Sensoren

Sensorwirrwarr CCD kontra CMOS

Einige Jahre ist es nun her, dass die CMOS Sensoren als lichtelektrische Wandler Einzug in Digitalkameras hielten. Ende der 90er Jahre lieferten sie eher schlechte Bilder. Heute hat sich das drastisch geändert und diese Sensoren werden unter anderem in professionellen Spiegelreflexkameras wie der Canon EOS 1D Serie und der Nikon D2 Serie eingesetzt.

Derzeit sind die CCD Sensoren und die CMOS Sensoren immer noch die beiden Sensorfamilien, die miteinander im Wettstreit liegen. Sensorfamilien deshalb, weil auch Typen wie der SuperCCD von Fujifilm einen speziellen Typ von CCD Sensor darstellt und Foveon sich für seinen „drei Lagen“ Sensor des CMOS Prinzips bedient.
Nikon nimmt für sich in Anspruch, dass der LBCAST Sensor einen neuen Sensortypen darstellt. Beim näheren hinschauen stellt man aber fest, dass es sich dabei auch um eine Modifikation des klassischen CMOS Sensors handelt, der vielleicht eine spezielle Variante darstellt, die sch von klassischen CMOS aber nicht stärker unterscheidet, als ein Foveon oder SuperCCD von der jeweiligen Grundform.

Betrachten wir zunächst die Sensortypen im Einzelnen ohne dabei auf die elektronische Seite zu achten, die die wesentlichen Unterschiede zwischen CMOS und CCD beinhaltet:

Die Varianten des konventionellen CCD Sensors in der digitalen Fotografie:
Schwarz/weiß Sensor mit 3 Shot
Zunächst gab es CCD Sensoren nur als schwarz/weiß Sensoren, die Helligkeiten aber keine Farben aufzeichnen konnten. Für die Farbfotografie mussten deshalb nacheinander 3 Aufnahmen durch rote, grüne und blaue Glasfilter aufgenommen werden. Da sich die Glasfilter sehr gut auf die Empfindlichkeiten des Sensors abstimmen lassen, war die Qualität der Farbwiedergabe bei diesen Sensoren sehr gut. Aufgrund des zeitlichen Versatzes der drei Aufnahmen war es aber nicht möglich bewegte Objekte in Farbe aufzunehmen.

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Farbsensor mit Bayer Pattern

Der derzeit gebräuchlichste Sensor ist der CCD Sensor mit aufgebrachtem Mosaikfarbfilter. Vor jedem Element des Sensors befindet sich also ein Farbfilter, wobei die Anordnung der Farben Rot, Grün und Blau so gewählt wird, dass sich in einer Reihe Rot und Grün und in der nächsten Reihe Blau und Grün abwechseln. Die Grünen Filter in den einzelnen Reihen sind dabei zueinander um 1 Pixel verschoben. Diese Anordnung der Filter geht auf einen Herrn Bayer von Kodak zurück und wird deshalb auch als „Bayerpattern“ bezeichnet. Sie beinhaltet also, dass 50% der Pixel grünempfindlich sind und jeweils 25% rot- und 25% blauempfindlich. In jeder Reihe und in jeder Spalte finden sich dabei grünempfindliche Sensoren, was sehr wichtig ist, da die Helligkeitsinformation entscheidend für die wahrgenommene Schärfe im Bild ist und die Helligkeitsinformation zu 60% vom Grünwert bestimmt wird.

Y= 0,3 R + 0,6 G + 0,1 B
Die Formel für die Umrechnung von Farb- in Graustufenbilder.

Für jedes Sensorelement wird auf diesem Wege nur ein Farbwert erfasst. Die beiden anderen Werte müssen aus den umliegenden Pixeln errechnet werden, was bei scharfen Farbkanten und feinen Mustern zu Fehlern führen kann, die z.B. als Moiré Strukturen auftauchen. Ein Beispiel für solche Miroé Strukturen ist z.B. der Tageschausprecher, dessen fein gemustertes Sakko plötzlich in allen Farben zu schillern anfängt. Strukturen, die nicht in der fotografierten Szene vorhanden waren oder als Rauschen von der Elektronik stammen, sondern durch die interne Bildverarbeitung in ein Bild hinein gelangen, werden unter dem Begriff Aliasing Artefakte zusammengefasst.

