Digitalkameras: Bildsensoren erklärt

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Bildsensor im APS-C-Format Blick auf den Sensor der Sony NEX-6LB

Der Bildsensor wandelt das in das Objektiv eintreffende Licht in digitale Signale um. Er ersetzt gemeinsam mit dem Speichermedium den analogen Film. Neben der Chipgröße, die in Digitalkameras häufig um ein Vielfaches kleiner ist als das klassische Kleinbild-Format von 24 x 36 Millimetern, bestimmt auch die Art des Baus die Bildqualität. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen CCD- und CMOS-Sensoren. Diese haben allerdings einige Unterarten und werden stets im Sinne der Verbesserung weiter entwickelt. Ein kurzer Überblick im Folgenden soll helfen, die Angaben in den Datenblätter der Kameras besser zu verstehen.

CCDCCD-Sensoren (Charge-coupled Device) wandeln Licht in elektrische Ladung um. Sie lesen im Gegensatz zu CMOS-Sensoren nicht einzelne Pixel aus, sondern sind in Reihe geschaltet. Jedes Pixel gibt seine elektronische Ladung an das nächste Pixel weiter, bis die Ladung am Rand des Sensors abfließt und in Transistoren verstärkt und konvertiert wird.

SuperCCD

DieSuperCCD-Sensoren (SCCD) der Firma Fuji sind um 45 Grad gedreht. Dadurch ist der Abstand von Zellenreihe zu Zellenreihe in senkrechter und waagerechter Richtung deutlich geringer als bei normalen CCD-Sensoren und somit die Auflösung in diesen beiden Richtungen entsprechend besser. Sie werden in SCCD SR und SCCD HR unterschieden. Während der SR mit einem höheren Dynamikumfang und weniger Rauschen glänzt, bietet der HR-Sensor eine Verdopplung der Auflösung.


SuperCCD EXR
Der SuperCCD EXR besteht aus gleich großen Sensorzellen, bei denen jeweils zwei gleichfarbige Zellen schräg versetzt angeordnet sind. Dadurch kann man je nach Bedarf einen hohen Dynamikumfang, eine hohe Empfindlichkeit oder eine hohe Auflösung gewährleisten, womit die Vorteile eines SR- und eines HR-Sensors zusammengefasst wurden.

Super HAD CCD
Sensoren in Digitalkameras müssen häufig sehr klein sein, um eine kompakte Bauweise zu gewährleisten. Je geringer die Maße des Chips sind, umso weniger Licht kann er aufnehmen. Auf dem Super HAD CCD von Sony sitzen auf den einzelnen Pixeln mikroskopisch kleine Linsen, die in der Form optimierter als die Linsen eines SuperCCD sind und wirken wie ein großer Trichter, die das Licht auf die sensiblen Areale lenken. Dadurch werden Helligkeits- und Farbinformationen vermehrt aufgenommen.

CMOS
Bei CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductorist) ist zu jeder Fotozelle ein Kondensator parallel geschaltet, sodass jedes Signal direkt erfasst werden kann. Allerdings benötigt ein einfacher CMOS-Sensor auch viel Platz, sodass weniger lichtempfindliche Sensorzellen angeordnet werden können. Je kleiner die Sensorfläche ist, desto mehr wirken sich die fehlenden Zellen aus.

BSI CMOS
Um mehr Sensorzellen auf weniger Platz unterzubringen, werden diese von der Rückseite her freigelegt, um Farbfilter und Mikrolinse direkt an den Sensorzellen anzubringen. Die Back-Side- Illuminated-Technologie eignet sich vor allem bei besonders kleinen Sensoren und dient zur Verdoppelung der Lichtausbeute. Häufig wird bei dem BSI auch von einem hintergrundbeleuchteten CMOS-Sensor gesprochen.

EXR-BSI-CMOS
Bei dem EXR-BSI-CMOS-Sensor von Fuji werden die Vorteile eines EXR-Sensors mit einem BSI-CMOS-Sensors kombiniert.

EXR-CMOS
Da bei diesem Chip auf die BSI-Technik verzichtet wird, ist der Sensor weniger lichtempfindlich, aber in der Herstellung günstig.

