CCD-Sensor
Ein Charge-coupled Device (CCD; der englische Begriff bedeutet etwa "ladungsgekoppeltes Bauteil") ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Lichtstärke. CCDs sind integrierte Schaltkreise (ICs ugs. "Chips"), also Halbleiterbauelemente und gehören deshalb zu den Halbleiterdetektoren.
Historisches
Ursprünglich wurden CCDs im Jahr 1969 von Willard Boyle und George Smith in den Bell Laboratories zur Datenspeicherung entworfen. Es wurde jedoch schnell bemerkt, dass diese Bauteile lichtempfindlich sind und ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal ausgeben; 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 CCDs auch in der Astronomie eingesetzt.
Funktionsweise und Aufbau
Das Bauteil besteht aus einer Matrix (seltener einer Zeile) mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel genannt werden (vom Englischen "picture elements"). Das einfallende Licht überträgt seine Energie auf die Elektronen des Halbleiters. Durch den inneren photoelektrischen Effekt entstehen dabei gleichzeitig freie Elektronen (negativ) und positiv geladene "Löcher", die räumlich von den Elektronen getrennt werden müssen. Gelingt dies nicht, so rekombinieren Elektronen und "Löcher" unter Abgabe eines Photons und die Zahl der produzierten Elektron-Loch-Paare verringert sich.
Die meisten CCDs sind MIS-Strukturen: Über einem dotierten Halbleiter liegt eine isolierende Schicht, auf der optisch transparente elektrische Leiter (Elektroden) angebracht werden. Darunter sammeln sich die Ladungsträger (meist Elektronen; können aber auch Löcher sein). Details werden weiter unten behandelt.
Nach der Belichtung werden die Ladungen (engl. "charge") ähnlich einer Eimerkette schrittweise verschoben (daher der Wortbestandteil "coupled"), indem die elektrische Spannung an der nächstgelegenen Elektrode erhöht und die Elektrode oberhalb des Ladungspaketes verringert wird (siehe Animation). Damit wandern die Ladungsträger von einer Elektrode zur nächsten Elektrode, bis sie schließlich als Ladungspakete, eines nach dem anderen, den Ausleseverstärker erreichen. Es wird eine von der Ladung und somit der Lichtmenge abhängige elektrische Spannung ausgegeben.
Das Ausgangssignal eines CCDs ist somit seriell: die Ladungen der einzelnen Pixel werden hintereinander ausgegeben, wogegen das ursprüngliche Bild parallel entstand, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet worden sind. Bei den meisten CCDs für Videokameras werden jeweils nur Halbbilder (d. h., erst alle ungeraden, dann alle geraden Zeilen) ausgegeben (Zeilensprungverfahren, engl. "interlaced"). Für alle anderen Zwecke sind "progressive scan" CCDs üblich, bei denen die Zeilen in ihrer natürlichen Reihenfolge hintereinander ausgegeben werden.
Während des Verschiebens der Ladungen sollen keine weiteren Ladungen durch Belichtung hinzukommen, um die Bildinformation nicht zu verfälschen. Es wurden verschiedene Anordnungen zur Lösung dieses Problems entwickelt, man unterscheidet Full-Frame- (FF), Frame-Transfer- (FT), Interline-Transfer- (IT) und Frame-Interline-Transfer-CCDs (FIT).
L - lichtempfindliche Pixel,
T - Transfer-Register,
A - Ausleseverstärker.
Full-Frame-CCD (FF CCD)
Am einfachsten kann eine Belichtung des CCDs während des Auslesens mit einem mechanischen Verschluss verhindert werden. Diese Variante wird vor allem bei CCDs für wissenschaftliche oder astronomische Zwecke verwendet. Im CCD-Chip sind die lichtempfindlichen Zellen identisch mit den Zellen, durch die der Ladungstransport erfolgt ("full-frame CCD", also die ganze Fläche ist lichtempfindlich).
Für die meisten Zwecke ist jedoch ein mechanischer Verschluss zu aufwendig oder störungsanfällig, dann können keine Full-Frame-CCDs verwendet werden. Für Videokameras sind Full-Frame-CCDs auch deswegen ungeeignet, weil bei dieser Anwendung Belichtung und Auslesen des zuvor aufgenommenen Bildes zugleich erfolgen muss.
Full-Frame-CCDs (manchmal auch "Full Frame Transfer CCDs" genannt) als Bezeichnung des inneren Aufbaus des CCD-Chips sind nicht mit Full-Frame-CCDs im Sinne von Kleinbildformat-CCDs (24 x 36 mm, also ohne Crop- und Verlängerungsfaktor bei Verwendung normaler Kleinbildoptiken) zu verwechseln!