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Farbsensor mit dichroitischem Prisma
Im professionellen Videobereich sehr verbreitet, in der digitalen Fotografie inzwischen aber nicht mehr zu finden, ist die Verwendung mehrerer Sensoren in einer Kamera in Verbindung mit einem Prisma. Dieses zerlegt das Licht in die Rot-, Grün- und Blaubestandteile und schickt es auf die jeweiligen Sensoren. Eine recht interessante Technologie, die jedoch in der Fotografie an zwei Punkten scheitert. Der eine ist die Tatsache das der Sensor in digitalen Kameras einer der teuersten Bausteine ist und die Verwendung von drei Sensoren den Preisrahmen sprengen würde und der zweite Punkt ist die Tatsache, dass die Justage der Sensoren zueinander bei den recht groben Videosensoren funktioniert, bei den hochauflösenden Sensoren mit Pixelgrößen unter 0,003 mm aber nahezu unmöglich ist.

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Makroscanning
Um die Aliasing Artefakte zu minimieren werden von einigen Herstellern Rückteile für Mittelformat- und Studiokamera angeboten, die 4 Aufnahmen hintereinander machen und dabei den Sensor jeweils um ein Pixel verschieben. Auf diese Weise erhält der Anwender ein Bild, das aus 4 Einzelbildern zusammengesetzt wird. Dabei wird an jedem Ort jeweils einmal die Rot- und Blauinformation und zweimal die Grüninformation erfasst.
Das fotografierte Objekt darf sich zwischen den Aufnahmen allerdings nicht bewegen.

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Microscanning
Bei nahezu allen Sensoren ist der so genannte „fill factor“ kleiner als 100%. Das bedeutet, dass die lichtempfindliche Fläche der Pixel kleiner ist, als das gesamte Pixel. Wird nun der Sensor um Bruchteile eines Pixels verschoben und jeweils ein Bild erfasst, so lässt sich aus den Einzelbildern ein Gesamtbild rechnen, dessen Detailwiedergabe deutlich besser ist. Dieses als Microscanning bezeichnete Verfahren wird ebenfalls in einigen Studiorückteilen verwendet und sorgt für Auflösungen bis an die 90 Megapixel.

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Der Fuji Super CCD Sensor
Fujifilm hat vor einigen Jahren den Super CCD Sensor auf den Markt gebracht der, wie der Name schon sagt, auf der CCD Technologie basiert. Im Gegensatz zum herkömmlichen CCD Sensor hat Fuji den Super CCD um 45° gedreht, was zu einem geringeren Abstand der lichtempfindlichen Bereiche in horizontaler und vertikaler Richtung führt. Durch die 8 Eckige Form und die Art des Ladungstransports konnte darüber hinaus der lichtempfindliche Bereich vergrößert werden.
(konventioneller Sensor.eps, Fuji Sensor 01.eps)
In der Praxis hat sich tatsächlich eine höhere Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung gezeigt. In den Diagonalen gibt es aber richtungsabhängig sehr starke Unterschiede. Der Super CCD Sensor zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus und weist durchschnittliche Werte für Dynamikumfang und Rauschen auf, die sich aber interessanterweise bei höheren Empfindlichkeiten nicht so sehr verschlechtern, wie das bei den meisten anderen Sensoren der Fall ist.

