Netzwelt-Wissen: Bildsensoren

Digitalkamerasensoren von CCD bis CMOS

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von Dennis Imhäuser
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Der Bildsensor ist das Herzstück jeder Digitalkamera. Die Hersteller verbauen fast ausschließlich zwei Arten von Sensoren: An der inzwischen mit einem Nobelpreis gewürdigten CCD-Technologie führte lange Zeit kein Weg vorbei. Doch auch die als Billigvariante gestartete CMOS-Technik haben Forscher und Ingenieure weiterentwickelt, sodass sie heute bei hochwertigen System- und Spiegelreflexkameras oder Kompaktkameras zum Standard gehören.

CCD-Sensoren von Sony.
CCD-Sensoren von Sony. (Quelle: Screenshot/Sony)

CCD-Sensor: vom Urgestein zum Außenseiter

Den Grundstein für die CCD-Bildsensoren legten Willard Boyle und George E. Smith bereits im Jahr 1969. Hierfür zeichnete das Nobelpreiskomitee sie im Oktober 2009 mit dem Nobelpreis für Physik aus. Die von ihnen entwickelte Technik der "Charge-coupled Device" (CCD) wollten sie eigentlich zur Datenspeicherung nutzen. Schnell bemerkten sie aber, dass die ladungsgekoppelten Bauteile lichtempfindlich sind und ein Signal proportional zur eingestrahlten Lichtmenge ausgeben. Diese Signale verarbeiten Bildprozessoren weiter und speichern sie zum Beispiel als Bilddatei ab.

Bereits 1975 wurden die ersten CCD-Sensoren in Serie hergestellt. Für die digitale Fotografie müssen die CCD-Sensoren mit Farbfiltern versehen werden, da sie ansonsten nur Grauwerte aufnehmen. In den meisten Digitalkameras kommt der sogenannte "Bayer-Sensor" zum Einsatz, bei dem zwei von vier Pixel mit einem Grünfilter und die anderen beiden Bildpunkte mit je einem roten oder blauen Filter versehen werden.

Fujifilm SuperCCD-Sensoren

Fujifilm baute von 2004 bis 2011 in einige seiner Digitalkameras sogenannte "Super-CCD"-Sensoren ein. Dabei handelte es sich um eine CCD-Weiterentwicklung des japanischen Unternehmens, bei dem die Pixel achteckig und nicht rund sind. Dadurch passen mehr Pixel auf die gleiche Sensorfläche, wodurch die Farben der Bilder intensiver wirken. Für die Sensoren entwickelte Fujifilm eine angepasste Farb-Pattern vor dem Sensor. Bis heute verwendet der Kamerahersteller angepasste Pattern abweichend von der Bayer-Pattern der meisten Bildsensoren.

CMOS-Sensor: vom Billigsensor zur Spitzentechnik

Die Abkürzung CMOS steht für "Complementary Metal Oxide Semiconductor" und bezeichnet, ins Deutsche übersetzt, einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter. Bildsensoren, die auf dieser Technik basieren, unterscheiden sich von CCD-Sensoren vor allem dadurch, dass jeder Pixel einzeln und schneller ausgelesen wird. Hierdurch erreichen CMOS-Sensoren eine höhere Bildrate, die unter anderem eine schnellere Vorschaufunktion zu Folge hat.

In den 1970er- und 1980er-Jahren waren CMOS-Sensoren trotz einiger Vorteile nicht mit CCD-Sensoren konkurrenzfähig, da sie Anfangs bei gleicher Sensorfläche weniger lichtempfindlich waren. Aus diesem Grund fanden CMOS-Sensoren lange Zeit nur in günstigen Geräten Verwendung. Durch die Weiterentwicklung der CMOS-Technik sind die genannten Nachteile gegenüber CCD-Sensoren inzwischen obsolet. CMOS-Sensoren genießen heute einen guten Ruf und werden in allen Kameratypen, vom Smartphone bis hin zur Mittelformat-Kamera, verbaut.

Ein CMOS-Sensor in der Größe eines 35mm-Kleinbildfilms.
Ein CMOS-Sensor in der Größe eines 35mm-Kleinbildfilms.

CMOS-Sensoren sind günstiger herzustellen als ihre CCD-Pendants. Zudem verbrauchen CMOS-Sensoren deutlich weniger Strom, was bei mobilen Geräten wie Digitalkameras von Vorteil ist. Zudem tritt bei CMOS-Sensoren nur ein sehr begrenzter Blooming-Effekt auf. Dies bedeutet, dass überbelichtete Bildstellen umliegende Bereiche weit weniger überdecken, da nicht wie bei einem CCD-Sensor überschüssiges Licht an den Nachbarpixel weitergegeben wird.

Je nach Betrachtungsweise zählt es zu den Vor- oder Nachteilen der CMOS-Sensoren, dass sich die Bauteile für Belichtungskontrolle, Kontrastkorrektur oder Analog-Digital-Wandlung auf einem Chip befinden. Das eigentliche Sensorbauteil ist dadurch größer als ein vergleichbarer CCD-Sensor, Letzterer benötigt aber durch die externen Elemente mehr Platz.

Rückwärtig beleuchtete Sensoren (BSI)

BSI-Sensoren beschreiben eine besondere Bauform von Bildsensoren. Es gibt rückwärtig beleuchtete CMOS- und CCD-Sensoren. Sie werden derzeit (2014) bevorzugt in Smartphones oder auch Kompaktkameras verbaut. Sony bezeichnet die Sensoren als Exmor-R - im iPhone 5s und im Nokia 920 sind beispielsweise BSI-Sensoren verbaut.

