3 Hersteller von CCD-Kameras im Jahr 2024

Was ist eine CCD-Kamera?

Eine CCD-Kamera ist eine Kamera, die als Bildsensor einen CCD-Sensor verwendet, ein Akronym für Charge Coupled Device (ladungsgekoppeltes Gerät).

In den letzten Jahren wurden sie durch technologische Innovationen durch CMOS-Sensoren ersetzt, die in Bezug auf Leistung und Kosten überlegen sind. CCD-Kameras werden jedoch nach wie vor in einigen Forschungsanwendungen eingesetzt; sie neigen dazu, einen stärkeren Kontrast in Fotos zu erzeugen als CMOS und werden von einigen Hobbyfotografen bevorzugt.

Anwendungen von CCD-Kameras

CCD-Sensoren werden in einigen kompakten Digitalkameras verwendet, aber die Entwicklung von CCD-Sensoren für den allgemeinen Gebrauch ist fast abgeschlossen. Sie werden in Zukunft wahrscheinlich durch CMOS-Sensoren ersetzt werden.

In der Forschung sind sie jedoch oft nützlich. So werden sie beispielsweise in Kombination mit Mikroskopen bei der Abbildung von Biomolekülen eingesetzt. Die CCD-Kameras zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus.

Darüber hinaus kann die Nachweisempfindlichkeit bis zum 1000-fachen gesteigert werden, indem das Nachweissignal mit einem elektronenvervielfachenden (EM) CCD verstärkt wird.

Neuere CMOS-Sensoren können aufgrund der verbesserten Quantenausbeute auch Einzelmolekül-Fluoreszenzdetektion abdecken. Wenn die Einzelmolekülfluoreszenz jedoch schwach ist, sind EMCCD-Kameras mit Signalverstärkung vorteilhafter.

Funktionsweise von CCD-Kameras

Eine CCD-Kamera verwendet ein Objektiv oder ein anderes optisches System, um ein Bild auf einem CCD-Sensor zu erzeugen, der aus einer Anordnung von Fotodioden (CCD-Elementen) besteht; der CCD-Sensor ist in einen oberen und einen unteren Teil für den Lichtempfang und einen unteren Teil für die Übertragung unterteilt.

Wenn ein Photon auf ein lichtempfangendes CCD-Element trifft, werden durch den photoelektrischen Effekt Elektronen erzeugt, und das CCD-Element speichert eine elektrische Ladung. Die in jedem CCD-Element angesammelte Ladung wird zur Übertragung auf das CCD übertragen, und der Strom wird durch einen Verstärker verstärkt. Der verstärkte Strom wird von der Steuereinheit der CCD-Kamera berechnet und in Bilddaten umgewandelt.

Bei EMCCDs wird an die übertragene Ladung eine Spannung angelegt, bevor sie an den Verstärker weitergeleitet wird, um die Elektronenverdopplung durchzuführen. Dies beruht auf dem Phänomen der Kollisionsionisation. Mit elektronenverdoppelnden EMCCDs können auch einzelne Photonen nachgewiesen und die Anzahl der Photonen gemessen werden.

Der Ladungstransfer findet jedoch erst dann statt, wenn sich in allen CCDs einer Reihe genügend Ladung angesammelt hat. Dies ist der ratenbegrenzende Faktor für die Übertragungsrate.

Arten von CCD-Kameras

1. Art des CCD-Elements

Full-Frame-Typ
Vollbild-CCDs sind Standard-CCDs und haben die höchste Empfindlichkeit und den größten Dynamikbereich für physikalische und chemische Messungen. Ein lichtabschirmender Shutter ist erforderlich, um zu verhindern, dass während des Auslesens Licht auf das Element fällt.

Frame-Transfer-Typ
Beim Frame-Transfer-Typ gibt es zwei CCD-Typen, einen für den Lichtempfang und einen für die Bildspeicherung. Das empfangene Bild wird zur vorübergehenden Speicherung auf das CCD übertragen und die gespeicherte Ladung wird bei der nächsten Belichtung ausgelesen. Während ein Verschluss nicht erforderlich ist, wird ein CCD mit der doppelten Fläche benötigt.

Interline-Typ
Der Interline-CCD-Typ ist ein Typ, bei dem die lichtempfangenden und speichernden Bereiche in einem Element angeordnet sind. Diese Art von CCD-Element wird in Videokameras verwendet. Ein Verschluss ist nicht erforderlich, aber die Blende ist kleiner als bei einer Vollbildkamera.

2. Arten von CCD-Kameras

Spektroskopische Kameras
Diese Kamera wird verwendet, um das Spektralspektrum eines Bildes zu erfassen. Die spektralen Eigenschaften des Bildes innerhalb des Aufnahmebereichs können auf einmal gemessen werden. Zu den Anwendungen gehören die Diagnose der Frische von Lebensmitteln, die Erkennung von Fremdkörpern und im industriellen Bereich die Kontrolle der Produktfarbe.

Kamera für die biologische Beobachtung
Gekühlte CCD-Kameras werden häufig zur Beobachtung der winzigen Bewegungen lebender Organismen und zur Beobachtung von Bildern bei extrem niedrigen Lichtverhältnissen eingesetzt, wenn sie an ein Mikroskop angeschlossen sind. Von Bedeutung sind hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung und hohe Geschwindigkeit.

Röntgenkameras
CCD-Kameras für Röntgenaufnahmen werden zunehmend im weichen bis harten Röntgenbereich eingesetzt, wo die hohe Empfindlichkeit und der große Dynamikbereich von CCD-Kameras anderen Detektoren überlegen sind.

Hochgeschwindigkeitskameras
Kameras, die mehr als 100 Bilder pro Sekunde liefern können, werden als Hochgeschwindigkeitskameras bezeichnet. Sie werden zunehmend in industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei Crashtests in der Automobilindustrie und bei der Kontrolle von Produktionsprozessen in Fabriken.

Weitere Informationen zu CDD-Kameras

Unterschiede zu CMOS-Kameras

CCD-Sensoren leiten die Ladung von den Elektroden nach außen ab wie ein Eimerrelais, während CMOS-Sensoren in jedem Pixel eine Fotodiode haben und das Signal direkt aus dem Pixel auslesen, während sie mit einem Halbleiterschalter mit hoher Geschwindigkeit schalten. Daraus ergeben sich die folgenden Unterschiede:

CCD = Stromverbrauch x / Bildqualität ◎ / Preis x
CMOS = Leistungsaufnahme ◎ / Bildqualität ◎ / Preis ◎

CCDs haben also eine bessere Bildqualität und CMOSs sind preiswerter.