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Charge-coupled Device


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Ein Charge-coupled Device (CCD) ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden (fein gerasterten) Messung der Das Bauteil besteht aus einer Matrix (oder seltener aus einer Zeile ) mit lichtempfindlichen Zellen die Pixel genannt werden (picture elements). Sie werden durch eine Art Schieberegister elektrisch ausgelesen. Für Zelle wird die Lichtmenge digital im Computer verspeichert was für Millionen Pixel nur dauert.

Diese modernen Bildaufnehmer sind vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar auch für sehr lichtschwache Objekte in der Astronomie. Sie beruhen auf dem Fotoeffekt . Die einfallenden Licht quanten lösen Elektronen aus der Halbleiterschicht und können mittels Potentialtöpfen " quasi gezählt werden. Die Quantenausbeute kann 80% betragen gegenüber 5-10% bei Fotofilmen.

Inhaltsverzeichnis

CCD-Arrays Farb- und Liniensensoren

Der CCD- Chip einer Digitalkamera besteht aus einer Matrix ("Array") von bis 5 Millionen solcher lichtempfindlicher Zellen die den des aufgenommenen Bildes entsprechen. Sie sind meist quadratisch mit Kantenlänge von 5 bis 20 µm. Dazwischen verlaufen elektrische Leitungen die zwar eine Lichteinbuße bedeuten aber Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Zellen dienen. Pixel bedeuten deshalb höhere Lichtempfindlichkeit aber geringere Auflösung und unschärfere Bilder.

Für Farbbilder werden die Arrays sensibilisiert . Je zwei von 4 Pixeln erhalten winzige die anderen rote und blaue. So wird das menschliche Farbsehen modelliert doch die Auflösung schlechter. Um wieder (fast) volle Schärfe zu werden die dazwischen liegenden Pixelfarben mathematisch interpoliert :

Die kombinierte Farb- und Helligkeitsinformation wird einen speziellen Algorithmus (Bayer-Filter) aus den einzelnen extrahiert. Anschließend wird sie beim meist verwendeten JPEG -Format in 8×8 großen Feldern durch Frequenzanalyse weiterverarbeitet was gleichzeitig die Datenmenge reduziert. Verfahren werden Wavelet -Algorithmen verwenden.

Statt lichtempfindlicher Flächen sind auch CCD- Linien in Gebrauch so genannte "Strips". Diese Sensoren werden z. B. in der Industrie oder bei der Kassa von Supermärkten wenn es nicht um Bilder sondern um (optisches Abtasten) geht.

Anwendungen

CCD-Chips können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für angrenzende Infrarot - und UV -Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0 5–0 8 µm etwa 0 3–1 µm.

  • 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 und Bildwiederholraten 25 Hz.
  • Am Fotomarkt haben CCD-Digitalkameras eine Revolution bewirkt. Mit Erhöhung der Pixelanzahl verbreitete die Anwendung der CCD-Chips auf praktisch alle Professionelle Fotokameras können durch digitale mit 5 bis 10  Megapixel vollwertig ersetzt werden.
  • Allgemeine Meßtechnik : Zeilenkameras werden neben der Industrie z. B. in Spektroskopen und Scannern eingesetzt.

Neuentwicklung

  • Eine neue CCD-Chip-Entwicklung ist der Super-CCD -Chip mit einer wabenförmigen Anordnung von achteckigen die enger beieinander liegen und damit eine Anzahl von Pixeln auf eine gegebene Fläche
  • EMCCD ( E lektron M ultiplying CCD )
  • EBCCD ( E lektron B ombarded CCD )
  • CMOS-Kameras
  • Ferro -Sensoren

Weblinks



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