CCD-Sensoren sind lichtempfindliche elektronischeBauelemente, die auf deminneren Photoeffekt beruhen. „CCD“ ist hierbei dieAbkürzung desenglischencharge-coupled device (dt. ‚ladungsgekoppeltes Bauteil‘), das im CCD-Sensor verwendet wird.
Ursprünglich (1969) wurden CCDs für die Datenspeicherung entwickelt.[1] 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,[2] und durch die folgendeMiniaturisierung in der Elektronik wurden schon 1975 die ersten CCDs mit einer für Fernsehkameras ausreichenden Anzahl an Bildpunkten hergestellt. Seit ca. 1983 werden CCD-Sensoren als Bildsensoren in derAstronomie und der Satellitenfernerkundung eingesetzt.
Ein-dimensionale CCD-Zeilen-Sensoren werden inFaxgeräten,Spektrometern undScannern eingesetzt,zwei-dimensionale CCD-Array-Sensoren werden inDigitalkameras undVideokameras eingesetzt.
In den Kameras vonSmartphones undTablets findet man hingegen normalerweiseCMOS-Sensoren.
Für die Erfindung des CCD-Sensors wurdenWillard Boyle undGeorge E. Smith 2009 mit demNobelpreis für Physik ausgezeichnet, geteilt mitCharles Kuen Kao, der für grundlegende Arbeiten im Bereich derFaseroptik ausgezeichnet wurde.[3] Smith undMichael Tompsett erhielten für die CCD-Entwicklung 2017 denQueen Elizabeth Prize for Engineering.
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CCD-Bildsensoren (Charge Coupled Device – Bildsensor) bestehen aus einer Matrix (engl.array) lichtempfindlicherFotodioden. Diese können rechteckig, quadratisch oder polygonal sein, mit Kantenlängen von 1,4 µm bis über 20 µm. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher ist die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des CCD-Sensors, desto kleiner ist aber, bei gleicher Sensorgröße, dieBildauflösung.
Die meisten CCDs sindMIS-Strukturen: Über einemdotierten Halbleiter liegt eine isolierende Schicht, auf der optisch transparente elektrische Leiter (Elektroden) angebracht werden. Darunter sammeln sich die Ladungsträger (meistElektronen, manchmal auch „Löcher“). Zwischen den Pixeln verlaufen oft weitere feine elektrischeLeitungen, die zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Pixel dienen.
Das einfallende Licht überträgt durch deninneren photoelektrischen Effekt seine Energie auf die Elektronen desHalbleiters. Dabei entstehen gleichzeitig negativ geladene freie Elektronen und positiv geladene „Löcher“, die sich aufgrund einer angelegten Spannung voneinander trennen. Die Ladungen fließen jedoch nicht wie bei einerFotodiode sofort nach außen ab, sondern werden in der Speicherzelle selbst, in einem sogenanntenPotentialtopf gesammelt, der wie ein Kondensator Ladungen speichert. Die Ladungsmenge ist dabei proportional zur eingestrahltenLichtmenge, wenn rechtzeitig ausgelesen wird, bevor die Leerlaufspannung der Fotodiode erreicht ist.
Bei Überbelichtung können Ladungen aus dem Potentialtopf einer Zelle in die Nachbarzellen übertreten; dieser Effekt ist alsBlooming bekannt. Dagegen hilft ein „anti-blooming gate“, das ähnlich einem Überlauf funktioniert, also überschüssige Ladungen ableitet. Allerdings kommt es dadurch vor allem bei langen Belichtungszeiten zu einerNichtlinearität zwischen Lichtmenge und Ausgangssignal; daher verzichten CCD-Sensoren für wissenschaftliche Anwendungen oft darauf.
Nach der Belichtung werden die Ladungen (engl.charge) ähnlich einer Eimerkette (daher die Bezeichnung Eimerkettenschaltung) schrittweise verschoben, 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 des Sensors ist somitseriell. Die Ladungen der einzelnen Pixel werden nacheinander ausgegeben, wohingegen das ursprüngliche Bild parallel entstand, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet wurden. 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 nacheinander ausgegeben werden.
Auf einemdotierten Halbleiter liegt eine optisch transparente, elektrisch isolierende Schicht.Darauf sind viele Elektroden aus einem leitfähigen und zugleich optisch transparenten Material aufgebracht.Für die Detektion von Licht im sichtbaren Bereich eignet sich am bestenSilizium als Halbleitermaterial.Als isolierende Schicht verwendet man dannSiliziumdioxid.Für die Elektroden wird meist polykristallines Silizium („Polysilizium“) verwendet, seit kurzem auchIndium-Zinn-Oxid. Wegen der Ähnlichkeit der Elektroden mit denen vonMOSFETs werden die Elektroden auch als Gate-Elektroden bezeichnet.