Im letzten Jahr hat Fujifilm die Super CCD Sensorfamilie in zwei Teile geteilt. Den HR (High Resolution) Sensor und den SR (Super Dynamic Range) Sensor. Der HR Sensor verfolgt die klassische Super CCD Technologie im Gegensatz zu dem SR Sensor, der für jedes klassische Sensorelement in zwei lichtempfindliche Bereiche geteilt wird: einen hoch empfindlichen mit großer Lichtempfangsfläche und einen niedrigempfindlichen mit kleiner Lichtempfangsfläche. Der Sensor mit der kleinen Fläche zeichnet – vereinfacht gesagt – ein unterbelichtetes Bild auf, das aber bei hohen Kontrasten in der fotografierten Szene noch Zeichnung in den Lichtern beinhaltet, die das Bild des anderen Bereiches nicht mehr erfassen konnte. Die beiden Bilder werden anschließend von der Kamera zusammen gefügt und erhöhen so den Dynamikumfang der Kamera. Das Prinzip funktioniert in der Praxis tatsächlich, wie unsere Tests zeigen.

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Der Foveon Sensor
Der Firma Foveon ist es gelungen einen Effekt zu nutzen, der bei Sensoren schon sehr lange bekannt ist. Es handelt sich dabei um die Tatsache, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge/Farbe unterschiedlich tief in das lichtempfindliche Silizium eindringt bevor es Absorbiert und in Elektronen umgewandelt wird. Man munkelt, dass es zu diesem Effekt bereits in den 80er Jahren ein Patent gegeben habe, das aber nicht in ein konkretes Produkt eingeflossen ist. Foveon hat es nun geschafft einen Sensor oder besser gesagt drei übereinander liegende Sensoren zu bauen, die das Licht unterschiedlicher Wellenlänge erfassen. Damit das möglich war musste man sich der CMOS Technologie bedienen und auch dann hat man noch mit einer Reihe von Problemen zu kämpfen gehabt. So ist die unterschiedliche Eindringtiefe des Lichtes ein statistischer Vorgang. Das bedeutet, ein Teil des roten Lichtes wird auch in der blauen und grünen Schicht absorbiert, was zu einer nicht ganz eindeutigen Trennung der Farben führt. Auch mir einem recht starken Rauschen, also mit Störungen im Bild hatte man zu kämpfen. Die Vorteile sind jedoch, dass an jedem Ort mit einer Aufnahme alle drei Farben erfasst werden und keine Artefakte durch die Berechnung fehlender Farben entstehen. Aus diesem Grunde konnte man auch den Anti Aliasing Filter vor dem Sensor weglassen, was zu einer höheren Detailwiedergabe und Schärfe führt.
Die Probleme des Sensors hat Foveon erstaunlich gut in den Griff bekommen und die Bilder des derzeit einzigen populären Produkts mit dem Sensor – der Sigma SD10 – können sich mehr als sehen lassen.

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Nikon LBCAST Sensor
Im Gegensatz zu den o.g. Sensoren, die schon auf der lichtempfindlichen Seite eine besondere Anordnung aufweisen, unterscheidet sich der Nikon LBCAST Sensor von Standardsensoren im wesentlichen auf der elektronischen Seite. Die Abkürzung LBCAST steht für Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array. Der Sensor verwendet neben einer speziellen Art von Transsistoren, den so genannten JFETs (Junction Field Effect Transistor) auch eine besondere Art der Auslesung. Die Auslesekanäle sind so angeordnet, dass einer die Grüninformation und der zweite die Rot, Blau Information ausliest, was einige Bildbearbeitungsschritte in der Kamera beschleunigt. Die Nikon Entwickler haben die lichtempfindliche Fläche vergrößert, weil sie im Gegensatz zu einem herkömmlichen CMOS beim LBCAST nur 3 statt 4 Transistoren verwendet werden und dadurch Fläche sparen. Nach anfänglichen Problemen mit hohem Rauschen bei der D2H weisen die neueren Kameras der D2 Serie ein deutlich geringeres Rauschen auf und liefern eine hervorragende Bildqualität.

