CCD: Hohe Qualität und Auflösung für Fotos und Videos

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Der Sensor CCD Qualität bessere Auflösung die Revolution für die digitale Fotowelt, dabei war seine Entdeckung, die heute unseren Alltag mitbestimmen, purer Zufall. Auch wen der CCD-Sensor heute in der Mehrzahl unseren digitalen Foto- und Videokameras verbaut ist, diente er ursprünglich einem ganz anderen Zweck.

Wahrscheinlich wäre die Entwicklung der digitalen Fotografie, so wie wir sie heute kenne ohne den lichtempfindlichen Sensor niemals so rasant verlaufen. Der CCD brachte den Durchbruch in Qualität und Auflösung, um die analoge Fotografie abzulösen.

CCD: Woher kommt die gute Qualität und Auflösung

Ein CCD-Sensor schafft eine exzellente Bildqualität. Das beruht auf seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber Licht. Jeder, der sich ein wenig näher mit der Fotografie beschäftigt weiß, das bestimmende Kriterium für eine gute Bildaufnahme ist immer das Licht. Bei gutem Licht wird jede Aufnahme schön. Wird es zu dunkel, fängt die Bildqualität an zu rauschen. Das bedeutet, die Aufnahme wird krisselich und unscharf.

Bei der analogen Fotografie hat man das mit sehr hohen ISO-Werten und besonders lichtempfindlichen Filmen ausgeglichen. Bei der digitalen Fotografie ist der Bildsensor fest verbaut. Man kann ihn nicht einfach wechseln, wenn die Lichtverhältnisse schlecht werden. Er muss als von Haus aus eine gewisse Empfindlichkeit mitbringen. Der CCD schafft das und garantiert Qualität und eine gute Auflösung auch bei schwierigen Lichtverhältnissen.

Video: Wie funktioniert ein CCD Sensor [Compact Physics] – Fast Forward Science 2015

Die Geschichte des CCD-Sensors

1969 wollten Wissenschaftler einen Chip zur Datenspeicherung entwickeln, erkannten aber sehr schnell, dass der Chip lichtempfindlich war. Schnell war der erste CCD-Chip gebaut und bereits 1975 so weit miniaturisiert, dass er in Fernsehkameras verbaut werden konnte. Der CCD bracht die notwendige Qualität und Auflösung, um professionelle Ergebnisse zu erzielen.

1983 wurden CCD-Sensoren bereits in Satelliten und in der Astronomie verwendet. Auch in Faxgeräten, Spectrometern und Scannern kamen sie zum Einsatz.

Heutzutage ist der CCD-Sensor in hochwertigen digitalen Spiegelreflexkameras und Videokameras verbaut. In mobilen Endgeräten findet sich dagegen oft ein CMOS-Sensor. Er ist weitaus stromsparender, allerdings nicht so lichtempfindlich, wie der CCD-Sensor. Die Ingenieure arbeiten allerdings mit Hochdruck daran, den CMOS-Sensor immer besser zu machen, was Ihnen zu großen Teilen auch schon gelungen ist. Daher können moderne CMOS-Sensoren durchaus mit einem CCD in Qualität und Auflösung mithalten.

Für die bahnbrechende Erfindung des CCD erhielten die Wissenschaftler Willard Boyle und George E. Smith den Nobelpreis für Physik, den sie sich mit Charles Kuen Kao teilten. Zusammen mit Michael Tompsett erhielt George Smith 2017 den Queen Elizabeth Prize for Enineering.

CCD: Qualität und hohe Auflösung auch in schwierigen Aufnahmesituationen

Weil der CCD-Sensor so überragende Qualität abliefert, wird er gerne in Geräten verbaut, die unter erschwerten Aufnahmebedingungen zum Einsatz kommen.

CCD-Sensoren im Einsatz bei Flugdrohnen

Ein populäres Beispiel, das sich aktuell einer wachsenden Fangemeinde erfreuen kann, ist die Drohne.

Eine Flugdrohne macht Spaß und ist ein spannendes Hobby. Viele Drohnen sind mit Kameras ausgestattet, die dem Piloten eindrucksvolle Landschaftsaufnahmen aus der Luft ermöglichen.

Auf diese Faktoren sollte man beim Kauf einer Drohne achten:

  • Die sehr gute Auflösung, am besten in 4K HD-Qualität, bei gleichzeitig kleiner Kamera ist besonders wichtig. Die Drohnen fliegen in einiger Höhe zum Boden und haben noch dazu wenig Platz an Bord.
  • Ein Blitz oder Videolicht kann bei einer Drohne keine Anwendung finden, der Sensor muss also lichtstark sein,
  • Jedes Gramm Gewicht zerrt zudem an der Akkukapazität. Gefragt sind Minikameras, die perfekte Qualität abliefern. Genau das kann der CCD-Sensor leisten.