Die Gates vonCCDs sind tausend Mal so lang wie die vonMOSFETs (10 µm statt 10 nm), aber die Ladung wird mit Potentialhöhen von 1 V statt mit 1 V bis 3,3 V getrieben, wodurch höhere Taktraten als 40 MHz möglich sind. Die Elektroden sind über Aluminiumkontakte 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, das alsPotentialtopf bezeichnet wird. In diesem Gebiet ist die Ladungsträgerkonzentration derMajoritätsladungsträger sehr gering.
Photonen, deren Energie größer als dieBandlücke des Halbleiters ist, heben Elektronen vomValenzband insLeitungsband an; es entstehen also Elektronen-Loch-Paare im Halbleiter. Dies ist der sogenannteinnere photoelektrische Effekt. Die dabei erzeugten zusätzlichenMinoritätsladungsträger, das sind entweder Elektronen oder „Löcher“, sammeln sich im Potentialtopf, während die gleichzeitig erzeugten Majoritätsladungsträger ins Innere des Halbleiters wegfließen.
Durch das Variieren der angelegten Spannung in benachbarten Elektroden kann der Potentialtopf so geformt werden, dass sich die darin befindenden Ladungsträger zum Auslesen in die gewünschte Richtung bewegen.
Der Grundaufbau eines CCD konnte weiter verbessert werden. Eine wichtige Ergänzung ist eine im Halbleiter direkt unter dem Isolator liegende Schicht mit gegensätzlicher Dotierung. Dadurch entsteht ein sogenannter „buried channel“ („begrabener Kanal“), das heißt, es sammeln sich die von den Photonen erzeugten Minoritätsladungsträger nicht mehr direkt an derGrenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, sondern imInneren des Halbleiters. Die Minoritätsladungsträger erreichen dann nicht mehr die Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, wo die dort immer vorhandenen Kristalldefekte stören (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) ein geringeres Rauschen und eine wesentlich verbesserte Effizienz des Ladungstransfers, allerdings können weniger Ladungsträger je Pixel gespeichert werden.
Die meisten CCD-Sensoren sind Flächensensoren zur Aufnahme von Bildern. Dort wird für das Auslesen des Sensors die zwischengespeicherte Ladung der Photodioden in das vertikale CCD (vertikales Schieberegister) übernommen, dann mit der Zeilenfrequenz vertikal verschoben. Die jeweils herausfallende Ladung aus jeder CCD-Spalte gerät dabei in das horizontale CCD, das schnell verschoben wird (Pixelfrequenz, welche die Videobandbreite festlegt). Das Signal am Ausgang dieses Schieberegisters wird dem Ausleseverstärker (Ladungs-Spannungs-Wandler und Impedanzwandler) zugeführt.[5]
Das entstehende Ausgangssignal hat viele Ähnlichkeiten mit dem Signal herkömmlicherBildaufnahme-Röhren. Diese Ähnlichkeiten erleichterten es technisch, Bildaufnahme-Röhren durch CCD-Sensoren zu ersetzen.
Dieses grundlegende Prinzip kann modifiziert werden:
Es ist zu beachten, dass für genaue Messungen mit mehreren Strom-Spannungs- und Analog-Digital-Wandlern ggf. jeder einzelne genau charakterisiert werden muss, um relative Variationen in deren Linearität, Offset und Rauschverhalten zu kompensieren. Dies kann sonst, bspw. bei Anwendungen in der Spektroskopie, zu Problemen führen.
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:
Die einfachste Lösung, um zu verhindern, dass während des Auslesevorgangs noch Licht auf den CCD-Sensor fällt, ist ein mechanischerVerschluss.
Da bei CCD-Sensoren mit einem Verschluss die ganze Fläche des Chips zur Gewinnung der Bildinformation eingesetzt wird, heißt diese Lösung auch „Full-frame-CCD“ (übersetzt etwa „Vollbild“) oder „Full Frame Transfer CCD“.
CCD-Sensoren mit diesem Prinzip werden vor allem für wissenschaftliche und astronomische Zwecke verwendet, allerdings ist der mechanische Verschluss aufwendig und störungsanfällig.