Frame-Transfer-CCD (FT CCD)
Bei FT-CCDs werden die Ladungen, also das gespeicherte Bild, nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben. Dann kann das gespeicherte Bild mit der üblichen (geringeren) Geschwindigkeit Ladungspaket für Ladungspaket ausgelesen werden; währenddessen kann bereits wieder die Belichtung des nächsten Bilds beginnen. Die Zeit des raschen Verschiebens muss viel kürzer als die Belichtungszeit sein, weil sonst der Smear-Effekt zu stark wird. Daher sind FT-CCDs ohne mechanischen Verschluss (wie sie normalerweise eingesetzt werden) für sehr kurze Belichtungszeiten nicht geeignet. Bei manchen professionellen Videokameras wird ein rotierender Verschluss verwendet, um dieses Problem zu vermeiden. Wegen des abgedunkelten Bereichs braucht ein FT-CCD doppelt so viele Zellen (Potenzialtöpfe) wie Bildpunkte und muss auch doppelt so groß wie die Bildgröße sein.
Interline-Transfer-CCD (IT CCD)
Bei IT-CCDs wird die Ladung jedes Pixels seitlich in eine abgedeckte Zwischenspeicherzelle übernommen; dies geschieht für alle Pixel zugleich. Erst dann werden die Ladungen in den abgedunkelten Streifen in Richtung Ausleseverstärker verschoben. Daher ist kein mechanischer Verschluss nötig und es werden sehr kurze Belichtungszeiten möglich. Die geringere lichtempfindliche Fläche bei dieser Konstruktion wird bei neueren CCDs durch kleine Sammellinsen kompensiert, die über jedem Pixel liegen und das Licht auf die kleine lichtempfindliche Fläche fokussieren ("lens-on-chip"-Technik).
Der Nachteil liegt darin, dass die Ladungen relativ lange im Transferregister neben den lichtempfindlichen Zellen verweilen, da sie nur langsam ausgelesen werden. Es kann daher passieren, dass Lichtwellen an den Abdunklungsstreifen in die Zwischenspeicherzellen hineingebeugt werden. Da die Speicherzellen zwar abgedeckt, aber prinzipiell immer noch lichtempfindlich sind, entstehen unerwünschte Ladungsträger in den Transferregistern, nachdem die Ladungen schon verschoben wurden (Smear-Effekt).
Frame Interline Transfer-CCD (FIT-CCD)
Eine Lösung dieses Problems bieten die FIT-Chips: Bei diesem Typ werden in den Zwischenspeicherzellen gespeicherten Ladungen möglichst schnell in einen abgedunkelten Bereich verschoben. Er verbindet also das Prinzip des FT-Chips und das des IT-Chips. So ist einerseits durch die Zwischenspeicherzellen gewährleistet, dass die Ladungsträger nicht länger als nötig dem Licht direkt ausgesetzt sind, andererseits werden sie relativ schnell aus dem 'offenen' Bereich des Chips transportiert. Der Nachteil ist, dass nun pro effektivem Pixel drei Speicherzellen nötig sind, was diese Chips relativ teuer macht. Der schnelle Abtransport der Ladungen ist jedoch z. B. bei Hochgeschwindigkeitskameras unumgänglich.
CCD-Größen und Bauformen
Der CCD-Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von ca. 300.000 bis zu mehreren 10 Millionen solcher lichtempfindlicher Zellen, die den Pixeln des aufgenommenen Bildes entsprechen. Sie sind rechteckig oder quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 µm bis 20 µm. Dazwischen verlaufen feine elektrische Leitungen, die zwar eine Lichteinbuße bedeuten, aber zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Zellen dienen. Größere Pixel bedeuten deshalb höhere Lichtempfindlichkeit, aber geringere Bildauflösung und dadurch unschärfere Bilder.
Die Größe von CCD-Bildsensoren wird oft in Zoll (engl. inch) angegeben, gebräuchliche Größen für professionelle Videokameras sind 2/3" und 1/2", für Prosumer-Geräte 1/3" und für Consumer-Geräte 1/4" oder 1/6". Da man bei alten Vidicon-Bildaufnahmeröhren den Glasdurchmesser in Zoll angibt, die nutzbare Fläche jedoch kleiner ist, ist die angegebene Größe nicht mit der Bilddiagonale identisch. Die tatsächliche Bilddiagonale ist bei 1/2"-CCDs ca. 9 mm und bei 1/3"-CCDs ca. 6 mm.