Doch noch mehr Komponenten tragen zu einem perfekten Ergebnis bei. Entscheidend für eine gelungene Aufnahme ist der mechanische optische Bildstabilisator. Er sorgt dafür, dass Fotos nicht verwackelt sind, und Videoaufnahmen nicht ruckeln. Ein digitaler optischer Bildstabilisator sollte zumindest verbaut sein.

CCD-Sensoren in der Überwachungstechnik

Überwachungskameras müssen viel leisten: Schlechtes Licht, ungünstige Winkel oder schnelle Bewegungen sind nur Beispiele dafür, wie anspruchsvoll die Aufnahmesituation sein kann. Es ist also wenig verwunderlich, dass der CCD-Sensor in diesen Kameras häufig verbaut wird.

CCD-Sensoren in der industriellen Anwendung Gerade wenn es um den Ausschluss von Fehlern geht, werden CCD-Sensoren in der Industrie eingesetzt.

CCD-Sensoren in der industriellen Anwendung: Gerade wenn es um den Ausschluss von Fehlern geht, werden CCD-Sensoren in der Industrie eingesetzt.(#01)

CCD-Sensoren in der industriellen Anwendung

Gerade wenn es um den Ausschluss von Fehlern geht, werden CCD-Sensoren in der Industrie eingesetzt. In der End-of-Line Inspektion von Flachbildschirmen ist in erster Linie die Gleichmäßigkeit und gute Bildqualität das, was den CCD-Sensor hier qualifiziert. Es geht darum, bei den hochauflösenden Bildschirmen Pixelfehler zu finden. Das geschieht mittels einer Kamera die Aufnahmen des angeschalteten Bildschirms macht, die anschließend von einem Computer ausgewertet werden.

Eine andere industrielle Anwendung ist die Robotersteuerung. Roboter benötigen zum Sehen Kameras. Je besser diese funktionieren, desto genauer kann der Roboter arbeiten. Um Bewegungen millimetergenau auszuführen, bedarf es einer fehlerfreien Bildaufnahme mit entsprechend hoher Auflösung.

CCD – Qualität und Auflösung: Pixelgröße bei Industriekameras

Bei CCD-Sensoren, die für den Endverbraucher und damit Kameramassenmarkt hergestellt werden, geht der Trend eindeutig zur Miniaturisierung. Typische Consumerkameras mit etwa 8 bis 12 Megapixel besitzen Pixelgrößen von oftmals 1,7 µm. Damit ist die lichtaktive Fläche pro Bildpunkt etwa 3µm2 klein.

Industriekameras mit VGA- bis 2 Megapixel-Auflösung haben dagegen 4,6 bis 6,5 µm große Pixel und so eine 10-15 mal größere lichtaktive Fläche.

Folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Pixelgröße und die daraus resultierende lichtaktive Fläche:

Pixelgröße Pixelfläche
1,7 µm 3 µm
2,2 µm 5 µm
3,5 µm 12 µm
4,6 µm 21 µm
6,5 µm 36 µm
7,0 µm 49 µm
10 µm 100 µm
14 µm 196 µm

 

Generell gilt: Je größer die Pixelfläche, desto rauscharmer und besser werden die Bilder.

Wer sich eine Videokamera oder eine Flugdrohne mit Kamera kauft, der stellt schnell fest, dass die Auflösung der Bildaufnahme mit über den Preis bestimmt.

Wer sich eine Videokamera oder eine Flugdrohne mit Kamera kauft, der stellt schnell fest, dass die Auflösung der Bildaufnahme mit über den Preis bestimmt.(#02)

Die verschiedenen Videoauflösungen erklärt

Wer sich eine Videokamera oder eine Flugdrohne mit Kamera kauft, der stellt schnell fest, dass die Auflösung der Bildaufnahme mit über den Preis bestimmt. Je besser die Kamera auflöst, desto teurer wird sie. Das liegt daran, dass für eine höhere Auflösung auch ein Sensor mit mehr Pixeln verbaut werden muss.

Die Größe des Sensors hat damit allerdings nichts zu tun. Im Gegenteil, ein großer Sensor mit wenigen Pixeln kann unter Umständen sogar ein rauschärmeres und damit qualitativ besseres Bild produzieren, als ein kleiner Sensor mit vielen Pixeln. Die Pixelfläche und somit Lichtempfindlichkeit ist nämlich viel größer.

Trotzdem muss das aufgenommene Bild zum späteren Bildschirm passen, auf dem es wiedergegeben werden soll, sonst entstehen schwarze Balken, da das Bild zu klein ist. Welche Auflösung sollte man also für die Heimanwendung wählen?

Die meisten Menschen wollen ihre Videoaufnahmen auf ihrem Fernseher wiedergeben. Die modernen Geräte besitzen eine Auflösung in HD oder Full-HD. Manche Fernseher könne sogar eine 4K Auflösung, die bis vor Kurzem noch der Kinobranche vorbehalten war.

