2.3 Auslesevorgang und Digitalisierung

Abbildung 5:
Modellhafte Beschreibung des Auslesevorgangs einer CCD-Kamera – durch pixelweises Verschieben der Ladungen ins serielle Register wird Zeile für Zeile des Chips ausgelesen.

Ist die Belichtung beendet, erfolgt das Auslesen der Ladungspakete. Die gespeicherten Elektronen werden dazu mittels Potentialänderungen an benachbarten Elektroden von einem zum nächsten Pixel verschoben. Jede Elektrode des Chips ist einzeln ansteuerbar. Der Auslesevorgang ist mit dem Arbeitsprinzip eines Schieberegisters vergleichbar; modellhaft könnte man sich das Prinzip des Auslesevorgangs wie in Abbildung 5 vorstellen. Die gespeicherten Ladungen werden pixelweise zum Rand des CCD-Chips in das serielle Register verschoben und nach einer Signalverstärkung vom Analog-Digital-Konverter (ADC) in elektrische Signale umgewandelt, die vom Computer verarbeitet werden können. Sobald eine komplette Zeile umgewandelt worden ist, werden die Ladungen wieder um ein Bildelement weiter geschoben, so dass eine weitere Zeile ins serielle Register gelangt und ausgelesen werden kann.

Physikalisch wird der Ladungstransport in Form eines Zwei-, Drei-, oder Vier-Phasen-Transfers realisiert; wobei sich jeweils ebenso viele Elektroden auf jedem Pixel befinden. Für das Entstehen einer Potentialmulde wird zwar nur eine Elektrode benötigt - für die Ladungsverschiebung müssen allerdings mehrere Elektroden auf dem Pixel angebracht sein (vgl. Abbildung 4). Das Prinzip bleibt das gleiche – die Notwendigkeit von mehreren Elektroden für das Verschieben der Ladungen soll im folgenden am Drei-Phasen-Transfer erklärt werden:

Auf jedem Pixel sind drei Elektroden angebracht; diese werden getrennt über Taktimpulse eines Oszillators gesteuert. Solange Licht auf die Pixel fällt, werden die dadurch freigesetzten Elektronen in der Potentialmulde gesammelt. Dazu darf während der Belichtung nur an der mittleren der drei Elektroden jedes Pixels eine positive Spannung anliegen – sonst wäre keine Trennung der Ladungspakete möglich. Legt man nun nacheinander an benachbarten Elektroden eine positive Spannung an, folgen die Elektronen dieser nach.

Am besten verdeutlicht man sich den Drei-Phasen-Transfer an Abbildung 6: Zunächst wird an einer benachbarten der mittleren Elektrode eine positive Spannung angelegt – die Potentialmulde wird größer, die Elektronen verteilen sich darin. Dann wird die Spannung an der mittleren Elektrode abgeschaltet – die Elektronen sammeln sich nun unter der benachbarten Elektrode, an der noch eine positive Spannung anliegt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis alle Ladungen der einzelnen Pixel das serielle Register am Rand des CCD-Chips erreicht haben.

Abbildung 6:
Schema des Drei-Phasen-Transfers.

Nach erfolgtem Auslesen der gesamten CCD-Matrix ist jedem Pixel ein Zahlenwert zugeordnet, der im Computer mit der geometrischen Position des Pixels verknüpft in einer Bilddatei abgespeichert wird. Dieser Zahlenwert kennzeichnet die Menge des Lichts, welche auf das Pixel eingefallen ist. Je nach Auflösungsbereich des A-D-Wandlers sind hier verschieden viele quantitative Abstufungen bzw. Graustufen möglich. Der Wert 0 (= weiß) entspricht dabei keiner vorhandenen Ladung, der größtmögliche Wert (= schwarz) der maximal möglichen Ladung eines Pixels. Ein 16bit AD-Wandler unterscheidet beispielsweise 2¹⁶ = 65536 Graustufen. So erhält man ein negatives Bild, welches invertiert wird, um optisch zu einem positiven Bild zu gelangen. Der Auflösungsbereich des menschlichen Auges ist jedoch bei weitem geringer als der eines AD-Wandlers. 256 Graustufen sind bei einem Standardmonitor mit normaler Leuchtkraft bei Umgebungslicht völlig ausreichend. Das Bild wird deshalb für die optische Betrachtung auf einen niedrigeren Dynamikbereich umgerechnet und entsprechend skaliert.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit des CCD-Chips können mehrere Pixel zu größeren Bildelementen zusammengefasst werden. Dieses Zusammenfassen von Pixeln wird als Pixel-Binning bezeichnet. Das Bild verliert damit jedoch an Auflösung.