CCDs Prinzip, Arbeitsweise und Ausführungen
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Charge Coupled Devices (CCDs) Prinzip, Arbeitsweise und Ausführungen

SDE

1. Einführung

Eine solche CCD wird hier mit einem Beispiel aus der vorherigen Generation der elektronischen Lichtsensoren, einer SEC Vidicon-Röhre, verglichen. Solche CCDs von verschiedenen Größen (etwa 1 x 1 cm bis 12 x 9 cm lichtempfindliche Fläche) sind in einer kleinen Ausstellung im ESO-Labor zu sehen.

Die CCD ist nicht nur viel kompakter und weitaus empfindlicher als frühere Lichtaufnehmer (z.B.: Vidicon-Röhren), sondern hat noch andere Vorteile, wie zum Beispiel ein lineares Lichtansprechvermögen und geometrische Beständigkeit (Stabilität). Im Gegensatz zu den Vidicon-Röhren ist keine elektromagnetische Ablenkeinheit nötig.

2. Prinzipielle Arbeitsweise

1. Licht (Photonen) wird auf der Siliziumoberfläche in elektrische Ladung (Elektronen) umgewandelt und ortsfest in der CCD gespeichert:

   Das auf der CCD ankommende Licht wird von den Siliziumatomen, aus denen die CCD hergestellt wurde, absorbiert, wobei im Durchschnitt nach dem Auftreffen von etwa zwei Lichtteilchen (Photonen) ein Elektron frei wird. Diese negativ geladenen Teilchen (Elektronen) werden dann in sog. Potentialwällen bzw. in sog. Pixeln auf der CCD angesammelt. Pixel sind nichts anderes als Bildpunkte, z.B. eines Fernsehbildes. Die Potentialwälle werden von einer Reihe von senkrechten Ladungsbarrieren ("Implantate") und von waagerechten durchsichtigen Elektroden, welche über die Oberfläche einer CCD gelegt sind, erzeugt.
   

   Wenn geeignete Spannungen an diese Elektroden angelegt sind, dann werden die Elektronen daran gehindert, sich von ihrem Entstehungsort wegzubewegen. Deshalb wird aus dem optischen Bild, welches auf der CCD wie auf dem Film eines Photoapparates abgebildet wird, nun ein elektronisches Gegenstück hervorgerufen.

   Wenn die CCD zusätzlich noch auf etwa - 130° C abgekühlt wird, dann können die Elektronen auf diese Weise viele Stunden lang angesammelt werden. Bei Zimmertemperatur würde die CCD schon nach wenigen Sekunden durch thermisch erzeugte Elektronen "über- oder vollaufen".

2. Ladungspakete werden verschoben, ohne sich gegenseitig zu vermischen:

   Das elektronische Bild in Form von Elektronenansammlungen in den Pixeln der CCD kann nun "ausgelesen" werden, indem man die Spannungen der waagerecht liegenden Elektoden in einer cyclischen(kreisförmigen) Weise nacheinander so verändert, daß alle einzelnen Ladungspakete nach unten bewegt werden (siehe Abbildung). Man bewegt jeweils Reihe für Reihe zusammen, wie die Kolonnen marschierender Soldaten. Sobald eine Reihe unten an der CCD ankommt, wird sie in ein Ausgaberegister übergeführt. Dort können die einzelnen Ladungspakete dieser einen Reihe einzeln durch den Ausgangsverstärker geschickt werden. Jedes Ladungspaket ergibt später in der Elektronik eine Zahl, die exakt seiner Größe entspricht (0 - 62.300). Aus diesen Zahlen wird nun wiederum ein Bild auf dem Fernsehschirm zusammengesetzt.

3. Größenordnungen

   Die CCD, die hier bei der ESO in einer Demonstration gezeigt wird, hat mehr als 200.000 Bildpunkte (Pixel). Die größte heute existierende CCD verfügt über mehr als 60.000.000 Bildpunkte; dies genügt, um eine ganze Seite der Süddeutschen Zeitung aufzulösen. Man könnte also selbst das Kleingedruckte auf einer solchen Aufnahme noch gut erkennen.

   Die besten CCD-Systeme (das sind Elektronikgeräte zum Betreiben einer CCD), die es gegenwärtig gibt, machen es möglich, bei einer Aufnahmezeit von mehreren Stunden eine derartig schwache Lichtquelle aufzuspüren, welche nur etwa alle 5 Minuten ein einziges Photon zu uns sendet. Dies entspricht etwa einem extrem weit entfernten Stern oder einem Sternsystem am Rande des uns sichtbaren Universums.

3. Vorführung

Der in dieser Demonstration benutzte Lichtpegel ist um ein vielfaches heller als jener Pegel, der bei astronomischen Beobachtungen vorkommt. Das hier vor der CCD angeschlossene Objektiv hat einen Durchmesser von nur 4 cm, und die Belichtungszeit beträgt ungefähr 1 Sekunde.

Wenn stattdessen beim VLT (Very Large Telescope = sehr größes Teleskop), eine Belichtungszeit von 2 Stunden veranschlagt wird, kann die gleiche Bildqualität (-güte) erreicht werden, allerdings bei einem Sternenabbild, welches etwa 1 Million mal schwächer ist als jenes, was man in der hier beschriebenen Demonstration sieht.

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Optical Detector Team

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