CCD bei der Digitalkamera: Qualität der Auflösung
Die Fotografie besitzt viele faszinierende Aspekte. Der grundlegendste ist das Festhalten eines singulären Moments. Wenn es sein muss, für die Ewigkeit. Möglich macht das Verfahren der Bildsensor, der das zentrale Modul einer Digitalkamera ist.
Ähnlich wie die Netzhaut beim Menschen, reagiert der Sensor auf den Einfall von Licht. Während der menschliche Organismus das Licht in Nervenimpulse umwandelt, absorbiert der Sensor der Digitalkamera das einfallende Licht und verwandelt es in ein elektrisches Signal. Aus den Impulsen des Signals entsteht schließlich ein digitales Bild.
Der CCD-Sensor als zentraler Bestandteil für die Qualität der Auflösung
Es existieren diverse Arten von Bildsensoren. Unter anderem der CCD-Sensor, wobei CCD aus dem Englischen stammt und für „charge-coupled device“ steht. Übersetzt bedeutet CCD so viel wie „ladungsgekoppeltes Bauteil“. Es handelt sich konkret um ein lichtempfindliches Element der Kamera. Allerdings wurden CCDs ursprünglich für die Datenspeicherung entwickelt. Als die Konstrukteure merkten, dass das Element enorm lichtempfindlich ist, begann man mit der Herstellung zweidimensionaler Fotos.
Die ersten CCD-Sensoren für Kameras wurden bereits Mitte der 1970er-Jahre verbaut. Und zwar in TV-Kameras, da die Sensoren seinerzeit eine Miniaturisierung erfahren hatten. Die kleinen Applikatoren ließen sich mühelos verbauen und zur Not schnell ersetzen. Daher war ihr Gebrauch in Fax-Geräten, Scannern und Spektrometern nur eine Frage der Zeit. Es folgten Videokameras und Fotokameras, die durch den Einsatz von CCDs einer Revolution unterlagen.
Die digitale Technologie veränderte das Fotografieren radikal und machte es in vielen Bereichen leichter, denn das Belichten eines Films war nunmehr überflüssig. Für die Erfindung, die schneller, besser und hochwertiger war, erhielten George Smith und Willard Boyle im Jahr 2009 den Nobelpreis für Physik.
Die Funktionsweise im Detail
Ein CCD-Bildsensor besteht aus einer Reihe von lichtempfindlichen Fotodioden, auch Pixel genannt. Sie sind entweder quadratisch, rechteckig oder polygonal angeordnet. Je größer die Fläche des Sensors ist, desto größer die Lichtempfindlichkeit. Zugleich verkleinert sich die Auflösung des Bildes. Ein CCD-Sensor überträgt die Ladung eines jeden Pixels durch das Sensorgitter hindurch.
Ausgelesen werden die Daten vollautomatisch. Das Ergebnis ist ein hohes Maß an bildlicher Qualität. Ganz einfach, weil jedes Pixel denselben Weg zur Übergabe seines Signals wählt. Dies machte sich der Hersteller Canon zunutze, als man im Jahr 2001 die EOS-1D auf den Markt brachte. Die erste professionelle Digitalkamera enthielt einen CCD-Sensor mit einer Größe von 4,15 MP. Während die Geräte zur damaligen Zeit noch relativ stromintensiv waren, ist ihr Energieverbrauch inzwischen spürbar gesunken.
CCD vs CMOS
Das Abflachen des Energieverbrauchs hängt im Wesentlichen mit einem Wechsel der Sensorentechnik zusammen, denn ab Mitte der 2000er-Jahre begannen die Produzenten damit, die CCD-Module durch CMOS-Sensoren zu ersetzen. Letztere sehen sich heutzutage in etlichen Smartphones verbaut. Obwohl technisch ausgereift, möchten zahlreiche Fotografinnen und Fotografen nicht mit CMOS arbeiten und halten nach wie vor am CCD-Sensor und seinen Eigenschaften fest.
Eine dieser Eigenschaften ist der eher filmische Charakter der CCD-Bilder. Im Gegensatz dazu, spricht man CMOS-Sensoren nicht selten einen Hang zum klinischen, aseptischen Foto zu. Jedoch sind diese Eindrücke subjektiv und daher nicht zu verallgemeinern. Die Differenzen könnten indes durch die Art und Weise zustande kommen, wie der Sensor die Daten (aus)liest und in ein Digitalsignal verwandelt.
Der Verschmierungseffekt
Nimmt der CCD-Sensor ein Foto auf, überträgt sich die Ladung entlang einer Pixelreihe sowie einer Reihe von Kondensatoren. Erreicht die Ladung den Rand des Sensors, erfolgt eine prompte Auslesung der Daten. Enthält das Foto eine überhelle Quelle, kann das Auslesen der Ladung nicht vollständig abgeschlossen werden. In der Folge weist das fertige Foto eine Ansammlung heller Striche auf. Man spricht auch von „Smearing“ (Verschmieren). Nicht so bei einem CMOS-Sensor. Hier wird jedes Pixel singulär gelesen und nicht entlang von Zeilen übertragen. Daher erfolgt der Prozess schneller und mindert die Gefahr einer fehlerhaften Übertragung der Ladung. In der Folge kommt es seltener zu einem Verschmierungseffekt.
CCDs in vielen Bereichen vorn
Sind die CCDs beim Smearing im Nachteil, gebührt ihnen sowohl beim Rolling-Shutter-Effekt wie beim Bildrauschen die Vorteilsposition. Von einem Rolling-Shutter-Effekt spricht man, wenn in Folge mobiler Motive Verzerrungen entstehen. Da ein CCD-Sensor im Gegensatz zum CMOS eine Software verwendet, die den gesamten Sensor durchgängig belichtet, verringert sich das Ausmaß der Verzerrung. Auch beim sogenannten Bildrauschen liegen die CCDs vorn.
Unterbelichtete Bilder erscheinen hier organischer und angenehmer. Die CMOS-Variante weist hingegen ein prägnantes Rauschmuster auf. Ein ähnliches Schema offenbart sich bei einer Überbelichtung. Die CCDs kommen mit dem Ausgleich unsauberer Aufnahmen besser zurecht als ihre modernen Verwandten.
Die Qualität der Auflösung
Die Auflösung einer Digitalkamera mit CCD-Modul entspricht der Anzahl der Pixel auf dem Sensor. Zugleich ist die Pixelgröße im Verhältnis zum aufgenommenen Foto entscheidend. Angegeben wird die Größe zumeist in Megapixeln, da heutzutage mehrere Millionen Pixel die Regel sind. Ein Megapixel entspricht einer Million Pixel. Die ersten Kameras mit CCD-Sensor verfügten über 2 bis 4 Megapixel. Inzwischen ist die Auflösung bei 25 bis 30 Megapixeln angekommen. In Ausnahmefällen erreicht sie zwischen 40 und 50 Megapixel. Die Qualität der Auflösung einer Kamera mit CCD-Verfahren hängt wesentlich von Pixelanzahl und Pixelgröße ab. Zudem ist ein geringes Bildrauschen von hoher Bedeutung.