter oder eine geblitzte Aufnahme (Stroboskop) herbeiführen.
Die zwei letztgenannten CCDs kommen heute vor allem noch bei wissenschaftlichen Anwendungen mit geringen Bildwiederholraten vor, bei denen eine hohe Lichtempfindlichkeit gefordert wird.
Eine weitere Variante ist der:
- Frame Interline Transfer CCD
Die Ladungen der Pixel werden nach der Bildaufnahme wie bei den Interline Transfer CCDs in eine daneben liegende Pixelreihe (x-Richtung) verschoben, und von dieser weiter in einen wiederum danebenliegenden Bereich (y-Richtung) des CCDs, von dem aus er dann ausgelesen wird. Der Vorteil hier ist, dass sehr kurze Belichtungszeiten realisiert werden können und der Smear-Effekt stark reduziert wird. Nachteil hingegen ist die sehr große Sensorfläche (mind. dreifache Pixelanzahl zu Bildauflösung).
Eine andere spezielle Variante von CCDs ist der Backside illuminated Chip. Hier werden sehr dünne Schichten des Siliziums verwendet und upside down auf einen Trägerchip montiert. Diese Chips werden z.B. von Sony oder Kodak gebaut.
Vor- und Nachteile von CCDs
Da die Umwandlung der Ladung in Spannung für jedes Pixel durch eine einzigen zentralen Verstärker/ AD-Wandler erfolgt, entstehen im Vergleich zum CMOS-Sensor viele Vor- und Nachteile:
Vorteile:
- 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
- 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
- Teurer als CMOS da die Steuerelektronik nicht auf dem Chip ist und später erfolgt
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Die Intro- und Outromusik wurde mit Groovepad erstellt. Link
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