CCD-Sensoren verstehen: Was sie sind und wie sie funktionieren |

Obwohl im Jahr 2025 CMOS-Sensoren sowohl die wissenschaftliche als auch die Verbraucherbildgebung dominieren, war dies nicht immer der Fall.

CCD steht für „Charge-Coupled Device“ (ladungsgekoppeltes Bauelement). CCD-Sensoren waren die ersten Sensoren für Digitalkameras, die 1970 entwickelt wurden. Bis vor wenigen Jahren wurden CCD- und EMCCD-basierte Kameras häufig für wissenschaftliche Anwendungen empfohlen. Beide Technologien sind auch heute noch aktuell, ihre Anwendung ist jedoch zu einer Nischenanwendung geworden.

Die Verbesserungs- und Entwicklungsgeschwindigkeit von CMOS-Sensoren nimmt stetig zu. Der Unterschied zwischen diesen Technologien liegt hauptsächlich in der Art und Weise, wie sie die erkannte elektronische Ladung verarbeiten und auslesen.

Was ist ein CCD-Sensor?

Ein CCD-Sensor ist ein Bildsensortyp, der Licht einfängt und in digitale Signale umwandelt. Er besteht aus einer Reihe lichtempfindlicher Pixel, die Photonen sammeln und in elektrische Ladungen umwandeln.

Die CCD-Sensoranzeige unterscheidet sich in drei wesentlichen Punkten von der CMOS-Anzeige:

● Gebührenübertragung: Die erfassten Photoelektronen werden elektrostatisch von Pixel zu Pixel über den Sensor zu einem Auslesebereich am unteren Rand bewegt.
● Auslesemechanismus: Anstelle einer ganzen Reihe parallel arbeitender Analog-Digital-Wandler (ADCs) verwenden CCDs nur einen oder zwei ADCs (manchmal auch mehr), die die Pixel nacheinander lesen.

Platzierung von Kondensatoren und Verstärkern: Anstelle von Kondensatoren und Verstärkern in jedem Pixel verfügt jeder ADC über einen Kondensator und einen Verstärker.

Wie funktioniert ein CCD-Sensor?

So funktioniert ein CCD-Sensor zum Aufnehmen und Verarbeiten eines Bildes:

Abbildung: Auslesevorgang eines CCD-Sensors

Am Ende der Belichtung verschieben CCD-Sensoren die gesammelten Ladungen zunächst in einen maskierten Speicherbereich innerhalb jedes Pixels (nicht dargestellt). Anschließend werden die Ladungen zeilenweise in ein Ausleseregister verschoben. Die Ladungen im Ausleseregister werden spaltenweise ausgelesen.

1. Gebührenabrechnung: Um mit der Erfassung zu beginnen, wird gleichzeitig die Ladung vom gesamten Sensor gelöscht (Global Shutter).
2. Ladungsakkumulation: Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. Ladungsspeicher: Am Ende der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in einen maskierten Bereich innerhalb jedes Pixels (Interline-Transfer-CCD genannt) verschoben, wo sie auf die Auslesung warten können, ohne dass neu erkannte Photonen gezählt werden.
4. Belichtung des nächsten Bildes: Mit den erkannten Ladungen, die im maskierten Pixelbereich gespeichert sind, kann der aktive Pixelbereich mit der Belichtung des nächsten Frames beginnen (Überlappungsmodus).
5. Sequentielles Auslesen: Ladungen aus jeder Zeile des fertigen Frames werden Zeile für Zeile in ein „Ausleseregister“ verschoben.
6. Endgültige Anzeige: Ladungen von jedem Pixel werden Spalte für Spalte in den Ausleseknoten transportiert, um am ADC ausgelesen zu werden.
7. Wiederholung: Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die erkannten Ladungen in allen Pixeln gezählt sind.

Dieser Engpass, der dadurch entsteht, dass alle erkannten Ladungen von einer kleinen Anzahl (manchmal einem) von Auslesepunkten gelesen werden, führt zu erheblichen Einschränkungen des Datendurchsatzes von CCD-Sensoren im Vergleich zu CMOS.