Außer CCD-Chips mit zweidimensionaler Anordnung von Bildpunkten, also Bildsensoren, sind auch CCD-Linien in Gebrauch, so genannte Zeilensensoren. Diese Sensoren liefern keine Bilder, sondern werden z. B. in der Spektroskopie, in der Industrie zur Überwachung von Fließbändern oder bei Scannerkassen von Supermärkten zur optischen Abtastung (Scannen) verwendet.
Bei den meisten CCD-Chips wird die "Oberseite" des Siliziumplättchens beleuchtet, also die Seite, auf der die Halbleiterstrukturen hergestellt wurden (front-illuminated CCD). An der Oberfläche befinden sich dann Strukturen, die nicht lichtempfindlich sind (z. B. Elektroden aus polykristallinem Silizium). Vor allem kurzwelliges (blaues und ultraviolettes) Licht wird aber schon in den obersten Schichten absorbiert und gelangt nicht mehr in den darunter liegenden lichtempfindlichen Bereich. Dieses Problem wird bei sogenannten back-illuminated CCDs vermieden. Dazu wird das Siliziumplättchen bis auf eine Dicke von 0,01 mm bis 0,02 mm abgeschliffen und abgeätzt und mit der lichtempfindlichen "Rückseite" nach oben eingebaut. Dieses Herstellungsverfahren ist sehr teuer, daher werden back-illuminated CCDs nur dort verwendet, wo es auf hohe Empfindlichkeiten (Quantenausbeute) für kurzwelliges Licht ankommt, also z. B. in der Spektroskopie oder Astronomie. Ein Nachteil der back-illuminated CCDs ist eine ungleichmäßige Empfindlichkeit ("etaloning") bei längeren Wellenlängen, weil durch Hin- und Herspiegelung des Lichts and der vorderen und hinteren Oberfläche Interferenzen wie im Fabry-Pérot-Interferometer auftreten.
CCDs für Farbbilder
Die lichtempfindlichen Elemente der meisten CCD-Sensoren sind für den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts und das nahe Infrarotlicht (bis zu einer Wellenlänge von ca. 1 Mikrometer) empfindlich und liefern ohne zusätzliche Maßnahmen nur Graustufenbilder.
Für Farbbilder kommt bei teureren Videokameras (Drei-CCD-Kameras) ein Prismenblock zum Einsatz, dessen Grenzflächen als dichroitische Spiegel ausgebildet sind. Dadurch wird das rote und grüne Licht seitlich ausgespiegelt, das blaue Licht tritt gerade durch. Auf dem Block ist an den Stellen, an denen die drei Farbauszüge des Bildes austreten, jeweils ein CCD-Chip aufgeklebt. Die Fertigung dieses mit CCD-Sensoren bestückten Prismenblocks muss sehr präzise sein, da sonst die einzelnen Farbkanäle nicht zusammenpassen oder unscharf sind und im Bild farbige Ränder auftreten.
In den meisten Farbvideokameras und Digitalkameras für die Farbfotografie werden die Zellen des CCD-Chips abwechselnd mit Farbfiltern versehen. Ein Farbpunkt wird so aus mehreren für verschiedene Farben empfindlichen Zellen zusammengesetzt. Bei den meisten Digitalkameras erhalten je zwei von vier Pixeln winzige Grünfilter, die anderen rote und blaue (Bayer-Sensor). Bei Videokameras sind auch Anordnungen mit vier grünen, einem roten und einem blauen Pixel üblich. So wird das menschliche Farbensehen angenähert, allerdings verringert sich die Auflösung der roten und blauen Pixel auf einen Bruchteil der Auflösung des Grün-Signals (aus dem sich eine "Pseudo-Graustufen-Auflösung" ableiten lässt). Da ein überwiegender Teil der Bildformate, sowie praktisch alle zur Wiedergabe genutzten Medien nur drei gleich groß aufgelöste Farbsignale unterstützen, wird in der Praxis das hochaufgelöste, grüne Farbsignal den anderen beiden Farbauflösungen zugrundegelegt. Die fehlenden roten und blauen Pixelfarben werden dazu mathematisch interpoliert, wobei die Schärfe dieser beiden Farben keinesfalls zunimmt (, d.h. man muss zwar mehr Bits speichern, übertragen, verarbeiten und visualisieren aber es liegt nicht mehr Informationsgehalt vor, was zumindest für die Speicherung und Übertragung keine optimale Lösung ist. Im Videobereich, wo wirklich große Datenmengen anfallen, wird den beiden erstgenannten Kritikpunkten durch Farbunterabtastung begegnet). Bei Digitalkameras wird die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation durch den (Bayer-Filter-)Algorithmus aus den einzelnen Elementen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG-Format in 8×8 großen Feldern durch Frequenzanalyse weiterverarbeitet, was gleichzeitig die Datenmenge reduziert.
