Bildsensoren in Digitalkameras

In der Digitalfotografie kommen zwei Bildsensor-Typen zum Einsatz: CCD und CMOS. Welche Kamera mit welchem Chip arbeitet, hängt in der Regel vom Preis der Kamera ab: Während CCDs meist in Kompaktkameras der Einstiegs- und Mittelklasse sowie in System- und Spiegelreflexkameras verbaut werden, kommen CMOS-Sensoren nur vereinzelt in Kompaktkameras vor. Sie werden überwiegend in hochwertigen DSLRs und Systemkameras eingesetzt oder – in entsprechend minderwertiger Qualität – in den “Grabbeltischknipsen” an der Supermarktkasse.

CCD (Charge Coupled Device)

©Nikon

Ein CCD-Bildsensor – wie übrigens auch ein CMOS-Sensor – besteht aus einer Vielzahl von Fotodioden. Fällt Licht in Form von Photonen durch das Kameraobjektiv auf den Sensor, setzen die Fotodioden Elektronen frei, die sich im dazugehörigen Kondensator sammeln. Je mehr Licht einfällt, desto mehr Elektronen werden freigesetzt und umso höher ist die elektrische Ladung. Das Auslesen der einzelnen Fotodioden beziehungsweise deren Ladung erfolgt nach dem “Eimerkettenprinzip” über eine Ausgangsleitung: Alle Dioden einer Zeile sind miteinander verbunden und werden nacheinander vom Ausleseregister ausgewertet. Dazu liest das Register immer die Ladung aus der ersten Zelle einer Zeile. Anschließend rückt die restliche Ladung um eine Zelle auf, so dass wieder die erste Zelle der Zeile ausgelesen wird. Es entsteht ein Datenstrom aus einzelnen analogen Helligkeitswerten, die ein Analog-Digital-Wandler in digitale Daten umrechnet. Dieser Wert bestimmt die Helligkeit eines Pixels.

Um zur Helligkeit die richtige Farbe zu bekommen besitzt jede Fotodiode eine Filterschicht für eine der drei Farben Rot, Grün oder Blau. Dabei ist die Farbverteilung meist so geregelt, dass je 25 Prozent der Dioden rote und blaue Filter, jedoch 50 Prozent grüne Filter tragen. Der Grund für dieses so genannte ” Bayer Pattern ” ist das menschliche Auge, das im Grünbereich besonders empfindlich ist. Für den genauen Farbton berücksichtigt die elektronische Farbberechnung bei einem Pixel die Farbinfo der Nachbarpixel.

©Fujifilm

Eine erste Sonderform des CCD war das Super-CCD von Fujifilm, das aus acht- statt viereckigen Fotodioden bestand. Dadurch ließen sich größere Dioden verwenden, die wiederum eine größere Sensorfläche bildeten und damit lichtempfindlicher waren. Der Super-CCD-Sensor war in verschiedenen Ausführungen am Markt – etwa als Super-CCD HR für besonders hohe Auflösungen und als Super-CCD SR mit verschieden großen Pixeln für maximalen Kontrast. Diese Sensorbauweise gipfelt bisher im Fujifilm Super-CCD EXR, der sich in drei Modi schalten lässt: für maximale Auflösung, für maximalen Kontrast oder für minimales Bildrauschen.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

©Canon

CMOS-Sensoren arbeiten wie CCDs mit Farbfiltern. Allerdings lassen sich die Fotodioden einzeln adressieren und auslesen, da sie ein vertikales und ein horizontales Ausleseregister besitzen. Wie bei einem CCD-Sensor ist zu jeder Fotodiode ein Kondensator parallel geschaltet, der die elektrische Ladung speichert. Ein Transistor wandelt die Ladung in Spannung um und stellt diese Spannung dem Signalprozessor zur Verfügung.

©Toshiba

CMOS-Bildsensoren sind günstiger in der Fertigung und verbrauchen weniger Strom als CCD-Sensoren. Auch kann ein CMOS-Sensor gleich als Analog-Digital-Wandler fungieren und Kameraeinstellungen wie den Weißabgleich kontrollieren. Ein Nachteil ist jedoch die oft geringe Lichtempfindlichkeit. Hier schafft eine neuartige Sensorbauform namens BSI (Backside Illumination) Abhilfe, die auch bei CCD-Chips zum Einsatz kommt: Bei den bisher eingesetzten Bildsensoren werfen die Leiterbahnen und Schaltungen Schatten auf die lichtempfindliche Oberfläche. Ein BSI-Sensor wird daher umgekehrt in eine Digitalkamera eingebaut, mit der Elektronik nach unten. Dadurch kann das Licht ungehindert auf die Fotodioden treffen. Die Sensoren sind dadurch deutlich lichtempfindlicher und produzieren weniger Bildrauschen.

Fujifilm verbaut in seiner aktuelle Systemkamera X-Pro1 einen CMOS-Sensor, der das so genannte X-Trans-Pattern einsetzt, eine Abart des Bayer-Patterns. Es behält zwar das Mengenverhältnis der einzelnen Farben bei. Allerdings sind die einzelnen Dioden anders angeordnet, so dass jede Farbe in jeder Zeile vorkommt. Diese Technik soll einen Tiefpassfilter überflüssig machen.

©Foveon/Sigma

Eine besondere Ausführung von CMOS-Sensor hat auch der amerikanische Hersteller Foveon entwickelt, der seit 2008 zu Sigma gehört: Der Foveon X3 besteht aus drei Schichten mit Fotodetektoren, die in Silizium eingebettet sind. Silizium absorbiert die verschiedenen Wellenlängen von rotem, grünem und blauem Licht in unterschiedlichen Tiefen, so dass eine Schicht das rote, eine das blaue und eine das grüne Licht aufnimmt. Damit bestimmen jeweils drei Fotodetektoren die genaue Farbe eines Pixels.

Der derzeit größte CMOS-Sensor der Welt

BSI-Sensor von Toshiba

©Toshiba

Bayer-Pattern von Kodak

X3 von Foveon

©Foveon/Sigma

Sigma SD15

©Sigma

Sony RGBE

©Sony

Fujifilm Super-CCD

©Fujifilm

X-Trans von Fujifilm

©Fujifilm