Der Begriff Full-Frame-CCD wird nicht nur für den inneren Aufbau von CCD-Sensoren verwendet, sondern auch für sogenannteVollformat-CCDs, die der „vollen“ 24 mm × 36 mm Bildgröße desKleinbildfilms entsprechen. In diesem Artikel bezieht sich der Begriff ausschließlich auf den inneren Aufbau des Sensors und die Art des Auslesevorgangs, nicht auf das Bildformat bzw. die Größe des Sensors.
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 während der nächsten Belichtungszeit Ladungspaket für Ladungspaket ausgelesen werden. Die Zeit des raschen Verschiebens muss viel kürzer als die Belichtungszeit sein, weil sonst derSmear-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 (Potentialtöpfe) wie Bildpunkte und muss auch doppelt so groß wie die Bildgröße sein.
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 (das sogenannte Transferregister) und von dort in Richtung Ausleseverstärker verschoben. Es ist kein mechanischer Verschluss nötig; die Belichtungszeit kann alsoelektronisch gesteuert werden, indem die Pixel geleert werden und nach der Belichtung in das Transferregister übernommen werden (elektronischer Verschluss, englischelectronic shutter). Dadurch werden sehr kurze Belichtungszeiten möglich.
Die konstruktionsbedingte geringere lichtempfindliche Fläche (im Vergleich zu Full-Frame-CCDs) und damit schlechtere Lichtempfindlichkeit wird bei neueren CCDs durch kleine Sammellinsen kompensiert. Diese liegen über jedem Pixel und fokussieren das Licht, wodurch die Lichtempfindlichkeit des Sensors wieder erhöht wird („lens-on-chip“-Technik).
Der Nachteil von IT-CCDs kommt durch die – wegen des im Vergleich zu FT-CCDs langsamen Auslesens – relativ lange Verweildauer der Ladungen in den Speicherzellen neben den lichtempfindlichen Pixeln zustande. Die Speicherzellen des Transferregisters sind zwar abgedeckt, aber immer noch lichtempfindlich. DurchBeugung derLichtwellen können Photonen diese Zellen erreichen und dort störende Ladungen entstehen. Dadurch entsteht der sogenannteSmear-Effekt.
Eine Lösung, um denSmear-Effekt zu umgehen, bieten die FIT-Sensoren: Bei diesem Typ werden die 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 Pixel nicht länger als nötig dem Licht direkt ausgesetzt sind, andererseits werden sie relativ schnell aus dem „offenen“ Bereich des Chips ausgelesen. Der Nachteil ist, dass nun pro effektiven Pixel drei Speicherzellen nötig sind, was diese Chips relativ teuer macht. Der schnelle Abtransport der Ladungen ist jedoch z. B. bei Hochgeschwindigkeitskameras unumgänglich. Die Belichtungssteuerung geschieht auch hier elektronisch.
Bei den meisten CCD-Chips wird dieVorder-seite des Siliziumplättchens beleuchtet, also die Seite, auf der die Halbleiterstrukturen hergestellt wurden(front-side-illuminated CCD). An der Oberfläche befinden sich dann Strukturen, die nicht lichtempfindlich sind (zum Beispiel Elektroden aus polykristallinem Silizium). Vor allem kurzwelliges (blaues, violettes und ultraviolettes) Licht wird dort teilweise schon absorbiert. Diese Verluste treten bei sogenanntenback-side-illuminated-CCDs nicht auf. Dazu wird das Siliziumplättchen rückseitig bis auf eine Dicke von 10 bis 20 µm abgeschliffen und abgeätzt und mit der lichtempfindlichen „Rückseite“ nach vorne eingebaut. Dieses Herstellungsverfahren ist sehr teuer, daher werden Back-Side-Illuminated-CCDs nur dort verwendet, wo es auf hohe Empfindlichkeit (Quantenausbeute) für kurzwelliges Licht ankommt, also zum Beispiel in der Spektroskopie oder Astronomie. Ein Nachteil der Back-Side-Illuminated-CCDs ist eine ungleichmäßige spektrale Empfindlichkeit für längere Wellenlängen, weil durch Hin- und Herspiegelung des Lichts zwischen den OberflächenInterferenzen wie imFabry-Pérot-Interferometer auftreten (etaloning).
Für die Detektion von Farbbildern benötigt man Sensoren mit Pixeln unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit.Nach einer (immer notwendigen) Verrechnung von Pixeln gleicher oder benachbarter Positionen erhält man Helligkeits- und Farbinformationen.
