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Charge-coupled Device

Ein Charge-coupled Device (CCD) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Leuchtstärke. Das Bauteil besteht aus einer Matrix (oder seltener aus einer Zeile) mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel genannt werden (picture elements). Sie werden nacheinander durch eine Art Schieberegister elektrisch ausgelesen. Für jede Zelle wird die Lichtmenge digital im Computer verspeichert, was für Millionen Pixel nur Sekundenbruchteile dauert.

Diese modernen Bildaufnehmer sind vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar, auch für sehr lichtschwache Objekte wie in der Astronomie. Sie beruhen auf dem Einstein'schen Fotoeffekt. Die einfallenden Lichtquanten lösen Elektronen aus der Halbleiterschicht und können mittels "Potentialtöpfen" quasi gezählt werden. Die Quantenausbeute kann über 80% betragen, gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.

Inhalt
1 CCD-Arrays, Farb- und Liniensensoren
2 Anwendungen
3 Neuentwicklung
4

CCD-Arrays, Farb- und Liniensensoren

Ursprünglich wurden CCD Chips zur Datenspeicherung entworfen, es wurde jedoch schnell bemerkt dass diese Chips lichtempfindlich sind, und ein zur eingestrahlten Lichtmenge lineales Signal ausgeben. Der CCD-Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von 300.000 bis 5 Millionen solcher lichtempfindlicher Zellen, die den Pixeln des aufgenommenen Bildes entsprechen. Sie sind meist quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 bis 20 µm. Dazwischen verlaufen feine elektrische Leitungen, die zwar eine Lichteinbuße bedeuten, aber zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Zellen dienen. Größere Pixel bedeuten deshalb höhere Lichtempfindlichkeit, aber geringere Auflösung und unschärfere Bilder.

Für Farbbilder werden die Arrays sensibilisiert. Je zwei von 4 Pixeln erhalten winzige Grünfilter, die anderen rote und blaue. So wird genähert das menschliche Farbsehen modelliert, doch die Auflösung ist zweimal schlechter. Um wieder (fast) volle Schärfe zu erzielen, werden die dazwischen liegenden Pixelfarben mathematisch interpoliert:

Die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation wird durch einen speziellen Algorithmus (Bayer-Filter) aus den einzelnen Elementen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG-Format in 8×8 großen Feldern durch Frequenzanalyse weiterverarbeitet, was gleichzeitig die Datenmenge reduziert. Künftige Verfahren werden Wavelet-Algorithmen verwenden.

Statt lichtempfindlicher Flächen sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte "Strips". Diese Sensoren werden z. B. in der Industrie oder bei der Scannerkasse von Supermärkten verwendet, wenn es nicht um Bilder, sondern um Scannen (optisches Abtasten) geht.

Anwendungen

CCD-Chips können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für angrenzende Infrarot- und UV-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,5-0,8 µm auf etwa 0,3-1 µm.

Neuentwicklung


Der Ursprungsartikel stammt von der deutschsprachigen Wiki pedia (siehe oben: "Original Artikel & Autoren Liste").
Der Text steht unter der GNU Freie Dokumentation Lizenz.