CCD-Sensor
CCD-Sensoren sind Halbleiter-Chips, die der Netzhaut des menschlichen Auges ähneln. Beide setzen optische Signale (Licht) in elektrische Signale um. Die ersten CCD-Sensoren kamen in den 1970er Jahren auf den Markt. Sie ersetzten Schritt für Schritt die Bildaufnahmeröhren von Videokameras und Industriekameras sowie den Film von Fotokameras.
Seit wenigen Jahren werden CCD-Sensoren mehr und mehr durch CMOS-Sensor ersetzt. Nichtsdestotrotz sind nach wie vor viele industrielle USB-Kameras, FireWire-Kameras und GigE-Kameras mit CCD-Sensoren ausgerüstet.
Wie funktioniert ein CCD-Sensor?
Sowohl CCD-Sensoren als auch CMOS-Sensoren beruhen auf dem fotoelektrischen Effekt: Licht trifft auf ein Stück Silizium und setzt dort Elektronen frei. Die so freigesetzten Elektronen werden in Kondensatoren aufgesammelt. Sie bilden die Pixel des jeweiligen Sensors.
Die grundlegende Idee von CCD-Sensoren und CMOS-Sensoren sind also identisch. Sie unterscheiden sich "nur" in der Realisierung der Kondensatoren und im Abtransport der Elektronen zur weiteren Nutzung. Diese Unterschiede sind verantwortlich für die Vor- und Nachteile beider Sensortypen.
Wie sieht ein CCD-Sensor Farbe?
Die Netzhaut des menschlichen Auges besteht bildlich gesprochen ebenfalls aus Pixeln: Die Stäbchen sind für das Schwarz-Weiß-Sehen zuständig, drei unterschiedliche Typen von Zapfen sind empfindlich für rotes, grünes und blaues Licht.
Auch CCD-Sensoren kennen diese vier Typen von Pixeln. Allerdings gibt es keine von ihnen auf dem Markt, die alle diese vier Typen vereinigen. Die Hersteller von Industrie-Kameras müssen sich zwischen CCD-Sensoren entscheiden, die entweder mit Schwarz-Weiß-Pixeln (für Schwarzweiß-Kameras) oder Rot-, Grün-, Blau-Pixeln (für Farb-Kameras) bestückt sind.
Eine detaillierte Darstellung dieses Themas bietet der Artikel Farbkameras - woher die Farbe wirklich kommt.
Vorteile von CCD-Sensoren
Obwohl selbst in High-End Consumer-Kameras CCD-Sensoren fast vollständig durch CMOS-Sensoren verdrängt wurden, haben sie im Zusammenhang mit Industriekameras nach wie vor einige Vorteile:
- Global Shutter: CCD-Sensoren haben "von Natur aus" einen Global Shutter. Dieses gewährleistet eine problemlose Aufnahme sich bewegender Objekte.
- Lange Produktlebenszyklen: Die in Industriekameras verwendeten CCD-Sensoren sind zumeist auch mit Blick auf industrielle Anwendung entwickelt worden. Sie bleiben daher meist wesentlich länger auf dem Markt als Sensoren, die für Consumer-Geräte eingesetzt werden.
- Lange Belichtungszeiten: CCD-Sensoren liefern ohne besondere Massnahmen selbst nach Belichtungszeiten von einer Stunde noch brauchbare Bilder. Im Gegensatz zu CMOS-Sensoren eignen sich also CCD-Sensoren für die Aufnahme sehr lichtschwacher Objekte.
Nachteile von CCD-Sensoren
Neben preislichen Gründen gibt es zwei typische Nachteile von CCD-Sensoren, die zu ihrer Verdrängung durch CMOS-Sensoren führen:
- Empfindlichkeit gegen Überbelichtung: Ist die Lichtintensität an einer Stelle des Bildes zu hoch, sind hier die o.g. Kondensatoren noch vor dem Ende der Belichtung voll. Im Fall von CCD-Sensoren laufen sie über und fluten benachbarte Pixel (Blooming). CMOS-Sensoren haben hiergegen einen "natürlichen Schutz".
- Aufwändige Realisierung von Binning und ROI: Aus den meisten CMOS-Sensoren kann man sehr einfach Teilbilder auslesen (Region of Interest). Ebenso einfach ist zumeist auch das Zusammenfassen von Pixeln auf dem Sensor (Binning), um dessen Empfindlichkeit zu steigern. Beide Effekte sind mit CCD-Sensoren nur umständlich realisierbar.