Bei BSI-Sensoren (back side illuminated) sind die Sensorzellen über der Elektronik angebracht. Die Zellen sind auf der Rückseite frei und dadurch können Microlinsen und Filter direkt auf der lichtempfindlichen Siliziumschicht angebracht werden. Die Elektronik wandert unter die Sensorfläche. Das Verfahren wurde 2008 entwickelt und ist aufwendiger und teurer als die Herstellung von FSI-Sensoren (front side illuminated), wie sie in den meisten Digitalkameras noch immer verbaut werden.

Die Unterschiede zwischen BSI- und FSI-Bildsensoren.
Die Unterschiede zwischen BSI- und FSI-Bildsensoren. (Quelle: Sony.com)

Konstruktionsbedingt bieten BSI-Sensoren eine größere Fläche für Megapixel als FSI-Sensoren. Das ermöglicht Sensoren mit 16 und mehr Megapixeln auf einem 1/2,3 Zoll großen Chip. Mithilfe von BSI-Sensoren können auch hochauflösende Digitalkameras in Smartphones und Kompaktkameras verwirklicht werden.

Lichtempfindlicher sind die Sensoren jedoch nicht. In der Praxis zeigt sich kein Unterschied zwischen einem FSI-CMOS oder einem BSI-CMOS, auch wenn dies 2008 Marketing-technisch versprochen wurde. Jedoch können durch den größeren Einfallswinkel des Lichts kleinere Objektive verwirklicht werden, was zu einer Entwicklung hin zu schlanken Kompaktkameras und Smartphones geführt hat.

Fujifilm X-Trans-Sensoren

Das menschliche Auge kann die Farbe Grün differenzierter wahrnehmen als Rot und Blau. Fujifilm macht sich diese menschliche Eigenschaft zu Nutze und verbaut in manchen Kompakt- und Systemkameras den X-Trans-Sensor. Dieser zeichnet sich durch eine angepasste Pattern vor den Fotodioden aus. Damit will der japanische Hersteller den Dynamikumfang der Sensoren optimieren. Die Struktur bietet Fujifilm den Vorteil, auf einen Tiefpassfilter vor dem Bildsensor zu verzichten. Damit kann mehr Licht zu den Fotodioden geleitet werden, was eine bessere Schärfewirkung ermöglicht.

Unterschied zwischen Bayer- und X-Trans-Sensoren auf einen Blick.
Unterschied zwischen Bayer- und X-Trans-Sensoren auf einen Blick. (Quelle: Screenshot / Fujifilm)

Foveon-Sensor: X3-CMOS mit besonderer Pattern

Eine Weiterentwicklung der CMOS-Technik ist der Foveon-Sensor. Derzeit verwendet ihn nur das japanische Unternehmen Sigma in seinen Digitalkameras. Bei dieser Technik liegen drei Pattern übereinander, sodass jeder Pixel alle drei Grundfarben aufzeichnet. Klassische CMOS-Sensoren nutzen wie CCD-Sensoren das Konzept der Bayer-Matrix mit ungleicher Verteilung von Grün-, Rot- und Blaufiltern.

Der Foveon X3-Sensor im Überblick. Durch die besondere Bauform kann bei dem Sensor auf einen AA-Filter verzichtet werden.
Der Foveon X3-Sensor im Überblick. Durch die besondere Bauform kann bei dem Sensor auf einen AA-Filter verzichtet werden. (Quelle: Screenshot/Sigma-Foto)

Die Technik ist bereits seit 2002 auf dem Markt. Foveon-Bildsensoren benötigen durch die Konstruktion keinen Tiefpassfilter (Antialiasing) und sind nicht anfällig für Moiré-Artefakte. Durch den fehlenden Filter wird mehr Licht auf die Fotodioden geleitet, was zu einer höheren Schärfewirkung im Bild sorgt.

Bayer-Sensoren sind meist noch mit einem Tiefpassfilter ausgestattet, um den Moiré-Effekt zu verhindern. Bei modernen DSLR- oder Systemkameras verzichten einige Hersteller teilweise trotz CMOS-Sensor mit Bayer-Matrix auf den Antialiasing-Filter.

Live-MOS-Sensor: das Beste aus zwei Welten

Ein Live-MOS-Sensor stellt eine Mischung aus CCD- und CMOS-Sensor dar. Das japanische Unternehmen Panasonic versucht mit dieser Technik, die etwas bessere Bildqualität eines CCD-Sensors mit dem geringen Stromverbrauch eines CMOS-Sensors zu vereinen. Sie waren zudem die ersten Bildsensoren, die eine Live-View-Funktion gestatteten - also ein Sucherbild auf dem Monitor einer Spiegelreflexkamera. Live-MOS-Sensoren arbeiten in den Four Thirds- und Micro Four Thirds-Kameras der Hersteller Olympus, Leica und Panasonic.

Die Micro Four Thirds-Systemkamera von Panasonic ist mit einem Live-MOS-Sensor ausgestattet.
Die Micro Four Thirds-Systemkamera von Panasonic ist mit einem Live-MOS-Sensor ausgestattet. (Quelle: Panasonic)
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Dieser Artikel wurde mit den Schlagworten Foto, Apple iPhone, Digitalkamera, Canon, Fujifilm, Hintergrundwissen, Netzwelt-Wissen, Olympus, Panasonic, Pentax, Ricoh, Smartphone, Sony, Bildbearbeitungsprogramme und Sony Xperia XZ1 (Compact) versehen.

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