31.07.2025Obwohl CMOS-Sensoren im Jahr 2025 sowohl im wissenschaftlichen als auch im Verbraucherbereich der Bildgebung dominieren, war dies nicht immer so.
CCD steht für „Charge-Coupled Device“ (ladungsgekoppeltes Bauelement), und CCD-Sensoren waren die ersten Sensoren digitaler Kameras, die 1970 entwickelt wurden. Kameras mit CCD- und EMCCD-Sensoren wurden bis vor wenigen Jahren häufig für wissenschaftliche Anwendungen empfohlen. Beide Technologien sind auch heute noch im Einsatz, ihre Anwendungsgebiete sind jedoch Nischenprodukte.
Die Verbesserung und Weiterentwicklung von CMOS-Sensoren schreitet stetig voran. Der Hauptunterschied zwischen diesen Technologien liegt in der Art und Weise, wie sie die detektierte elektrische Ladung verarbeiten und auslesen.
Was ist ein CCD-Sensor?
Ein CCD-Sensor ist ein Bildsensor, der Licht aufnimmt und in digitale Signale umwandelt. Er besteht aus einer Anordnung lichtempfindlicher Pixel, die Photonen sammeln und in elektrische Ladungen umwandeln.
Die Auslesemethode eines CCD-Sensors unterscheidet sich in drei wesentlichen Punkten von der eines CMOS-Sensors:
● GebührenübertragungDie eingefangenen Photoelektronen werden elektrostatisch von Pixel zu Pixel über den Sensor zu einem Auslesebereich am unteren Rand bewegt.
● AuslesemechanismusAnstelle einer ganzen Reihe von Analog-Digital-Wandlern (ADCs), die parallel arbeiten, verwenden CCDs nur einen oder zwei ADCs (manchmal auch mehr), die die Pixel nacheinander auslesen.
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 bei der Bildaufnahme und -verarbeitung:
Nach Beendigung 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 übertragen. Danach werden die Ladungen im Ausleseregister spaltenweise ausgelesen.
1. LadungsbereinigungUm die Datenerfassung zu starten, wird gleichzeitig die Ladung vom gesamten Sensor gelöscht (Global Shutter).
2. Ladungsansammlung: Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. LadespeicherNach Beendigung der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in einen maskierten Bereich innerhalb jedes Pixels (sogenannter Interline-Transfer-CCD) verschoben, wo sie auf das Auslesen warten können, ohne dass neue detektierte Photonen gezählt werden.
4. Belichtung des nächsten Bildes: Nachdem die erkannten Ladungen im maskierten Bereich der Pixel gespeichert wurden, kann der aktive Bereich der Pixel mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen (Überlappungsmodus).
5. Sequenzielles AuslesenDie Ladungen aus jeder Zeile des fertigen Rahmens werden zeilenweise in ein „Ausleseregister“ übertragen.
6. Endgültige MesswerteDie Ladungen der einzelnen Pixel werden spaltenweise zum Ausleseknoten transportiert und dort am ADC ausgelesen.
7. WiederholungDieser Vorgang wiederholt sich, bis alle erkannten Ladungen in allen Pixeln gezählt sind.
Dieser Engpass, der dadurch entsteht, dass alle erfassten Ladungen von einer kleinen Anzahl (manchmal nur einem) Auslesepunkt erfasst werden, führt zu erheblichen Einschränkungen beim Datendurchsatz von CCD-Sensoren im Vergleich zu CMOS-Sensoren.
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. |
| Die On-Pixel-Binning-Ladungen werden vor dem Auslesen summiert, wodurch das Rauschen reduziert wird. | Ein hohes Ausleserauschen von 5–10 e⁻ ist aufgrund der Einpunkt-ADC-Auslesung üblich. |
| Globaler Verschluss Echter globaler oder nahezu globaler Verschluss bei Interline-/Frame-Transfer-CCDs. | Größere Pixelgrößen können mit der Miniaturisierung, die CMOS bietet, nicht mithalten. |
| Hohe Bildhomogenität – hervorragend geeignet für die quantitative Bildgebung. | Hoher Stromverbrauch erfordert mehr Energie für Ladungsverschiebung und Auslesung. |
Vorteile des CCD-Sensors
● Niedriger Dunkelstrom: Aufgrund der Technologie weisen CCD-Sensoren in der Regel einen sehr niedrigen Dunkelstrom auf, der im gekühlten Zustand typischerweise in der Größenordnung von 0,001 e-/p/s liegt.
● Pixelgenaues BinningBeim Binning fügen CCDs Ladungen vor dem Auslesen hinzu, nicht danach, wodurch kein zusätzliches Ausleserauschen entsteht. Der Dunkelstrom steigt zwar an, ist aber, wie bereits erwähnt, üblicherweise sehr gering.
● Globaler VerschlussInterline-CCD-Sensoren arbeiten mit einem echten globalen Verschluss. Frame-Transfer-CCD-Sensoren verwenden einen halbglobalen Verschluss (siehe „Maskierter“ Bereich in Abbildung 45) – der Frame-Transfer zum Starten und Beenden der Belichtung erfolgt nicht vollständig simultan, sondern dauert typischerweise 1–10 Mikrosekunden. Einige CCDs verwenden einen mechanischen Verschluss.
