CCD

Engl. Akronym für Charge Coupled Device, dt. ladungs(träger)gekoppelte(s) Bauelement/Schaltung; flächen- oder zeilenhaft angeordnete Sensorelemente in opto-elektronischen Abtastern mit hoher Lichtempfindlichkeit zur Bildaufnahme von Flugzeugen oder Satelliten aus. Die integrierten Schaltkreise der CCDs bestehen aus dicht angeordneten Photodioden, die Licht (Photonen) in elektrische Ladung umwandeln. Die Erfassung der flächigen Verteilung von Licht erfordert CCD-Elemente (Pixel) in geordneter Form.

Bauweise eines Charge Coupled Device Quelle: National High Magnetic Field Laboratory

Ursprünglich wurden 1969 CCDs für die Datenspeicherung entwickelt. Jedoch wurde schnell bemerkt, dass diese Bauelemente lichtempfindlich sind und es vergleichsweise einfach ist, ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Bereits 1970 wurde ein solcher CCD-Sensor gebaut, und 1975 wurden die ersten CCDs mit einer für Fernsehkameras ausreichenden Anzahl an Bildpunkten hergestellt. Seit ca. 1983 werden CCD-Sensoren als Bildsensoren in der Astronomie und der Satellitenfernerkundung eingesetzt.

CCDs sind Halbleiterelemente, die gewöhnlich in einer linearen (Scanner) oder flächigen Anordnung (Video, Digitalkamera) ausgerichtet sind. Sie bestehen aus Ketten von Kondensatoren, in welchen durch Belichtung Ladungen erzeugt werden; flächenhafte Anordnungen von CCDs kommen insbesondere in digitalen Kameras und in der Fernsehtechnik vor, in der Fernerkundung bei manchen Arten von Abbildenden Spektrometern. CCDs erzeugen Bilddaten.

Anordnung der Fotodioden in einem CCD Quelle: Olympus Lifescience

Der Vorteil dieser Aufnahmetechnik ist, dass eine gesamte Bildzeile gleichzeitig erfasst wird und nicht wie bei opto-mechanischen Systemen ein Zeitversatz entsteht. Durch die Vorwärtsbewegung der Plattform wird Zeile um Zeile lückenlos und überdeckungsfrei senkrecht zur Flugrichtung abgetastet.

CCD-Sensoren können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für Nah-Infrarot-, UV- und Röntgen-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,1 pm bis auf etwa 1100 nm. Die Grenze zu langen Wellenlängen hin ist durch die Bandlücke des Halbleitermaterials begrenzt (ca. 1,1 eV für Si und 0,66 eV für Ge). Sie sind daher vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar. Vor allem in der Astronomie haben sie andere Bildempfänger, wie Fotoplatten, schon früh weitgehend verdrängt, da sie durch ihre hohe Empfindlichkeit auch die Beobachtung sehr lichtschwacher Objekte erlauben. Weitere Vorteile sind ihre breite spektrale Empfindlichkeit, ihr hoher Dynamikumfang (also die Fähigkeit, gleichzeitig sehr lichtschwache und sehr helle Bereiche eines Bildes zu erfassen) und die Tatsache, dass die Bildinformationen digital anfallen, was zum Beispiel bei der Fotometrie (Helligkeitsmessung) und der Anwendung ausgefeilter Bildbearbeitungsmethoden von Vorteil ist.