Vor- und Nachteile von CCD-Sensoren

Vorteile	Nachteile
Niedriger Dunkelstrom. Typischerweise ~0,001 e⁻/p/s bei Kühlung.	Begrenzte Geschwindigkeit. Typischer Durchsatz ~20 MP/s – viel langsamer als CMOS.
On-Pixel-Binning-Ladungen werden vor dem Auslesen summiert, wodurch das Rauschen reduziert wird.	Aufgrund der Einzelpunkt-ADC-Auslesung kommt es häufig zu einem hohen Lese-Rauschen von 5–10 e⁻.
Global Shutter Echter Global Shutter oder nahezu Global Shutter in Interline-/Frame-Transfer-CCDs.	Größere Pixelgrößen können nicht mit der Miniaturisierung mithalten, die CMOS bietet.
Hohe Bildgleichmäßigkeit. Hervorragend geeignet für quantitative Bildgebung.	Hoher Stromverbrauch. Benötigt mehr Strom für die Ladungsverschiebung und das Auslesen.

Vorteile des CCD-Sensors

● Niedriger Dunkelstrom: CCD-Sensoren weisen technologiebedingt einen sehr niedrigen Dunkelstrom auf, der im gekühlten Zustand typischerweise in der Größenordnung von 0,001 e-/p/s liegt.
● „On-Pixel“-Binning: Beim Binning fügen CCDs Ladungen vor dem Auslesen hinzu, nicht danach. Das bedeutet, dass kein zusätzliches Leserauschen entsteht. Der Dunkelstrom steigt zwar an, ist aber, wie oben erwähnt, normalerweise sehr gering.
● Global Shutter: „Interline“-CCD-Sensoren arbeiten mit einem echten Global Shutter. „Frame Transfer“-CCD-Sensoren verwenden einen „Half Global Shutter“ (siehe „Maskierter“ Bereich in Abbildung 45). Der Frame-Transfer-Prozess zum Starten und Beenden der Belichtung erfolgt nicht vollständig gleichzeitig, sondern dauert typischerweise 1–10 Mikrosekunden. Einige CCD-Sensoren verwenden einen mechanischen Verschluss.

Nachteile von CCD-Sensoren

● Begrenzte Geschwindigkeit: Der typische Datendurchsatz in Pixeln pro Sekunde kann bei etwa 20 Megapixeln pro Sekunde (MP/s) liegen, was einem 4-MP-Bild bei 5 fps entspricht. Dies ist etwa 20-mal langsamer als vergleichbares CMOS und mindestens 100-mal langsamer als Hochgeschwindigkeits-CMOS.
● Hohes Leserauschen: Das Lese-Rauschen in CCDs ist hoch, was hauptsächlich daran liegt, dass die ADCs mit einer hohen Rate laufen müssen, um eine brauchbare Kamerageschwindigkeit zu erreichen. 5 bis 10 e- sind bei High-End-CCD-Kameras üblich.
● Größere Pixel: Für viele Anwendungen bieten kleinere Pixel Vorteile. Die typische CMOS-Architektur ermöglicht kleinere Mindestpixelgrößen als CCD.
● Hoher Stromverbrauch: Der Strombedarf für den Betrieb von CCD-Sensoren ist viel höher als bei CMOS.

Anwendungen von CCD-Sensoren in der wissenschaftlichen Bildgebung

Obwohl die CMOS-Technologie an Popularität gewonnen hat, werden CCD-Sensoren in bestimmten wissenschaftlichen Bildgebungsanwendungen, bei denen Bildqualität, Empfindlichkeit und Konsistenz von größter Bedeutung sind, weiterhin bevorzugt. Ihre überlegene Fähigkeit, Signale bei schwachem Licht mit minimalem Rauschen zu erfassen, macht sie ideal für Präzisionsanwendungen.

Astronomie

CCD-Sensoren sind in der astronomischen Bildgebung von entscheidender Bedeutung, da sie schwaches Licht von weit entfernten Sternen und Galaxien einfangen können. Sie werden sowohl in Observatorien als auch in der fortgeschrittenen Amateurastronomie häufig für die Langzeitbelichtung der Astrofotografie eingesetzt und liefern klare, detailreiche Bilder.

