Samstag, 24.10.2020
 
Seit 11:05 Uhr Gesichter Europas
StartseiteForschung aktuellWie ein CCD-Sensor funktioniert06.10.2009

Wie ein CCD-Sensor funktioniert

Die Geschichte beginnt - man könnte sagen, mal wieder - mit Albert Einstein. 1905 beschrieb er ein neues physikalisches Phänomen, den fotoelektrischen Effekt: Wenn Licht auf eine Metalloberfläche trifft, kann es unter bestimmten Bedingungen Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Für diese Erkenntnis erhielt Einstein 1921 den Physik-Nobelpreis - und sie war auch der Ausgangspunkt für Willard Boyle und George Smith.

Von Frank Grotelüschen

Mit ihrem CCD-Sensor legten Boyle und Smith die Grundlagen von die Fotografie von heute - wenngleich heutige  Digitalkameras etwas andere Sensoren verwenden. (AP)
Mit ihrem CCD-Sensor legten Boyle und Smith die Grundlagen von die Fotografie von heute - wenngleich heutige Digitalkameras etwas andere Sensoren verwenden. (AP)

Es war im September 1969, da hatten sich die beiden Physiker der Bell Labs zu einem Brainstorming zusammengefunden. Die Frage lautete: Wie ließe sich mit Hilfe des fotoelektrischen Effekts eine neue Art von Speicherchip konstruieren - ein Speicher für die damals noch junge Digitaltechnik? Dass man mit der Technik vielleicht auch Bilder aufnehmen könnte - das hatten Boyle und Smith damals noch gar nicht im Sinn.

Als Ausgangsstoff für ihren Sensor verwendeten sie Silizium, das Standardmaterial der Digitaltechnik. Denn auch Silizium zeigt den fotoelektrischen Effekt: Fällt Licht drauf, werden Elektronen, die zuvor fest im Silizium gebunden waren, zu Elektronen, die frei im Silizium fließen. Und: Je mehr Licht auf das Silizium fällt, desto mehr Elektronen fangen an zu fließen. Fotozelle, so nennen Fachleute diesen Aufbau - ein Prinzip, das übrigens auch hinter jeder Solarzelle steckt.

Boyle und Smith ließen sich nun zwei entscheidende Tricks einfallen. Zum einen kombinierten sie viele Fotozellen zu einer Art Schachbrettmuster. Damit entstanden Chips zum Beispiel aus 10 mal 10 Feldern, das sind zusammen 100 Felder oder neudeutsch Pixel. Zum anderen ließen sie sich eine Methode einfallen, wie sich diese Pixel auslesen lassen. Grundsätzlich passiert das, indem man eine kleine elektrische Spannung anlegt. Damit nämlich werden die Elektronen, die bei der Bildaufnahme entstanden sind, endgültig aus ihrem Siliziumgefängnis befreit. Boyle und Smith kamen auf die Idee, die Pixel auf ihrem Chip Zeile für Zeile auszulesen - wie sich zeigen sollte eine hocheffektive Methode. Charge Coupled Device, so nannten die beiden US-Physiker ihre Erfindung, kurz CCD.

Nur eine Woche nach dem Brainstorming war ein erster primitiver Prototyp fertig. Schnell merkten Boyle und Smith, dass man mit dem Patent zwar gar nicht so gut Daten speichern, dafür aber um so besser Bilder aufzeichnen kann. Und so bauten sie schon 1970, also nur ein Jahr nach dem entscheidenden Brainstorming, ihren CCD-Chip erstmals in eine Videokamera ein.

Das könnte sie auch interessieren

Entdecken Sie den Deutschlandfunk