Nachteile von CCD-Sensoren
● Begrenzte GeschwindigkeitDie typische Datenrate in Pixeln pro Sekunde liegt bei etwa 20 Megapixeln pro Sekunde (MP/s), was einem 4-MP-Bild bei 5 Bildern pro Sekunde entspricht. Dies ist etwa 20-mal langsamer als bei vergleichbaren CMOS-Sensoren und mindestens 100-mal langsamer als bei Hochgeschwindigkeits-CMOS-Sensoren.
● Hohes AusleserauschenDas Ausleserauschen von CCDs ist hoch, hauptsächlich aufgrund der Notwendigkeit, die AD-Wandler mit hoher Rate zu betreiben, um eine nutzbare Kamerageschwindigkeit zu erreichen. 5 bis 1010 e- sind typisch für hochwertige CCD-Kameras.
● Größere PixelFür viele Anwendungen bieten kleinere Pixel Vorteile. Die typische CMOS-Architektur ermöglicht kleinere minimale Pixelgrößen als CCD.
● Hoher StromverbrauchDer Energiebedarf für den Betrieb von CCD-Sensoren ist wesentlich höher als der von CMOS-Sensoren.
Anwendungen von CCD-Sensoren in der wissenschaftlichen Bildgebung
Obwohl die CMOS-Technologie an Popularität gewonnen hat, werden CCD-Sensoren in bestimmten wissenschaftlichen Bildgebungsanwendungen, in 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 unverzichtbar, da sie das schwache Licht ferner Sterne und Galaxien einfangen können. Sie werden sowohl in Observatorien als auch in der fortgeschrittenen Amateurastronomie für Langzeitbelichtungen in der Astrofotografie eingesetzt und liefern klare, detailreiche Bilder.
Mikroskopie und Lebenswissenschaften
In den Lebenswissenschaften werden CCD-Sensoren eingesetzt, um schwache Fluoreszenzsignale oder feine Zellstrukturen zu erfassen. Ihre hohe Empfindlichkeit und Gleichmäßigkeit machen sie ideal für Anwendungen wie Fluoreszenzmikroskopie, Lebendzellbildgebung und digitale Pathologie. Ihre lineare Lichtantwort 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 unerlässlich, um Mikrodefekte in Chips zu erkennen und so die in der Halbleiterproduktion erforderliche Präzision zu gewährleisten.
Röntgen- und wissenschaftliche Bildgebung
CCD-Sensoren werden auch in Röntgendetektionssystemen und anderen spezialisierten Bildgebungsanwendungen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, insbesondere bei Kühlung, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufrechtzuerhalten, ist für klare Bilder unter anspruchsvollen Bedingungen wie Kristallographie, Materialanalyse und zerstörungsfreier Prüfung unerlässlich.
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 überholt. Sie bleiben die erste Wahl für Bildgebungsaufgaben bei extrem schwachem Licht und hoher Präzision, 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 Bedürfnisse auszuwählen und so eine optimale Leistung in ihren wissenschaftlichen oder industriellen Anwendungen zu gewährleisten.
Häufig gestellte Fragen
Wann sollte ich einen CCD-Sensor wählen?
CCD-Sensoren sind heute deutlich seltener als noch vor zehn Jahren, da die CMOS-Technologie selbst ihre geringe Dunkelstromempfindlichkeit zunehmend übertrifft. Dennoch wird es immer Anwendungsbereiche geben, in denen ihre Kombination aus Leistungsmerkmalen – wie überlegene Bildqualität, geringes Rauschen und hohe Empfindlichkeit – einen Vorteil bietet.
Warum verwenden wissenschaftliche Kameras gekühlte CCD-Sensoren?
Die Kühlung reduziert das thermische Rauschen bei der Bildaufnahme und verbessert so Bildschärfe und Empfindlichkeit. Dies ist besonders wichtig für wissenschaftliche Aufnahmen bei schwachem Licht und langen Belichtungszeiten, weshalb viele High-End-Kameras über eine solche Kühlung verfügen.wissenschaftliche KamerasSetzen Sie auf gekühlte CCDs für sauberere und genauere Ergebnisse.
Was ist der Überlappungsmodus bei CCD- und EMCCD-Sensoren und wie verbessert er die Kameraleistung?
CCD- und EMCCD-Sensoren verfügen typischerweise über einen Überlappungsmodus. Bei Kameras mit Global Shutter bedeutet dies, dass das vorherige Bild während der Belichtung des nächsten Bildes ausgelesen werden kann. Dies führt zu einem hohen Tastverhältnis (nahezu 100 %), wodurch die Belichtungszeit minimiert und somit höhere Bildraten erzielt werden.
Hinweis: Der Überlappungsmodus hat bei Rolling-Shutter-Sensoren eine andere Bedeutung.
Wenn Sie mehr über Rollläden erfahren möchten, klicken Sie bitte hier:
Wie der Rolling-Shutter-Steuerungsmodus funktioniert und wie man ihn benutzt