Das Funktionsprinzip des Foveon-X3-Sensors, bei dem die lichtempfindlichen Elemente für die Grundfarben übereinander in verschiedenen Schichten liegen, wird derzeit nur für CMOS-Sensoren und nicht für CCDs angewandt.
Zusätzlich zu den erwähnten Farbfiltern verwenden alle Farb-CCD-Kameras Infrarot-Sperrfilter und manche auch UV-Sperrfilter, um Farbverfälschungen durch Infrarot- bzw. UV-Licht zu vermeiden. Bei manchen Kameras kann das Infrarot-Sperrfilter für astronomische Aufnahmen entfernt werden. Dies ist sinnvoll, weil viele Gasnebel ihre intensivste Emission (im sichtbaren Bereich) bei der Wellenlänge von 656,3 nm haben (die H-Alpha-Linie), und diese Spektrallinie durch das IR-Sperrfilter stark abgeschwächt wird.
Benutzung
CCD-Kameras in der Forschung und der Industrie werden in der Regel per Rechner ferngesteuert oder speichern die Bilder automatisch auf Datenträger.
Zur Beseitigung der Bildfehler auf dem Chip und in der Optik wird ein Weißbild und zur Beseitigung des Rauschen bei Langzeitaufnahmen (z. B. Astronomie) ein Dunkelbild benutzt.
Anwendungen
CCD-Chips 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 1,1 µm. 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).
- CCDs sind daher vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar, auch für sehr lichtschwache Objekte wie in der Astronomie.
- Bei der Videokamera ersetzten CCD-Sensoren das ältere Röhrenprinzip (Vidicon). Die klassische Auflösung der Videokameras nach PAL- oder NTSC-Norm liegt bei 440.000 Pixel (CCIR/PAL) bzw. 380.000 Pixel (EIA/NTSC) und Bildwiederholraten von 25 Hz (CCIR/PAL) bzw. 30 Hz (EIA/NTSC).
- Am Fotomarkt haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl erweiterten sich die Verwendungsmöglichkeiten der CCD-Bildsensoren auf praktisch alle fotografischen Anwendungen. Professionelle Fotokameras können durch Digitaltechnik mit Auflösungen von 5 bis 16 Megapixeln bereits in vielen Bereichen ersetzt werden. U. a. in der Fototechnik werden neben CCDs zunehmend auch CMOS-Sensoren (früher nur in billigen "low-end" Geräten, mittlerweile aber auch in vielen digitalen Spiegelreflexkameras) eingesetzt, da deren Nachteile (Rauschen, geringere Empfindlichkeit) weitgehend behoben werden konnten.
- Allgemeine Messtechnik: Zeilenkameras werden neben der Industrie z. B. auch in Spektroskopen und Scannern eingesetzt.
- CCDs können mit einem vorgesetzten Bildverstärker betrieben werden und werden dann als intensified CCD (iCCD) bezeichnet. Dazu trifft das Licht zuerst auf eine Photokathode auf; der freigesetzte Elektronenstrom wird in einer Mikrokanalplatte vervielfacht und trifft auf einen Leuchtschirm auf. Von dort wird das Licht über eine Faseroptik auf das CCD geleitet. Wegen der hohen Empfindlichkeit heutiger CCDs bieten intensified CCDs bei langen Belichtungszeiten keinen Gewinn an Empfindlichkeit (die Quantenausbeute der Photokathoden ist sogar geringer als die der besten CCDs). Da die empfindlichsten CCDs relativ geringe Auslesegeschwindigkeit haben, können bei hohen Bildwiederholraten (z.B. Video) iCCDs Vorteile bringen. Intensified CCDs ermöglichen auch sehr kurze Belichtungszeiten (bis ca. 1 ns), die mit einem CCD alleine nicht möglich sind. Dazu wird an die Mikrokanalplatte ein kurzer Spannungspuls angelegt. Diese Anordnung ist als gated CCD bekannt.
Physikalische Grundlagen
Auf einem dotierten Halbleiter (meist Silizium) liegt eine optisch transparente elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise Siliziumdioxid. Darauf sind viele Elektroden aus einem leitfähigem und zugleich optisch transparenten Material aufgebracht. Für die Elektroden wird meist polykristallines Silizium ("Polysilizium") verwendet, seit Kurzem auch Indium-Zinn-Oxid. Wegen der Ähnlichkeit der Elektroden mit denen von MOSFETs werden die Elektroden auch als Gate-Elektroden bezeichnet. Die Elektroden sind über Aluminium-Kontakte von außen ansteuerbar.