Hochauflösende Formate: HD, Full-HD, 4K und qHD

Die HD (High Definition) Auflösung besitzt ein Seitenverhältnis von 16:9 und ist damit auf den modernen breiten Bildschirmen ohne Ränder darstellbar. Mit 1280×720 Pixeln ist sie der Nachfolger der SD (Standard Definition) Auflösung, die 720×576 Pixel entspricht und auch PAL genannt wird. Manchmal wird man auch heute noch mit der SD-Auflösung konfrontiert, zum Beispiel wenn man einen Film streamen möchte. Oftmals findet man eine günstigere Kauf-/Leihvariante als SD-Version.

Wer Wert auf Qualität legt, und über eine entsprechend schnelle Internetverbindung verfügt,  greift hierbei jedoch zu HD-Variante. Bei der HD-Auflösung beträgt die Gesamtanzahl der Pixel 921.600 und damit ungefähr 30 Prozent mehr als bei der SD-Auflösung. Auch beim normalen Fernsehen gibt es mittlerweile viele Sender in HD-Qualität. HD-Auflösung entspricht 0,92 Megapixeln.

Besser ist die Full HD-Auflösung mit 1920×1080 Pixeln oder 2,07 Megapixeln. Sie bietet mehr als das Doppelte an Pixeln wie HD. Das Bild auf dem Monitor ist sehr scharf und es macht wirklich viel Freude so ein Video zu betrachten. Einige private Fernsehsender bieten sogar ihr Programm in Full HD an.

Noch relativ jung auf dem Markt sind Fernsehgeräte die eine 4K-Auflösung bieten. Die Pixelanzahl entspricht dabei 4096×2160 oder 8,8 Megapixeln. Diese Auflösung ist eigentlich fürs Kino gedacht, um auf den riesigen Leinwänden ein respektables Bild zu projizieren. Auf einem heimischen Gerät ergibt sich ein Bild, das es wirklich in sich hat. Gestochen scharf entsteht ein absolut realistisches Bild mit Tiefenwirkung, das fast schon einen 3D-Effekt besitzt.

Sowohl Full-HD als auch 4k sind selbstverständlich im Seitenverhätnis 16:9 und für die breiten, gängigen Fernseher geeignet.

Das Videoformat qHD kennen viele von Ihrem High-End-Smartphone. Mit 2560×1440 Pixeln ist ein hochauflösendes Format für viel Freude am späteren Video. Es steht technisch zwischen Full HD und 4K.

Ein etwas älteres aber immer noch in der Videotechnik gebräuchliches Format ist VGA mit 640x480 Pixeln.

Ein etwas älteres aber immer noch in der Videotechnik gebräuchliches Format ist VGA mit 640×480 Pixeln.(#03)

VGA als solides Videoformat

Ein etwas älteres aber immer noch in der Videotechnik gebräuchliches Format ist VGA mit 640×480 Pixeln. Das Seitenverhältnis ist hier 4:3. Dieses Format findet man sehr oft bei kleineren Kameras, Überwachungskameras oder Flugdrohnen, die mit einem Bildsensor ausgestattet sind. Der Vorteil ist hier die gute Qualität, die durch die wenigen Bildpunkte erreicht wird. Allerdings ist auch das Bild, auf einem hochauflösenden Fernseher dargestellt, dann kleiner.

Die unterschiedlichen Videoformate im Überblick

Bezeichnung Auflösung Megapixel Seitenverhältnis
VGA 640×480 0,3 4:3
SD 720×576 0,4 5:4
HD 1280×720 0,92 16:9
Full-HD 1920×1080 2,07 16:9
qHD 2560×1440 3,7 16:9
4K 4096×2160 8,8 16:9

Fazit: CCD-Sensor bringt eine perfekte Qualität bei unterschiedlicher Auflösung

Wer sich eine Kamera kaufen möchte, der macht mit einem CCD-Sensor mit Sicherheit nichts falsch. Der Sensor besticht durch sein sehr gutes Verhalten auch bei schwachen Lichtverhältnissen. Für ihn spricht auch, dass er immer noch führend ist in der industriellen Anwendung, beispielsweise wenn es darum geht, bei der Qualitätssicherung Fehler zu finden.

Der günstigere CMOS-Sensor holt aber rasant auf. Einige Modelle liefern bereits eine vergleichbare Leistung ab, wie ein CCD. Durch den wesentlich niedrigeren Energieverbrauch haben diese High-Tech CMOS-Sensoren dann die Nase vorn, wenn es um den energiekritischen Einsatz geht.

In mobilen Endgeräten, Flugdrohnen, akkubetriebenen Überwachungskameras oder Tablets sollte der Verbraucher gut abwägen, auf welche Technologie er setzt. Der CCD bringt garantiert gute Ergebnisse, der CMOS sollte unbedingt den modernsten Standards entsprechen.


Bildnachweis:©Shutterstock-Titelbild: Andrea Danti -#01: 25krunya -#02: _science photo -#03: Vitalii Petrushenko

About Author

Marius Beilhammer

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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