CCD-Sensoren

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:

(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 heute betrieben werden, betragen 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:

• Interline Transfer CCD
• Full Frame Transfer CCD
• Frame Transfer CCD

von denen sich in der industriellen Bildverarbeitung vor allem der so genannte "Interline Transfer Sensor" durchgesetzt hat.

Nur dieser kann sehr schnelle Bildraten mit Hilfe einer "elektronischen Shutterfunktion" aufnehmen und wird daher in 99 Prozent der CCD-Industriekameras für die industrielle BV verwendet.

Frame Transfer-CCDs und Full Frame Transfer CCDs kommen heute 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, entstehen im Vergleich zum CMOS-Sensor viele Vorteile 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

Wichtig für die industrielle Bildverarbeitung

• In der Masse der industriellen Applikationen werden Kameras mit CCD-Sensoren verwendet. Sie sind rauscharm, lichtempfindlich, haben eine hohe Uniformität und sind aufgrund Ihrer linearen Charakteristik geeignet für präzise Messapplikationen.
• Eine überwältigende Mehrheit der Hersteller industrieller Kameras verbaut in Ihren Standardmodellen CCD-Sensoren, die in 90% der Fälle von der Fa. Sony stammen. Über die Jahre hinweg wurden immer wieder neue, weiter entwickelte Sensoren auf den Markt gebracht. Überprüfen Sie, falls Sie besonders hohe Ansprüche an Ihren Sensor haben, ob eine neuere oder ältere Sensorvariante verwendet wird.
• Aufgrund verbesserter Fertigungstechnologien werden höhere Empfindlichkeiten der Pixel erzielt, die damit (bei Beibehaltung der Qualität) immer kleinere Pixelgrößen erlauben. Die Anforderungen an die Qualität der Optik sind dadurch extrem gestiegen.
• CCD-Sensoren mit besonders schnellen Frameraten oder mit besonders hoher Auflösung werden von der Fa. Kodak entwickelt. Auch hier lohnt sich ein Blick auf das Datenblatt, welche Type (neue / alte Variante) verwendet wird.
• Fast jeder Sensor hat eine gewisse Anzahl an Defektpixeln, die meistens aber kaum auffallen und manchmal von der Kamera-Firmware durch eine Pixel-Fehlerkorrektur heraus interpoliert werden können. CCD-Hersteller unterscheiden üblicherweise Ihre Sensoren in die Qualitätsstufen Grade "B", Grade "A" und Grade "zero", um die Anzahl der Defektpixel zu beschreiben. Diese unterscheiden sich preislich. Bei extrem kritischen Applikationen können  von bestimmten Kamera-Herstellern gegen Aufpreis auch Kameras mit Grade "zero"-Sensoren mit null Defektpixeln gekauft werden.
• Etwa alle 6 Grad Temperaturerhöhung verdoppelt sich das thermische Rauschen der Pixel. Gute Kameras sollten im Betrieb nicht besonders warm werden. Vermeiden Sie außerdem die Montage der Kamera in Bereichen von Wärmestau.