Legt man an eine Elektrode eine Spannung an (positiv bei p-dotiertem Halbleiter, negativ bei n-Dotierung), so bildet sich unterhalb der Isolierschicht an der Oberfläche des Halbleiters ein Gebiet, welches als Potenzialtopf bezeichnet wird. In diesem Gebiet ist die Ladungsträgerkonzentration der Majoritätsladungsträger sehr gering.
Photonen, deren Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters ist, heben Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband an; es entstehen also Elektronen-Loch-Paare im Halbleiter. Dies ist der sogenannte innere photoelektrische Effekt. Die dabei erzeugten zusätzlichen Minoritätsladungsträger, das sind entweder Elektronen oder "Löcher", sammeln sich im Potenzialtopf während die gleichzeitig erzeugten Majoritätsladungsträger ins Innere des Halbleiters wegfließen.
Durch Variieren der angelegten Spannung in benachbarten Elektroden kann der Potenzialtopf so geformt werden, dass die darin sich befindenden Ladungsträger zum Auslesen in die gewünschte Richtung wandern.
Dieser Grundaufbau eines CCD kann weiter verbessert werden. Eine wichtige Ergänzung ist eine im Halbleiter direkt unter dem Isolator liegende Schicht mit gegensätzlicher Dotierung. Dadurch entsteht ein so genannter „buried channel“, das heißt, es sammeln sich die von den Photonen erzeugten Minoritätsladungsträger nicht mehr direkt an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter sondern im Inneren des Halbleiter. Die Minoritätsladungsträger erreichen dann nicht mehr die Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, wo unweigerlich Kristalldefekte auftreten, und es können an dieser Grenze keine Ladungen mehr „eingefangen“ werden oder „hängen bleiben“. Buried channel CCDs haben (im Gegensatz zu den zuerst beschriebenen „surface channel“ CCDs) geringeres Rauschen und eine wesentlich verbesserte Effizienz des Ladungstransfers, allerdings können weniger Ladungsträger je Pixel gespeichert werden.
Kenngrößen für die Qualität von CCDs
Die wichtigsten Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von CCD-Chips sind:
- Die Quantenausbeute, also Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Lichtquant ein Photoelektron auslöst. Die Quantenausbeute von CCDs hängt von der Wellenlänge des Lichts ab kann über 80 % betragen, gegenüber 5-10 % bei Fotofilmen.
- Der Dunkelstrom der lichtempfindlichen Zellen. Der Dunkelstrom ist nicht für alle Pixel völlig gleich, es kommt daher zu Dunkelstromrauschen, das eine Quelle des Bildrauschens ist. Weiter können einzelne "hot pixels", also Pixel mit besonders hohem Dunkelstrom auftreten.
- Die Anzahl der Ladungen, die in einem Pixel gespeichert werden können ("full well capacity" oder "well depth").
- Das Verhalten, wenn durch Überbelichtung in einzelnen Pixeln mehr Ladung erzeugt wird, als gespeichert werden kann. Tritt die Ladung in benachbarte Pixel über, spricht man von "Blooming". Viele CCD-Kameras vermeiden diesen Effekt, indem die überschüssigen Ladungen abgeleitet werden ("anti-blooming gate"), dadurch kann aber auch schon Ladung verloren gehen, bevor ein Pixel wirklich voll ist (der Zusammenhang zwischen Lichtmenge und Ladung ist dann nicht mehr linear, und genaue Messungen sind nicht mehr möglich).
- Die Effizienz des Ladungstransports zum Ausleseverstärker (Charge Transfer Efficiency).
- Das Rauschen des Ausleseverstärkers (Ausleserauschen, "readout noise").
Dunkelstrom und Rauschen werden bei hochempfindlichen Kameras durch Kühlen des CCD-Chips verringert.
Neu- und Weiterentwicklungen
- Eine spezielle Bauform ist der Super-CCD-Sensor (Fuji-Patent) mit einer wabenförmigen Anordnung von achteckigen gegeneinander verschobenen Pixeln, die enger beieinander liegen und damit eine größere Anzahl von Pixeln auf eine gegebene Fläche bringen.
- EMCCD (Elektron Multiplying CCD), ein CCD, bei dem im Halbleiter die Anzahl der Ladungsträger vor dem Ausleseverstärker erhöht wird.
- EBCCD (Elektron Bombarded CCD), ein "back-illuminated" CCD, das als Sensor für einfallende Elektronen verwendet wird.
Weblinks
- Digitalkameratechnologien: CCD und CMOS (pdf-Datei)
- www.ccd-sensor.de
- Genauere Beschreibung der Halbleiterphysik von MOS-CCDs (Uni Ulm) [1]