Zurzeit haben sich zwei Verfahren etabliert:
Systeme, die die unterschiedliche Eindringtiefe von roten und blauem Licht inSilizium ausnutzen (Foveon-X3-Sensor), sind bei CCD-Sensoren nicht üblich.
Drei-Chip-CCD-Sensoren werden in Videokameras ab der mittleren Preisklasse eingesetzt. Sie finden in Kameras mit vergleichsweise kleinen Sensoren Anwendung (1/6″ im Amateurbereich bis 2/3″ im professionellen Bereich).Sie erfordern Optiken mit einem großenAuflagemaß ab ca. 1,6 Sensordiagonalen, um Platz für dasdichroitische Prisma zu haben. Dafür nutzen sie das eingefangene Licht optimal aus und liefern schon bei kleinen Sensordiagonalen ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und gute Farbqualität.
Hinter dem Objektiv befindet sich das dichroitische Prisma, auf dessen Flächen, an denen die Farbauszüge austreten, jeweils ein CCD-Sensor aufgeklebt ist. Die Fertigung dieses mit CCD-Sensoren bestückten Prismenblocks erfordert hohe Präzision, um die Deckung der Farbauszüge zu gewährleisten.
Ein-Chip-Bayer-CCD-Sensoren werden in Videokameras aller Preisklassen (1/4″ im Amateurbereich bis 20 mm × 36 mm, im Amateurbereich wie im professionellen Umfeld) eingesetzt. Daneben waren so gut wie alle (Standbild-)Kameras aller Größen (1/3″ bisMittelformat) und Preisklassen (Handy bis Kameras für mehrere 10.000 €) auf diesem Prinzip aufgebaut – die folgende, alternative Technik mit mehr Verbreitung ist die derCMOS-Sensoren.Sie stellen keine Anforderungen an das Auflagemaß, sind aber tendenziell größer als Drei-Chip-CCDs. Sie nutzen das zur Verfügung gestellte Licht schlechter aus und liefern bei gleicher Größe Bilder mit schlechterem Signal-Rausch-Verhältnis. Dafür sind sie selbst wesentlich kompakter und erlauben kompaktere Optiken als Drei-Chip-CCD-Sensoren.
Allen Farbsensoren ist gemeinsam, dass sich (meist direkt) vor dem Sensor ein sogenannter Infrarot-Sperrfilter befindet. Dieser Filter hat aber weitaus mehr Funktionen:
Ohne diesen Filter werden tiefblaue und tiefrote Flächen für den menschlichen Betrachter zu hell dargestellt. Heiße, aber nicht glühende Gegenstände (Lötkolben) werden ebenfalls zu hell und in unnatürlichen Farben dargestellt. Gegenstände, die infrarotes oder ultraviolettes Licht reflektieren oder emittieren, werden mit falschen Farben dargestellt.
EinAntialias-Filter wird bei Bayer-Sensoren und anderen Ein-CCD-Farbsensoren benötigt, um das Licht auf benachbarte, unterschiedlich farbempfindliche Pixel zu verteilen. Ohne diesen Filter könnte beispielsweise ein weißer heller Punkt oder eine weiße helle Linie bei sehr scharfer Abbildung auf Pixel nur einer Farbe abgebildet werden, diese Objekte würden dann im Bild als farbig dargestellt. Außerdem verhindern Antialias-Filter, dass Linien oder Kanten, die unter geringem Winkel zu den Pixel-Reihen verlaufen, treppenartig erscheinen. Mit dem Antialias-Filter ist eine geringfügige Reduktion der Bildschärfe verbunden.
Antialias- und Infrarot-Sperrfilter sind oft miteinander kombiniert bzw. verkittet.
Den mit Abstand größten Marktanteil haben Sensoren mit quadratischen Pixeln, die mit RGGB-Farbfiltern (Bayer-Pattern) versehen sind. Es sind aber auch andere Pixelformen (rechteckig, sechseckig, dreieckig, rhombisch, achteckig + viereckig) und andere Farbfilter-Pattern (monochrom, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, Super-CCD-EXR-Anordnung) möglich. Eine dieser Bauformen ist derSuper-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. Die Größe der über den Sensorflächen befindlichen Linsen kann heterogen sein, so dass damit eine merklich erhöhte Dynamik erreicht werden kann.
