Hardware

Für ein genaues Verständnis der Funktionsweise eines technischen Gerätes empfiehlt es sich, den Aufbau des Gerätes zu kennen. Ich möchte daher zuerst auf die Technik eingehen, wie mithilfe des CCD-Chips Licht in elektrische Signale umgesetzt wird und wie diese wiederum zu einem digitalen Bild zusammengesetzt werden.
Die Abkürzung CCD kommt aus dem Englischen und heisst charge-coupled device (etwa: ,,Ladungsgebundenes Gerät``). Der CCD-Chip ist also gewissermaßen die ,,Schnittstelle`` zwischen optischem und elektrischem Bildsignal.

Abbildung 2: Ein typischer CCD-Chip (hier ein Kodak KAF-0400)

In einem CCD-Chip wird der von Einstein im Jahre 1905 erklärte fotoelektrische Effekt [7, S.1199ff] genutzt, bei dem Photonen Elektronen aus Metallen ausschlagen und so eine Spannung induziert wird. Im CCD-Chip wird für eine vom Benutzer gewählte Zeit der sog. Shutter (entspricht dem Verschluss bei einer herkömmlichen Spiegelreflexkamera) geöffnet und Licht fällt auf den CCD-Chip. In dieser Zeit baut sich eine Spannung analog zur Anzahl der eingestrahlten Photonen auf, wobei CCD-Chips eine im Vergleich zum menschlichen Auge verschobene Farb-Empfindlichkeit besitzen (siehe Abb. 3): während sie im kurzwelligen blauen Bereich weniger empfindlich sind, können sie längerwelliges Licht sogar noch bis in den nahen Infrarot-Bereich messen, für den das menschliche Auge nicht empfindlich ist.

Abbildung 3: Die Quantenausbeute eines CCD-Chips in Abhängigkeit von der Wellenlänge

Nach der Belichtung werden die induzierten Spannungen der einzelnen Pixel durch einen komplizierten Auslesemechanismus [8, S.32ff] an einen Signalprozessor weitergegeben, der diese in Helligkeitswerte umrechnet. Grob gesprochen werden die Ladungen, die sich aufgrund des Fotoeffekts in den einzelnen Bildelementen aufgebaut haben, pixelweise an den Rand verschoben und dort nach einer Signalverstärkung vom Analog-Digital-Konverter (ADC) in elektrische Signale umgewandelt, die vom Computer verarbeitet werden können. Sobald eine Zeile so umgewandelt ist, werden die Ladungen wieder um ein Bildelement weiter geschoben, so dass eine weitere Zeile ausgelesen werden kann. Die Genauigkeit der Umrechnung im ADC wird in Bit (siehe 2.2.2) angegeben.

Abbildung 4: Diese bildhafte Darstellung beschreibt den Auslesemechanismus eines CCD-Chips.

Da der CCD-Chip im Infrarotbereich sehr empfindlich ist, muss der CCD-Kopf stets gut gekühlt werden, damit wenig Dunkelrauschen auftritt (siehe dazu 3.4). Die Kühlung wird mithilfe thermoelektrischer Kühlelemente (sog. Peltier-Elemente) erreicht. Dabei wird der Dunkelstrom in etwa pro 7° Temperaturrückgang halbiert.