Diesjähriger Physik-Nobelpreis für die “Herren des Lichts”
Die Oberfläche eines CCDs, eine Siliziumplatte, besteht aus Millionen von lichtempfindlichen Photozellen, auch Pixel (picture elements) genannt, die schachbrettartig horizontal in Reihen und vertikal in Spalten angeordnet sind. Trifft ein Photon auf die Fläche eines Pixels, werden über den Photoeffekt Elektronen aus den Zellen herausgeschlagen, und je mehr Licht einfällt, desto größer ist die Zahl der herausgelösten Elektronen, die sich anschließend in den Zellen ansammeln und dort gespeichert werden.
Die Zahl der in den verschiedenen Pixeln angehäuften Elektronen ist direkt proportional zur Lichtintensität an einem Pixel. Also entspricht die Ladungsverteilung in den Pixeln einer analogen Darstellung des Bilds.
Durch Anlegen einer Spannung können die Inhalte der Pixel nach und nach ausgelesen werden. Reihe für Reihe werden die angehäuften Ladungen verschoben.
Zur Veranschaulichung dieses Vorgangs wird oft das Beispiel einer „Eimerkette“ herangezogen, wozu man sich jedes Pixel auf dem CCD-Chip als einen Eimer vorstellt, der mit einer bestimmten Menge Wasser gefüllt ist. Wird der CCD ausgelesen, wird das Wasser von der jeweiligen Eimerreihe in die benachbarte Reihe entleert.
Am Ende der Kette wird die pro Eimer ankommende Elektronenmenge gemessen und in einen binären Zahlenwert, eine digitale 0 oder 1, umgewandelt.
So lässt sich der Reihe nach die Ladungsmenge in sämtlichen Zellen des CCDs ermitteln, speichern und daraus ein Digitalbild erzeugen.
Das erzeugte Bild ist zunächst schwarz-weiss. Durch die Verwendung von verschiedenen Filtern, die über den Photozellen angebracht sind, erhält man dann ein digitales Farbfoto.
Bereits ein Jahr, nachdem Boyle und Smith den CCD-Chip erfunden hatten, entwickelten die beiden Physiker bereits die erste Videokamera mit einem CCD-Chip.
1972 konstruierte die amerikanische Firma Fairchild den ersten digitalen Bildsensor mit 100 x 100 Pixeln, und 1974, nur fünf Jahre nachdem der CCD das Licht der Welt erblickt hatte, wurden bereits die ersten Digitalbilder mit einer Kamera auf dem Mond aufgenommen, die ersten astronomischen Bilder, die jemals mit einer Digitalkamera aufgenommen wurden. Danach dauerte es jedoch weitere 7 Jahre, bis 1981 die erste Kamera mit eingebautem CCD-Chip auf den Markt kam.
Mitte der 1990er Jahre kamen schließlich die ersten kommerziellen vollständig digitalisierten Kameras auf den Markt, die heute zu einem wichtigen Bestandteil unseres Lebens geworden sind.
Heute findet man CCDs nicht nur in digitalen Kameras, die CCD-Technologie wird in vielen Bereichen der Gesellschaft und Wissenschaft angewandt.
Aus vielen medizinischen Anwendungen, um etwa das Innere des menschlichen Körpers abzubilden, sind sie nicht mehr wegzudenken.
In der Wissenschaft sind die CCD-Technologie und die digitale Fotographie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in vielen Forschungsbereichen geworden.
Auch die Königsdisziplin aller Anwendungen der Bildgebung, die Astronomie, hat der CCD-Chip revolutioniert. Das Hubble-Weltraumteleskop ist mit mehreren CCD-Kameras ausgestattet. Ohne die Erfindung des CCDs würden wir die kristallklaren Bilder aus den Weiten des Kosmos, die uns das Teleskop zur Erde sendet, schmerzlich vermissen.