Sie lösten die riesigen und aufwändigen Bildröhren ab und brachten die Kamerarevolution ins Rollen. Ein tiefer Einblick in einen Bildwandler, der ein enger verwandter der modernen CMOS Sensoren ist.
Bis 1983 gab es für die Aufzeichnung von Video nur Aufnahmeröhren. Plumbicon, Newicon so hießen gängige Röhrentypen. Nach zehnjähriger Entwicklungsarbeit brachte die Firma Hitachi eine erste Kamera heraus, die mit einem CCD-Element (Charge Coupled Device) arbeitete. Diese funktionierten analog, die Videosignale wurden auf Magnetband aufgezeichnet. Bevor wir modernen Digital-Kids uns vor Schaudern schütteln, weil "Analog" doch sowas von out ist, sollte an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass selbst modernste CMOS Sensoren zunächst einmal analog sind, allerdings integrierte Digitalwandler besitzen.
Spektrum der CCD-Installationen
CCDs selbst sind eigentlich nicht für eine bestimmte Farbe empfindlich. Um sie für eine Farbe empfindlich zu machen, müssen Filter zwischen das Objektiv und den CCD-Chip eingebaut werden. Je nachdem, um welche Art von Kamera es sich handelt, wird die Filterung für einen ganzen Chip (bei 3-Chip-Kameras) oder auf Pixel-Basis (bei 1-Chip-Kameras) vorgenommen.
Die technisch sauberste Lösung arbeitet mit drei Chips. Das Bild wird hinter der Optik durch ein Prisma in drei identische Bilder gesplittet und verteilt sie durch drei Filter der Primärfarben auf drei CCD-Sensoren. Die CCDs sind mechanisch bereits so montiert, dass die Pixel im richtigen Raster zueinander stehen, wie sie auch für die Wiedergabe benötigt werden (superimposed). So liefert jeder CCD-Chip ein vollständiges Rot-, Grün- oder Blau-Bild. Eine Elektronik kann so abgeglichen werden, dass sie die verschiedenen Farbauszüge in Helligkeit und Schwarzwert in einem natürlichen Verhältnis zueinander stehen.
Die preiswertere Lösung, die Ein-Chip-Kamera, ist deutlich aufwändiger und fehlerbehafteter. Ein einzelner CCD-Chip muss hier die Aufteilung in drei Auszüge allein vollführen. Hier werden die Helligkeits- und Farbwerte durch Interpolation ermittelt. Tatsächlich werden je vier Pixel zum Ermitteln der Farbauszüge erfasst. Dafür werden jeweils mehrere Zeilen verwendet um eine Bildzeile darzustellen. Ein-Chip-Kameras haben in der Werbung daher oft fast die doppelten Pixelzahlen als Drei-Chip-Kameras gleicher Bildauflösung. Aus der Gesamthelligkeit (Y) sowie dem Wert R-Y und B-Y errechnet die Kamera die fehlenden dritten Farbauszüge des G-Bereichs:
| L (Helligkeit) ist R+G+B |
| B ist (R+G+B) - (R+B) - (G-B) |
| G ist (R+G+B) - (R+B) |
| R ist L-B-G |
Von den vier verwendeten Pixeln werden meistens zwei für Grün und je eines für Blau und Rot verwendet. Das liegt daran, dass der Mensch für Grün besonders empfindlich und dessen akkurate Wiedergabe deshalb besonders wichtig ist.
Es gibt auch CCD-Konstruktionen, die mit subtraktiven Filtern arbeiten. Diese verwenden die vier Pixel als CMY+G. Auch hier wird ein zusätzliches Pixel für die Grün-Information reserviert. Diese Filtermethode schluckt weniger Licht und gilt daher als fortschrittlicher und lichtempfindlicher.
Anwendung der CCDs
Grundsätzlich stößt die Ein-Chip-Technik auf Grenzen, wenn die Details, die man aufnimmt, kleiner sind als die Pixel. Sobald ein Detail nämlich nur einen Teil der Vier-Pixel-Raster beleuchtet, kommt es zu Artefakten wie Moiré-Effekten. In digitalen Fotoapparaten kommen meist "Ein-Chip-Systeme" zum Einsatz, da diese Fotoapparate meistens sehr kompakt aufgebaut sein sollen. Schließlich müssen sie mit stark miniaturisierten Fotoapparaten mithalten.
Licht und Spannung
CCDs sind Aneinanderreihungen von Photodioden und haben zwei wichtige Aufgaben: Sie übersetzen Helligkeitswerte in ein elektrisches Signal und sie müssen ein konkretes Bildfeld als eine Folge von Pixeln auslesen (Zeilen, Halbbilder etc.). Die Helligkeit wird in einem entsprechenden Verhältnis in Spannung umgesetzt. Doppeltes Licht bedeutet auch doppelte Spannung am Pixel. Das ist ein linearer Vorgang. Leider bewegt sich die Aufnahmefähigkeit der Chips zwischen der minimalen und maximalen Helligkeitswiedergabe ganz linear. Möchte man sich bei der Bildwiedergabe aber der menschlichen Wahrnehmung nähern, die geht nämlich logarythmisch mit Helligkeitswerten um, so geschieht diese durch nachträgliche, elektronische Schaltkreise (Gamma-Einstellung, Black Stretch, Soft Knee oder Full DSP Control der Tonwerte).