Mikroskopie und Biowissenschaften

In den Biowissenschaften werden CCD-Sensoren zur Erfassung schwacher Fluoreszenzsignale oder feiner Zellstrukturen eingesetzt. Ihre hohe Empfindlichkeit und Gleichmäßigkeit machen sie ideal für Anwendungen wie Fluoreszenzmikroskopie, Live-Cell-Imaging und digitale Pathologie. Ihre lineare Lichtreaktion gewährleistet eine präzise quantitative Analyse.

Halbleiterinspektion

CCD-Sensoren sind in der Halbleiterfertigung, insbesondere bei der Waferinspektion, von entscheidender Bedeutung. Ihre hohe Auflösung und gleichbleibende Bildqualität sind für die Erkennung von Mikrodefekten in Chips unerlässlich und gewährleisten die in der Halbleiterproduktion erforderliche Präzision.

Röntgen und wissenschaftliche Bildgebung

CCD-Sensoren werden auch in Röntgendetektionssystemen und anderen speziellen Bildgebungsanwendungen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, insbesondere im gekühlten Zustand ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufrechtzuerhalten, ist für eine klare Bildgebung unter anspruchsvollen Bedingungen wie in der Kristallographie, Materialanalyse und zerstörungsfreien Prüfung von entscheidender Bedeutung.

Sind CCD-Sensoren heute noch relevant?

Tucsen H-694 & 674 CCD-Kamera

Trotz der rasanten Entwicklung der CMOS-Technologie sind CCD-Sensoren noch lange nicht veraltet. Sie bleiben die bevorzugte Wahl bei extrem schwachen Lichtverhältnissen und hochpräziser Bildgebung, wo ihre unübertroffene Bildqualität und ihr geringes Rauschverhalten entscheidend sind. In Bereichen wie der Weltraumastronomie oder der fortgeschrittenen Fluoreszenzmikroskopie übertreffen CCD-Kameras oft viele CMOS-Alternativen.

Das Verständnis der Stärken und Schwächen von CCD-Sensoren hilft Forschern und Ingenieuren, die richtige Technologie für ihre spezifischen Anforderungen auszuwählen und so eine optimale Leistung in ihren wissenschaftlichen oder industriellen Anwendungen sicherzustellen.

FAQs

Wann sollte ich einen CCD-Sensor wählen?

CCD-Sensoren sind heute deutlich seltener als noch vor zehn Jahren, da die CMOS-Technologie selbst ihre Leistung bei niedrigem Dunkelstrom beeinträchtigt. Dennoch wird es immer Anwendungen geben, bei denen die Kombination von Leistungsmerkmalen – wie hervorragende Bildqualität, geringes Rauschen und hohe Empfindlichkeit – einen Vorteil bietet.

Warum verwenden wissenschaftliche Kameras gekühlte CCD-Sensoren?

Die Kühlung reduziert das thermische Rauschen während der Bildaufnahme und verbessert so die Bildschärfe und Empfindlichkeit. Dies ist besonders wichtig für die wissenschaftliche Bildgebung bei schwachem Licht und langer Belichtungszeit. Deshalb verwenden viele High-End-wissenschaftliche KamerasVerlassen Sie sich auf gekühlte CCDs für sauberere und genauere Ergebnisse.

Was ist der Überlappungsmodus in CCD- und EMCCD-Sensoren und wie verbessert er die Kameraleistung?

CCD- und EMCCD-Sensoren verfügen typischerweise über den „Überlappungsmodus“. Bei Global-Shutter-Kameras bedeutet dies, dass das vorherige Bild während der Belichtung des nächsten Bildes ausgelesen wird. Dies führt zu einem hohen Tastverhältnis (nahezu 100 %), d. h. es wird nur minimale Zeit durch die Nichtbelichtung der Bilder verschwendet, was zu höheren Bildraten führt.

Hinweis: Der Überlappungsmodus hat für Rolling-Shutter-Sensoren eine andere Bedeutung.

Wenn Sie mehr über Rollläden erfahren möchten, klicken Sie bitte hier:

Funktionsweise und Verwendung des Rollladen-Steuerungsmodus