Exmor CMOS
Der CMOS-Sensor ist ein Halbleiterchip von Sony, der Licht in elektrische Signale umwandelt. Die Analog-Digital-Wandlung wird mit Hilfe der Exmor-Technologie vollzogen und beinhaltet eine duale Rauschentwicklung.

Exmor APS HD CMOS
Dieser Exmor-CMOS-Sensor ist im APS-C-Format. Mit dem Kürzel HD wird gekennzeichnet, dass der Chip in High-Definition auflöst. Er wird gern in den Systemkameras von Sony verwendet.

Exmor R CMOS
Aufgrund des rückseitig belichteten Sony-Sensors („R“) können mehr Megapixel auf weniger Fläche untergebracht werden. Die Analog-Digital-Wandlung wird mit Hilfe der Exmor-Technologie vollzogen und beinhaltet eine duale Rauschentwicklung.

X-Trans CMOS
Fuji wendet sich mit dem X-Trans-CMOS-Sensor vom traditionellen 2x2-Muster eines Bayer-Sensors ab und verwendet ein 6x6-Muster. Durch die bewusste ungleichmäßige Anordnung der drei Farbfilter wird der Moiré-Effekt vermieden. Dadurch muss kein AA-Filter (Tiefpass-Filter) mehr eingebaut werden, der zwar den Moiré-Effekt vermindert, dafür aber für eine leichte Unschärfe sorgt.

X3-CMOS
Jede Zelle auf dem X3-CMOS-Sensor ist für alle drei Grundfarben empfindlich. Da Silizium mit zunehmender Tiefe mehr und mehr Farben absorbiert wird zunächst der blaue, dann der grüne und als letztes der rote Anteil erkannt. Diese X3-Sensoren von der Fa. Foveon liefern schärfere Bilder, weil sie die Farbe eben nicht aus mehreren Zellen berechnen müssen, sondern jede Zelle für alle Farben zuständig ist. Ein AA-Filter muss aufgrund dieser Technik nicht eingesetzt werden, was die Bildschärfe erhöht. Man findet den Direktbildsensor häufig in Kompaktkameras von Sigma verbaut.

MOS/ Live MOS
MOS-Sensoren (Metal-oxide-semiconductor) werden vor allem in Four-Third-Kameras von Leica, Panasonic und Olympus genutzt. Durch die Verwendung einer neuartigen Struktur von Micro-Lichttuben vor den Fotodioden werden Farbverunreinigungen und Signalverluste vermieden. Optimierungen im Halbleiter-Produktionsprozess und bei den Bildparametern des MOS-Sensors sollen zu einem deutlich verbesserten Rauschverhalten in Situationen mit wenig Licht beitragen. Der Live MOS-Sensor bietet eine vergleichbare Bildqualität zu einem CCD, aber gleicht im Strombedarf einem CMOS-Sensors. Vereinfachte Schaltkreise reduzieren den Abstand der Fotodioden zu den äquivalenten Mikrolinsen auf dem Sensor, was zur besseren Bildqualität und höherer Empfindlichkeit beiträgt. Auch bei wenig Licht soll mit dieser Technologie das Bildrauschen gering sein.

BSI MOS
Bei diesem Sensor wird die MOS-Bauart mit der Back-Side-Illuminated-Technologie verbunden.

Schreibweisen
Da es keine einheitliche Norm gibt, wie man die Angaben in den Datenblättern vorzunehmen hat, mischen viele Hersteller die Angabe des Bildsensors mit der Angabe der Größe. So finden sich beispielsweise Bezeichnungen wie 1/3,2-type BSI CMOS Sensor in den Unterlagen der Digitalkameras. Dies meint nichts anderes als ein CMOS-Sensor der rückseitig freigelegt wurde, um den nötigen Platz für die Sensorzellen zu schaffen und somit eine höhere Lichtausbeute zu erreichen, der allerdings mit nur 1/3,2 Zoll Größe so klein ist, das Bilddetails nicht gerade gut sichtbar sind. 5-MP-CMOS-Sensor (BSI) meint einen BSI-CMOS-Sensor mit fünf Megapixeln.

Über die Vor- und Nachteile eines CMOS-Sensors gegenüber eines CCD-Sensors informiert der Ratgeber Sensortyp - CCD vs. CMOS.

Autor: Marie M.