Um Helligkeitsunterschiede im Bild, die auf Verunreinigungen auf dem CCD-Chip (Staub), ungleichmäßige Empfindlichkeit der Pixel, oder die verwendeteOptik (Vignettierung,Reflexe) zurückgehen, ausgleichen zu können, wird das aufgenommene Bild durch einWeißbild dividiert (Weißbild- oder Flat-Field-Korrektur) und mit dem Mittelwert des Weißbilds multipliziert. Zur Beseitigung des aus dem Dunkelstrom hervorgegangenen Bildrauschens wird bei Langzeitaufnahmen (z. B. in derAstrofotografie) davor noch einDunkelbild abgezogen (Dunkelbild- oder Dark-Frame-Korrektur). Das Ergebnis ist einkalibriertes Bild.
Die Bilder zeigen die Kalibrierung am Beispiel einer astronomischen Aufnahme:
Es kann insbesondere bei kohärentem Licht vorkommen, dass eine unsaubere Verarbeitung des CCD-Fensters, das den Sensor vor Staub schützt, zu ungewünschten Interferenzmustern führt. Dieses Problem kann behoben werden, indem das Fenster nichtplanparallel gebaut wird, sondern eine Seite des Fensters um einen bestimmten Winkel gegenüber der anderen Seite geneigt wird. Fällt ein Strahl auf die Vorderseite des Fensters so tritt er auf der Rückseite leicht geneigt in Richtung Sensor aus, wobei sich der genaue Austrittswinkel mitSnellius berechnen lässt. Der Strahl wird aber auch innerhalb des Fensters abwechselnd an der Vorder- und Rückseite reflektiert und tritt an anderen Stellen nochmals aus dem Fenster in Richtung des Sensors aus. Betrachtet man vereinfachend nur zwei aus dem Fenster austretende Teilstrahlen, so bilden die Wellenfronten der Strahlen einMoiré-Muster. Bei passender Wahl des Neigungswinkels rücken die Maxima-Streifen des Musters so nah zusammen, dass sie von den einzelnen Pixeln nicht mehr aufgelöst werden können.
Die wichtigsten Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von CCD-Chips sind:
Dunkelstrom und Rauschen werden bei hochempfindlichen Kameras durch Kühlen des CCD-Chips verringert. Das Dunkelstromrauschen kann zum Beispiel durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff auf unter drei Elektronen pro Pixel und Stunde gedrückt werden.
Die Größe des lichtempfindlichen Bereichs auf dem Chip ist für die Bildqualität von erheblicher Bedeutung. Bei gleichbleibender Auflösung (Pixelzahl) ist die Fläche der Zellen proportional zur Chipfläche. Je größer die Zellen sind, desto mehrPhotonen treffen je Zelle auf, und damit steigt die Lichtempfindlichkeit. Da nicht alle Störsignale mit der Fläche einer Zelle anwachsen, hat ein größerer Chip ein besseresSignal-Rausch-Verhältnis. Außerdem können größere Zellen mehr Elektronen sammeln und haben damit einen größeren Dynamikbereich.
Neben der direkten metrischen Angabe der aktiven Fläche (z. B. 16 mm × 24 mm) hat sich die Tradition aus der Zeit derBildaufnahmeröhren erhalten, in der der Außendurchmesser des Glaskolbens inZoll (z. B. 2/3″) zur Größenangabe verwendet wurde. Allerdings war die lichtempfindliche Fläche der Röhren deutlich kleiner als der Außendurchmesser der Röhren: So hatte beispielsweise eine 1″-Röhre eine aktive Fläche mit einer Bilddiagonalen von ca. 16 mm. Ein 1″-CCD-Chip hat per Definition die gleiche Bilddiagonale wie eine 1″-Röhre.
Gebräuchliche Größen für klassische Bildaufnahmeröhren wie für CCD-Video-Sensoren sind für professionelle Videokameras 2/3″ (ca. 11 mm Diagonale) und 1/2″ (ca. 8 mm Diagonale), fürProsumer-Geräte 1/3″ (ca. 5,5 mm Diagonale) und für Consumer-Geräte oder Handykameras noch kleinere Sensoren (1/4″ oder 1/6″). Bei kleinenDigitalkameras kommen oft 1/2,3″-Sensoren (ca. 7 mm Diagonale) zum Einsatz, digitale Spiegelreflexkameras verwenden meist ein Format ähnlich dem vonAPS-C (ca. 28 mm Diagonale) oder, im gehobenen Preisbereich, ein Format ähnlich dem desKleinbildformats der Fotografie auf Film.
