Um ein Foto digital aufzunehmen, muss eine moderne Kamera Licht einfangen und in digitale Informationen umwandeln. Dazu bräuchte eine Kamera einen Sensor, der Photonen aus der Umgebung präzise und schnell erfasst.
Sie kennen wahrscheinlich bereits den CMOS-Sensor, der in Smartphones und Consumer-Digitalkameras verwendet wird. Aber wussten Sie, dass es einen anderen Sensortyp gibt, der eine höhere Detailgenauigkeit und einen höheren Dynamikbereich bietet? Diese Kamerasensoren werden als CCDs bezeichnet.
Was genau sind CCDs? Wie funktioniert es und wie wird es verwendet? Lass uns darüber reden.
Was ist ein CCD (Charge-Coupled Device)?
Ein CCD oder Charged-Coupled Device ist ein elektronischer Sensor, der Licht in digitale Signale durch Ladungen umwandelt, die durch das Aufprallen von Photonen auf einem dünnen Siliziumwafer erzeugt werden.
CCDs waren von Anfang der 80er bis Ende der 2000er Jahre der Goldstandard für Kamerasensoren. Dies liegt daran, dass CMOS-Sensoren um 2010 bedeutende technologische Innovationen erlangten, die ihre Herstellung als kostengünstiger machen würden System auf einem Chip (SoC) bei vergleichbarer Bildqualität wie ein CCD-Sensor.
Seit CMOS an Popularität gewonnen hat, sind CCD-Sensoren in den letzten zehn Jahren selten auf Smartphones und Kameras zu sehen. CCD-Sensoren sind jedoch nicht gerade veraltet. Obwohl CCD-Sensoren möglicherweise aus dem Consumer-Kameramarkt ausgemustert wurden, sind sie immer noch die bevorzugten Sensoren, die in bestimmten Bereichen der Fotografie verwendet werden.
Anwendungen der CCD-Technologie in der Fotografie
Abgesehen davon, dass CCD teuer in der Herstellung war, hatte es auch andere Probleme, die dazu führten, dass es aus dem Verbrauchermarkt genommen wurde. Dazu gehören der hohe Strombedarf, der 100-mal höher ist als der von CMOS, und die langsame Bildverarbeitung, die ein Problem beim Aufnehmen von Fotos in Serien und beim Aufnehmen von Videos darstellt.
Trotz all dieser Nachteile gedeihen CCDs immer noch in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen, die maschinelles Sehen benötigen. Dies liegt daran, dass CCDs immer noch rauscharme Bilder in höherer Qualität liefern, die diese Bereiche der Spezialfotografie erfordern. Außerdem sind die Anschaffungs- und Betriebskosten von CCD-Kameras für kapitalkräftige Institutionen und Unternehmen kein wirkliches Problem.
Was genau sind also diese spezialisierten Bereiche der Fotografie, die noch CCD verwenden? Finden wir es unten heraus:
Optische Mikroskopie
CCDs werden in verschiedenen Mikroskopieanwendungen verwendet, um Lebensmittel, Chemie, Technik und andere Anwendungen zu beobachten, bei denen eine klare Sicht auf mikroskopische Objekte erforderlich ist. Ein CCD wird für die optische Mikroskopie gewählt, weil es Objekte mit über 10 Pixeln mit hoher Empfindlichkeit und geringem Rauschverhältnis aufnehmen kann.
Weltraumfotografie
Weltraumaufnahmen werden am besten mit CCD-Kameras gemacht. Dies liegt daran, dass CCD-Sensoren die höchste Quanteneffizienz aufweisen, was zu geringem Rauschen, hohem Dynamikbereich und besserer Gleichmäßigkeit führt – alles entscheidende Aspekte der Weltraumfotografie.
Nahinfrarot-Bildgebung
CCDs werden in verschiedenen industriellen Abbildungsanwendungen verwendet, von denen eine die Nahinfrarot-Abbildung ist. Ein Sensor muss über eine hocheffiziente Photonenabsorption verfügen, um Nahinfrarot-Bildgebung durchführen zu können, da Infrarotphotonen weniger sichtbar sind als normal sichtbare Photonen. Da CCDs hochempfindliche Sensoren bieten, die Infrarotphotonen besser erfassen können, werden sie in diesen Anwendungen immer verwendet.
