Was ist eine CCD-Kamera?
Eine CCD-Kamera ist jede Art von Digitalkamera mit einem CCD-Bildsensor (Charge Coupled Device). Dies schließt die überwiegende Mehrheit der Consumer- und Professional-Fotokameras, Videokameras, Sicherheitskameras, Handykameras und medizinischen Kameras ein. CCDs sind sehr effizient und erfassen im Allgemeinen etwa 70 Prozent des einfallenden Lichts, im Gegensatz zu fotografischen Filmen, die nur auf etwa zwei Prozent des einfallenden Lichts reagieren. CCDs reagieren auch empfindlich auf Infrarotlicht, was sie ideal für Nachtsichtüberwachungskameras und Astronomieanwendungen macht. Während einige Kameras einen CMOS-Bildsensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) verwenden, ist der CCD-Typ der gebräuchlichste.
Die meisten CCD-Kameras verwenden ein einzelnes ladungsgekoppeltes Gerät zum Erfassen von Bilddaten, unabhängig davon, ob die Kamera für den monochromatischen, Farb- oder Infrarotbetrieb ausgelegt ist. In diesem Fall tritt Licht durch die Linse ein, wird gefiltert und dann auf die Oberfläche eines einzelnen photoelektrischen Bildsensorarrays fokussiert. Viele professionelle Videokameras, die als "Drei-CCD" - oder "Drei-Chip" -Kameras bekannt sind, enthalten drei CCD-Arrays. Bei diesen wird das einfallende Licht durch ein Prisma in seine roten, grünen und blauen Komponenten aufgeteilt, die jeweils auf einen eigenen CCD-Sensor fokussiert sind. Dies verbessert die Farbseparation und erhöht die Lichtempfindlichkeit, was zu einer genaueren Farbschattierung im Allgemeinen und zu mehr Details in Situationen mit geringerem Licht führt.
Faxgeräte, Scanner und andere Arten von Linear-Scan-Kameras verwenden einen eindimensionalen CCD-Bildsensor zum Erfassen von Daten, wobei entweder der Sensor oder das gescannte Objekt bewegt werden, um das gesamte Bild zu erfassen. Jeder andere Typ einer CCD-Kamera verwendet eine feste zweidimensionale Flächenmatrix. Der CCD-Sensor ist eine Anordnung gekoppelter photoaktiver Kondensatoren, die Ladungen auf der Grundlage der Intensität, Dauer und Wellenlänge des auf sie fokussierten Lichts aufbauen. Sobald der Sensor einem Bild ausgesetzt ist, verschiebt er die Ladung jedes Kondensators zu seinem Nachbarn im Array. Dies erzeugt einen Welligkeitseffekt über die gesamte Matrix und verschiebt den letzten Satz von Ladungen chipextern zu einem separaten Digitalisierer. Dieser Digitalisierer wandelt sie in numerische Werte um, die im Speicher der Kamera gespeichert werden.
Wie die CCD-Kamera Bilddaten speichert und abruft, wirkt sich normalerweise auf das Design des Systems aus. Bei der Vollbildmethode wird das gesamte CCD für die Lichtsammlung verwendet und es ist ein mechanischer Verschluss erforderlich, um ein Verschmieren zu verhindern, wenn die Bilddaten außerhalb des Chips übertragen werden. Dieses Design ist ideal, wenn das meiste Licht gesammelt werden soll und das beste Bild wichtiger ist als Kosten, Zeit und Stromverbrauch. Bei der Interline-Methode wird jede zweite Spalte des CCD verwendet, um Bildladungsdaten schnell mit einer Verschiebung von einem Pixel zu speichern. Auf diese Weise wird ein Verschmieren verhindert und die Notwendigkeit eines mechanischen Verschlusses auf Kosten der Effizienz beseitigt. Alternativ kann das Bildübertragungsverfahren mit einem akzeptablen Ausmaß an Verschmieren und ohne mechanischen Verschluss implementiert werden. Bei der Bildübertragung wird die Hälfte des CCD zum Speichern und Abrufen von Ladungen verwendet, während die andere Hälfte ein neues Bild ansammelt. Daher ist die doppelte Menge an Silizium erforderlich, um ein Bild mit derselben Größe zu verarbeiten.
Spezialisierte CCD-Kameras werden in der Astronomie eingesetzt, da sie für Lichtwellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot empfindlich sind. Sie sind in der Tat so empfindlich, dass viele zusätzliche Schritte unternommen werden müssen, um das Ausmaß des bildverzerrenden "Rauschens" zu verringern, einschließlich des Abkühlens des CCD auf Temperaturen mit flüssigem Stickstoff. Mit dem richtigen Maß an Kompensation und Bildverarbeitung ist die Astrofotografie in Sternwartenqualität für ernsthafte, engagierte Amateure mit CCD-Kameraausrüstung zugänglich geworden.