CCD-Sensoren können sowohl für sichtbareWellenlängen als auch für Nah-Infrarot-,UV- undRöntgen-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich dasSpektrum für Sonderanwendungen von 0,1 pm bis auf etwa 1100 nm. Die Grenze zu langen Wellenlängen hin ist durch dieBandlücke 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 derAstronomie haben sie andere Bildempfänger, wieFotoplatten, 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 hoherDynamikumfang (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 derFotometrie (Helligkeitsmessung) und der Anwendung ausgefeilterBildbearbeitungsmethoden von Vorteil ist.
Auch in der allgemeinenFotografie haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl erweiterten sich die Verwendungsmöglichkeiten der CCD-Bildsensoren auf praktisch alle fotografischen Anwendungen. Professionelle analoge Fotokameras konnten durch CCD-Sensoren mit 5 bis 18Megapixel bereits in vielen Bereichen ersetzt werden, das gilt umso mehr für digitale (Spiegelreflex-)Kameras imMittelformat und zunehmend imKleinbildformat mit 30 und mehr Megapixeln.
CMOS vs. CCD
In derFototechnik löstenCMOS-Sensoren, mit denen früher nur die billigen „low-end“-Geräte ausgestattet wurden, nach 2005 auch im hochwertigen Bereich die CCD-Sensoren ab. Wesentliche CMOS-Nachteile (Rauschen, geringere Empfindlichkeit) wurden weitgehend auf ein vergleichbares Maß minimiert oder unterboten, so dass CMOS-Sensoren die CCD-Sensoren im Bereich der digitalen Spiegelreflexkameras vollständig verdrängt haben (z. B.Canon EOS-1Ds 2002,Nikon D2X 2004,Nikon D300 2007). Bei (für den Anwendungsbereich) vergleichbarer Bildqualität überwiegen hier die Vorteile der CMOS-Sensortechnik (schnelleres und bereichgesteuertes Auslesen, kaum Blooming usw.). CCD-Sensoren finden sich hingegen inDigitalrückteilen undMittelformatkameras mit sehr hohen Auflösungen (40 Megapixel und größer), die hier ihre Vorteile voll ausspielen können. Auch in hochwertigen digitalenKompakt- undBridge-Kameras wurden bis um das Jahr 2010 fast ausschließlich CCD-Sensoren eingesetzt (Canon Powershot S100 mit CMOS im Jahr 2011,Powershot G1X 2012).
InVideokameras ersetzen CCD-Sensoren das ältereRöhrenprinzip (Ikonoskop,Vidicon). Die klassische Auflösung der Videokameras nachPAL- oderNTSC-Norm liegt bei 440.000 Pixel (CCIR/PAL) bzw. 380.000 Pixel (EIA/NTSC) undBildwiederholraten von 25 Hz (CCIR/PAL) bzw. 30 Hz (EIA/NTSC).
CCD- und CMOS-Sensoren werden in derDigitalen Holografie zur Hologrammaufzeichnung eingesetzt.
CCDs können mit einem vorgesetztenBildverstärker betrieben werden und werden dann alsintensified CCD (iCCD) bezeichnet. Dazu trifft das Licht zuerst auf eine Photokathode; der daraus freigesetzte Elektronenstrom wird beispielsweise in einerMikrokanalplatte (MCP) vervielfacht und trifft auf einenLeuchtschirm. Von dort wird das Licht zum Beispiel über eineFaseroptik 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 (zum Beispiel Video) iCCDs Vorteile bringen. Intensified CCDs ermöglichen auch sehr kurze Belichtungszeiten bis zu 0,2 ns, die mit einem CCD alleine bei weitem nicht erreichbar sind. Dazu wird an die Mikrokanalplatte ein kurzer Spannungspuls angelegt. Diese Anordnung ist alsgated-CCD bekannt.
CCDs sind nicht nur für elektromagnetische Strahlung, sondern auch für ionisierende Teilchenstrahlung empfindlich, da auch durch sie Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. „Back-illuminated“-CCDs, die als Sensor für einfallende Elektronen verwendet werden, sind auch alsebCCD (engl.electron bombarded CCD) bekannt. Eine Anwendung dieser Sensoren ist die als Restlichtverstärker: Die Elektronen stammen aus einer Photokathode und werden mittels einer angelegten Spannung auf einen ebCCD-Sensor beschleunigt, sodass je einfallendem Elektron mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugt werden.
Der Asteroid(15000) CCD wurde nach dem CCD benannt.