CCDs gedeihen im Bereich der wissenschaftlichen, industriellen und medizinischen Fotografie vor allem wegen ihrer hohen Quanteneffizienz, rauscharmen Bildgebung und hohen Einheitlichkeit. Aber wie genau liefern CCD-Sensoren solche Qualitäten? Sie müssen zuerst lernen, wie CCD-Sensoren funktionieren, um dies besser zu verstehen.
Wie funktioniert ein CCD-System?
CCD ist nur eine von vielen Arten von Kamerasensoren. Und genau wie andere Kamerasensoren erfassen CCDs Licht und wandeln es in digitale Signale um, die dann verarbeitet und als Pixel angezeigt werden, wenn sie auf einem elektronischen Display wie einem Monitor betrachtet werden.
Obwohl alle bildgebende Sensoren die gleiche Aufgabe haben, das Analoge zu erfassen, um digitale Signale zu erzeugen, wäre der Modus oder Prozess, der erforderlich ist, um diese Aufgaben zu erfüllen, anders als bei anderen Sensoren.
Damit ein CCD-Sensor Bilder aufnehmen kann, durchläuft er einen fünfstufigen Prozess, beginnend mit dem Aufladen von Licht Umwandlung, Ladungsakkumulation, Ladungsübertragung, Umwandlung von Ladung in Spannung und dann Signal Verstärkung. Lassen Sie uns den Prozess Schritt für Schritt durchgehen:
Schritt 1: Umwandlung von Licht in Ladung
Ein CCD-Sensor fängt Licht ein, indem er Photonen (Energie aus Licht) ermöglicht, von einem dünnen Siliziumwafer abzuprallen, der dann ein Elektron freisetzt. Ein winziger positiv geladener Kondensator fungiert dann als Eimer, der die freigesetzten Elektronen sammelt und speichert. Eine Einheit dieses dünnen Siliziumwafers auf einem winzigen Kondensator wird als Photosite bezeichnet.
Schritte 2 und 3: Ladungsakkumulation und Ladungsübertragung
Ein CCD-Sensor sammelt und speichert solche Elektronen weiter, bis sich der Kameraverschluss schließt. Alle gespeicherten Elektronen aus dem Kondensator machen die Ladung aus.
Wenn sich der Kameraverschluss schließt, wird die gesamte Ladung von den Fotostellen zu einer Messkondensatorschaltung übertragen. Die Übertragung erfolgt durch horizontales Verschieben der Ladungen zum Rand des Sensors und dann vertikal, bis jede Ladung an die Messkondensatorschaltung gesendet wird.
CCD-Sensoren verwenden diesen Schieberegistermechanismus zur Ladungsübertragung, während CMOS-Sensoren eine lokale Spannungswandlung und Signalverstärkung verwenden. Obwohl dies CMOS zum schnelleren Sensor macht, macht es auch ihre Ausgabe ziemlich verrauscht, da die schiere Anzahl lokaler Verstärker Rauschen oder Artefakte in einem Bild erzeugt. Im Gegensatz dazu verwendet ein CCD nur eine Verstärkerschaltung, um Signale zu verstärken.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung lokaler Verstärkung bei hohen Geschwindigkeiten besteht darin, dass die Bilder ungleichmäßig werden. CCD-Sensoren haben solche Probleme aufgrund ihres linearen Prozesses bei der Verarbeitung von Ladungen in jeder Photosite nicht.
Schritte 4 und 5: Umwandlung von Ladung in Spannung und Signalverstärkung
An den Messkondensator gesendete analoge Ladungen werden automatisch in Spannungen umgewandelt, wodurch die digitalen Rohdaten zum Erstellen von Bildern verwendet werden. Nach der Umwandlung von Ladung in Spannung sind die digitalen Signale immer noch zu schwach, um von einem Prozessor verwendet zu werden.
Um die digitalen Signale zu verstärken, wird ein Signalverstärker verwendet. Dieses verstärkte Signal wird dann an einen Bildprozessor gesendet, der dann das Bild zusammensetzt.
CCDs sind gekommen, um zu bleiben
Einst der Goldstandard für Digitalkamerasensoren, werden CCDs jetzt nicht mehr für den regulären Verbrauchergebrauch angeboten. Aber mit ihrer hohen Quanteneffizienz, rauscharmen Bildgebung, höherem Dynamikbereich und ausgezeichneter Gleichmäßigkeit werden CCDs immer noch in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eingesetzt.
Und obwohl es unwahrscheinlich ist, dass die Hersteller CCD-Kameras für Verbraucher in naher Zukunft zurückbringen werden, werden CCDs weiterhin ein fester Bestandteil der wissenschaftlichen Forschung sein.