T.1. Optische Teleskope

T.1.2.4. CCDs

Im Jahre 1969 brach ein neues Zeitalter der Detektortechnik an. Der kanadische Apollo-Veteran Willard Boyle (*1924) erfand zusammen mit dem US-Amerikaner George Elwood Smith das charge-coupled device (CCD). Dieser ursprünglich als Datenspeicher konzipierte Halbleiterbaustein ist jedoch auch lichtempfindlich und diente bald als Grundlage für einen optischen Sensor. Heute finden sich CCDs fast in jeder Digitalkamera.

a) Arbeitsprinzip eines CCD-Sensors

CCD-Sensoren sind meist aus einem zweidimensionalen Feld von lichtempfindlichen Halbleiterdioden, sogenannten Fotodioden, aufgebaut. Das physikalische Prinzip, nach dem diese und somit auch ein CCD-Sensor arbeiten, ist der innere photoelektrische Effekt.

Vereinfacht gesprochen überträgt einfallendes Licht hierbei seine Energie auf die Elektronen des Halbleiters einer Fotodiode. Aufgrund ihres Aufbaus ist jede einzelne Fotodiode in der Lage, diese Energie während einer Belichtungszeit auch zu speichern.

Wird hierbei die Leerlaufspannung der Fotodiode nicht überschritten, ist diese Energie - oder elektrische Ladung - direkt proportional zu der auf sie einfallenden Lichtmenge. Im weiteren Verlauf einer Lichtmessung kann für jede Diode ihre individuelle Ladung einzeln als elektrische Spannung ausgegeben und weiterverarbeitet werden, so dass sich letztlich ein aus vielen Dioden-Einzeldaten zusammengesetztes digitales Bild ergibt.

b) CCDs als Datenspeicher

Figur CCD: CCD-Speicherelement (aus US 3 796 927 A).

Zwei der markantesten Patentschriften zum Thema CCDs mit der ursprünglich angedachten Ausrichtung als Datenspeicher stammen von deren Erfindern aus dem Jahre 1970 und 1973 (US 3 796 927 A, Figur CCD; US 3 792 322 A). In letzter Schrift wird auch der Werdegang von maßgeblichen, aber fallengelassenen Vorläuferanmeldungen dokumentiert.

In der Figur CCD ist eine Draufsicht (oben) und ein Querschnitt (unten) eines CCD-Feldes mit seinen Verschaltungen abgebildet. Schematisiert betrachtet setzt sich dieses CCD-Element u.a. aus einer keramischen Stützstruktur (20), dem Siliziumchip (19), der von Oxidschichten (21) geschützt wird, und einer Vielzahl von Leiterbahnen (z.B. 25, 39-42, 50-52) zusammen, die die Registrierung, Speicherung und das Auslesen von Ladungen bewerkstelligen.

c) Einsatzbereich der CCDs in der Astronomie

Figur CAS: 2D-CCD-Sensor (5) im Strahlengang eines Teleskops (aus US 4 136 954 A).

CCD-Felder werden aktuell in Zeilenform v.a. für die Astro-Spektrografie und als zweidimensionale Flächen oft für die bildhafte Darstellung eines Himmelsareals verwendet. Bereits 1976 wurde in US 4 136 954 A der auch heute noch übliche Aufbau eines Bildsensors für ein astronomisches Spiegelteleskop patentiert (Figur CAS): Über ein Reflektorsystem (1-4) wird das einfallende Licht direkt auf das CCD-Feld (5) gelenkt und die dort registrierte Lichtmenge nach Vorgabe ausgewertet (7,8).

Der Einsatzbereich von CCDs ist nicht auf den optischen Wellenlängenbereich beschränkt. CCDs sind je nach verwendeten Halbleitermaterialien und aufgrund baulicher Anpassungen in der Lage, auch Photonen aus dem nahen Infrarot, dem Ultravioletten oder dem Röntgenbereich zu detektieren (z.B. US 5 159 199 A, US 5 365 092 A).

Zusätzlich sind sie fähig, in den verschiedensten Spektralbereichen gleichzeitig sehr energieschwache und sehr energiereiche Areale aufzuzeichnen. Diese Vorteile führten zusammen mit der systembedingten digitalen Datenausgabe dazu, dass CCDs heute in der Astronomie als Detektoren am weitesten verbreitet sind.

Zitierte Patentdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
US 3 796 927 A	1970	Three dimensional charge coupled device
US 3 792 322 A	1973	Buried channel charge coupled device
US 4 136 954 A	1976	Imaging apparatus including spatial-spectral interferometer
US 5 159 199 A	1991	Integrated filter and detector array for spectral imaging
US 5 365 092 A	1996	Frontside illuminated charge-coupled device with high sensitivity to the blue, ultraviolet and soft X-ray spectral range

Ergänzungsdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
US 5 665 959 A	1996	Solid-state image sensor with focal-plane digital photon-counting pixel array
US 5 693 968 A	1996	Bi-directional, fast-timing, charge coupled device
WO 1999 026 419 A1	1999	Optoelectronic camera and method for image formatting the same
WO 2003 081 899 A1	2003	Event-driven charge-coupled device design and applications therefore

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