Wenig Licht
Im Prinzip ist die Empfindlichkeit der Chip extrem hoch. Bereits geringstes Licht, also einzelne Photonen, können als Licht wahrgenommen werden und ein Bild erzeugen. In Wirklichkeit gibt es aber in den Halbleitern auch unerwünschte freie Elektronen, die ein Grundrauschen dem Bildsignal hinzufügen. Das ist die untere Grenze der Empfindlichkeit. Das Grundrauschen ist übrigens auch abhängig von der Arbeitstemperatur. In einer kalten Umgebung ist es niedriger, in Wärme (Sommer etc.) ist es höher. Das Grundrauschen verdoppelt sich etwa alle 10 Grad. Modernere Sensoren und ein ganzes Accumulation Layer reduzieren das Grundrauschen um den Faktor 10. Frühe CCDs arbeiteten sogar mit einer eigenen Kühlung, um das Grundrauschen niedriger zu halten.
Größere Chips müssen das Signal nicht so sehr verstärken, sie haben einen besseren Signal-Rauschabstand. Kleine Chips arbeiten mit kleineren empfindlichen Flächen und liefern weniger Spannung. Diese muss also bei wenig Licht höher verstärkt werden, was das Rauschen erhöht.
Viel Licht
Die maximale Helligkeit ist von der Fähigkeit des Sensors abhängig, Ladung zu halten. Wenn zuviel Licht auf den Sensor trifft, so läuft er quasi über, das Bild brennt in ein flächiges Weiß aus. Wenn diese Überladung zu groß ist, so kann davon der gesamte Informationstransport im Chip betroffen sein und es kommt zu vertikalem Smear-Effekt. Man kann diesen Fehler reduzieren durch besonderes Chip-Design und Entladungswege.
Besonderheit von CCDs
Die zweite Aufgabe der Chips: eine Reihe, einen Ablauf bilden. Wenn so ein Chip mit einem Bild aufgeladen ist, muss es in ein serielles Video-Signal verwandelt werden. Nun haben wir schon lange keine Nipkow-Scheiben mehr in den Videokameras, also muss das irgendwie anders geschehen. Nun die CCDs verdanken ihren Namen dem Verfahren mit dem sie das bewerkstelligen: Charge-Coupled Devices. CCDs arbeiten mit der Weitergabe von Ladungen. Das bedeutet, jedes Einzelelement kann seine Ladung nicht nur speichern, sondern sie auch an das Nachbarelement weitergeben. Sie folgen alle einem bestimmten Raster. Man spricht hier auch vom “Eimerkettenprinzip”. Über einen Ausgang werden alle Signale weitergegeben,- also alle Dioden in einer Bildzeile sind miteinander verbunden und ihre jeweiligen Messwerte werden nacheinander in einem Ausleseregister verwertet. Am Ende einer solchen Pixelreihe wird die Ladung in einen Speicher verschoben. So wird eine Ladung nach der anderen durch die Elemente verschoben.
FT-Chips
FT-Chips (Frame Transfer) arbeiten anders. Sie haben unterhalb jedes Elements einen Speicherbereich. Jede Photodiode legt einzeln ihr Bildinformation im Speicher ab, wo sie dann seriell ausgelesen wird. Um zu verhindern, dass ständig Ladung abgegeben wird, verwenden diese Kameras einen Shutter, der den Lichteinfall während des Auslesens der Information verhindert. Auf diese Weise sind Kameras mit FT-Chips relativ resistent gegen Smear-Effekte. Der größere Speicheraufwand und der Shutter machen die FT-Chips relativ teuer.
IT-Chips
IT-Chips (Interline Transfer) sind heute die gängigsten Chips. Statt eines kompletten Speicherbereichs für jede Photodiode haben sie lediglich senkrechte Transport-Register, die die Informationen weitertransportieren. Durch geschickte Maskierung ist ein Shutter überflüssig. Der relativ langsame Transport der Ladungen erlaubt jedoch das Entstehen von Smear. Außerdem reduziert der Platz für diese Transportwege die lichtempfindliche Fläche. Deshalb sind IT-Chips weniger lichtempfindlich als FT-Chips. Um das auszugleichen, werden häufig winzige Linsen (Microlenses) auf der Oberfläche der Chips aufgebracht, die das Licht bündeln.
FIT-Chips
FIT-Chips (FIT=Frame-Interline Transfer) verknüpfen die guten Eigenschaften der vorgenannten Verfahren. Sie arbeiten mit vertikalen Transportwegen, die aber alle einzelne Speicher haben, um die Ladungen schnellstmöglich abzugeben. Damit ist Smear reduziert und es wird durch die Maskierung kein Shutter benötigt. Sie sind recht kostspielig und werden in höherwertigen Profikameras verwendet.
CCDs liefern analoge Informationen, nicht digitale. Es werden Ladungen weitergegeben. Heute werden CCDs eher in preiswerten Kompaktkameras, Webcams und Überwachungskameras verbaut, in höherwertigen Kameras sind CMOS Chips üblich.
