Christian Linkenheld
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Das Grundelement aller CCD-Bildsensoren stellt das Pixel (= einzelne CCD-Zelle) als lichtempfindlicher Baustein dar. Eine solche Zelle detektiert vereinfacht ausgedrückt einfallende Photonen in der Form einer elektrischen Ladung. Die Größe des hierbei entstehenden Ladungspaketes hängt linear proportional vom Produkt aus Beleuchtungsstärke ("Heligkeit") und Belichtungszeit ab. Vom Prinzip her handelt es sich somit bei einer CCD-Zelle um einen Kondensator.

 

Das Grundprinzip einer CCD-Zelle
   

 

Ordnet man eine große Zahl von CCD-Zellen in der Form eines Arrays an (z.B. 1280x960), so erhält man bei einer optischen Abbildung auf diesen Sensor für das abgebildete Objekt ein Ladungsbild aus 1280x960 Bildpunkten.

 


Am Rande bemerkt:

Obwohl Bildsensoren zumeist mit wie auch immer gearteten digitalen Kameras in Verbindung gebracht werden sind die beschriebenen CCD-Zellen analog arbeitende Bauelement. Die erzeugten Ladungspakete müssen in digitalen Kameras deshalb in einem späteren Schritt digitalisiert werden.


 

Nachdem durch Belichtung ein Ladungsbild auf dem Sensor erzeugt wurde muss dieses im nächsten Schritt ausgelesen werden. Hierzu werden die Ladungspakete geschickt zeilen-, bzw. spaltenweise durch entsprechende Steuerelektroden zum Ausleseregister des Sensors bewegt. Man spricht bei diesem Verfahren vom "Eimerkettenprinzip", da die Ladungen wie bei einer Eimerkette weitergereicht werden.

 

Das Eimerkettenprinzip zum Verschieben der Ladungspaktete
   

 

Beim Auslesen der CCDs werden je nach Einsatzzweck (z.B. Aufnahme von Fotos oder von Videosequenzen) unterschiedliche Wege beschritten. Der Ladungstransport erfolgt aber immer mittels des beschriebenen Eimmerkettenprinzips.

 

CCD-Typen und ihre Auslesetechniken
   

 

Nachfolgend findet sich noch eine Darstellung zur prinzipiellen Funktionsweise für die verbreiteten Interline-Transfer-CCDs. Beachten Sie, dass die vertikalen Schieberegister unmittelbar neben den lichtempfindlichen Zellen lokalisiert sind. Hierdurch kann es passieren, dass von einer sehr hellen Bildpartie ausgehend doch Licht in die Schieberegister eindringen und dort eine zusätzliche Ladung erzeugen kann. Das Resultat sind als "vertikaler Smear" bezeichnete senkrechte, helle Striche im Bild, die beim Vorbeischieben der Ladungspakete an dieser Stelle entstehen.

 

Funktionsweise eines Interline-Transfer-CCDs für Videosequenzen
   

 

 

Größenangaben verwendeter Sensoren

In aller Regel finden sich zur Größe verwendeter Sensoren (Ausnahme: digitale Spiegelreflexkameras - DSLRs) Angaben in Zoll. Nun könnte man vermuten, dass bei einer Kamera mit einem 1/2"-Sensor die bildaufnehmende Fläche eine Diagonale von 25.4mm/2 = 12.7mm aufweist (1" = 25.4mm). Tatsächlich ist die Bilddiagonale mit 8mm jedoch wesentlich kleiner. Um diesen Widerspruch zu entwirren muss man einen Blick zurück in die Historie werfen. Bevor CCD-Sensoren eingesetzt wurden waren mehr oder weniger voluminöse Kameras mit Aufnahmeröhren ("Vidikon") in Verwendung. Bei diesen Geräten wurde immer der Außendurchmesser der Röhren angegeben. Die Diagonale des Bildfeldes ("Target") war natürlich kleiner als der Durchmesser der Röhre. So hatte eine 1/2"-Röhre ein aktives Target mit einer Diagonalen von gerade 8mm. Um eine Vergleichbarkeit mit der Röhrentechnik zu wahren hat man einfach die entsprechenden Größenangaben in die Ära der CCD-Kameras übernommen. Ein CCD-Chip mit der Formatangabe 1/2" hat somit ein Bildfeld, das der Größe des Bildfeldes einer Röhrenkamera mit Aufnahmeröhren eines Durchmessers von 1/2" Zoll entspricht.

 

Durchmesser von Aufnahmeröhren und Größe deren aktiver Targets
   

 

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06/03/2016