Techniklexikon

CCD-Bildsensor

Optoelektronischer Sensor (Sensor, optoelektronischer) in— CCD-Technik, der die Helligkeitswerte eines Bildes feinstufig erfaßt und in elektrische Signale umwandelt, die zeilenweise fernsehgerecht ausgegeben werden. Ein C. ist wie eine — CCD-Matrix aufgebaut. Die abzubildende Fläche ist in so viele kleine Elemente unterteilt, daß die Rasterung verschwindet und ein geschlossener Bildeindruck entsteht. Die Umwandlung des ausgegebenen Spannungsverlaufs in ein normgerechtes Fernsehbild wird durch integrierte Schaltkreise (IS) gesteuert. Durch sog. Mosaik-Farbfilter können auch Farbbilder aufgenommen werden. C. werden als Bildwandler für Fernsehkameras eingesetzt. Sie erreichen derzeitig noch nicht die Auflösung von Fernseh-Aufnahmeröhren. Spitzenerzeugnisse ermöglichen es, ein Farbbild in 280 Zeilen und 480 Spalten (über 200000 Bildpunkte) zu zerlegen. An der Weiterentwicklung wird intensiv gearbeitet. CCD-Bildwandler, eine Anordnung von CCD-Elementen zur Umwandlung eines optischen Bildes in ein Ladungsbild durch Photogeneration von Ladungen und anschliessender Umwandlung des Ladungsbildes in ein sequentielles elektrisches Signal mit Hilfe von CCD-Schieberegistern. Ein CCD-Bildsensor besteht somit aus drei CCD-Elementen: einem Photogate, in dem die Ladung durch einfallendes Licht generiert wird, sowie einem Transfer-Gate und einem Speicher-Gate, welche die Ladungen weiter transportieren. Letztere sind damit bereits Bestandteil eines Schieberegisters, welches ein punktweises Auslesen der Ladungen ermöglicht. Sind mehrere CCD-Sensoren zusammengeschaltet, so spricht man von CCD-Arrays, wobei man weiter differenziert in Liniensensoren bzw. Sensorzeilen, welche nur aus einer einzeiligen Anordnung von Bildsensoren bestehen, sowie in CCD-Matrixsensoren bzw. CCD-Flächensensoren, in denen die CCD-Elemente zweidimensional angeordnet sind. Bei letzteren unterscheidet man weiterhin zwei Arbeitsprinzipien. Die Frame-Transfer-Wandler bestehen aus einer Bildwandlerfläche, in der das optische Bild erzeugt wird, sowie einer Pufferfläche, welche das Bild zwischenspeichert. Während die Informationen aus der Pufferfläche ausgelesen werden, kann in der Bildwandlerfläche bereits das nächste Bild entstehen. Bei Interline-Wandlern befinden sich Bildwandler und Puffer in einer Fläche. Die Bildladungen werden in einem Takt in die Pufferfelder geschoben und ausgelesen.

Vorteile von CCD-Bildsensoren sind der grosse und lineare dynamische Bereich, in dem die elektrische Ladung der einfallenden Lichtmenge direkt proportional ist, sowie die Möglichkeit der direkten digitalen Weiterverabeitung der Informationen. Die Grösse von CCD-Flächensensoren beträgt typischerweise 2048 ´ 2048 Bildelemente, wobei insbesondere in der Astronomie sogenannte 4-Shooter eingesetzt werden, die aus vier nebeneinanderliegenden CCD-Arrays bestehen. Das Auslesen erfolgt in Richtung zum Aussenrand, so dass die erzeugten Bildteile in einem späteren Arbeitsschritt gedreht werden müssen.

CCD-Bildwandler wurden zuerst vom Militär und bald darauf in der Astronomie für optische und infrarote Aufnahmen eingesetzt. Mittlerweile finden sie breite Verwendung in elektronischen Video- und Photokameras. Videokameras speichern die Bilder auf herkömmlichen Magnetbändern, während CCD-Kameras die Bilder auf magnetischen Speicherdisketten oder in speziellen Chips ablegen. Sie können direkt an einen Computer angeschlossen werden. Durch Datenkompression lassen sich mehrere hundert Bilder auf dem Datenspeicher unterbringen.