Nikon-LBCAST.jpg

CCD contra CMOS Elektronik
Kommen wir zum Unterschied von CMOS und CCD, der im Wesentlichen hinter dem lichtempfindlichen Bereich liegt, denn beide Sensoren sind Metal-Oxyd Halbleiterbausteine deren lichtempfindlicher Bereich aus dotiertem Silizium besteht und in Pixel aufgeteilt sind. In beiden Sensoren werden proportional zur auftreffenden Lichtmenge Elektronen erzeugt.

Der wesentliche Unterschied der beiden Sensorfamilien besteht nun darin, dass beim CCD die Elektronen transportiert und an einem Punkt in Spannungen konvertiert werden. Beim CMOS Sensor hingegen werden die Elektronen über Transistoren bereits im Pixel in Spannungen gewandelt. Diese Spannungen müssen dann anschließend per Analog/Digital Wandler in binäre Worte aus 0 und 1 konvertiert werden, die der Computer dann weiter verarbeiten kann. Diese Konvertierung kann beim CMOS Sensor theoretisch auch schon auf jedem Pixel geschehen, praktisch wird das aber nur selten getan.
Das bedeutet, dass bei einem CMOS Sensor ein großer Teil der Signalverarbeitung bereits im Sensor integriert wird. Beim CCD hingegen erfolgt der größte Teil der Verarbeitung in den nachgeschalteten, elektronischen Bausteinen. Das Eine wie das Andere hat Vor- und Nachteile, die wir uns im Folgenden näher anschauen.

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Vor einigen Jahren wurde als ein wesentlicher Punkt für die Verwendung von CMOS Sensoren die niedrigen Produktionskosten angeführt. Hätte man die Maschinen für die Produktion von Speicherbausteinen für den Computer verwenden können, wie zunächst vermutet, so wäre die Produktion von CMOS Sensoren tatsächlich günstiger gewesen. Da aber die Anforderungen der Lichtempfindlichen Sensoren von denen der Speicherbausteine abweichen, hat man neue Fabriken mit Anlagen bauen müssen, die sehr viel feinere Strukturen (0,0003 mm) realisieren als die für Speicherbausteine (0,0006 mm). Das hat dazu geführt, das gute CMOS Sensoren genauso teuer in der Herstellung sind, wie CCD Sensoren.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit der CMOS Sensoren ist sehr hoch, weil die Elektronen/Spannungs-Wandlung im Pixel stattfindet. Hier können sehr hoch verstärkende Transistoren eingesetzt werden, die einen niedrigen Stromverbrauch haben. Das Problem der Verstärkung auf jedem Pixel ist, dass fertigungsbedingt Ungleichmäßigkeiten in der Verstärkung auftreten, so dass bei gleicher Beleuchtung nicht jeder Sensor das gleiche Signal liefert, was sich als Störungen / Rauschen im Bild bemerkbar macht. Dieses Problem lässt sich durch eine entsprechende Verschaltung minimieren. Man spricht in diesem Fall – ironischerweise – von APS Sensoren (Active Pixel Sensor). (Hat APS doch eine Zukunft?)
Die Verschaltung des CMOS Sensors ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise, die bei kleinen Kameras gefragt ist.

Dynamikumfang

Als Dynamikumfang eines Sensors bezeichnet man das Verhältnis des maximalen Signals (Sättigung) zum Raschen. Hier hat der CCD Sensor klar die Nase vorn, weil er ein deutlich geringeres Rauschen aufweist. Der Grund dafür ist, dass er aufgrund der externen Signalverarbeitung mit weniger elektronischen Bausteinen auskommt die dazu noch qualitativ besser sind.

Dunkelstrom
Wird ein Sensor mit aufgestecktem Objektivdeckel belichtet, so sollte das Bild eigentlich schwarz, also die digitalen Werte 0 sein. Das ist in der Regel aber nicht der Fall. Die digitalen Werte variieren im unteren Bereich. Diese Werte stammen vom Rauschen und im Wesentlichen vom so genannten Dunkelstrom. Das heißt es entstehen aufgrund der Temperatur zufällig freie Elektronen, deren Zahl mit sinkender Temperatur abnimmt. Dieser Dunkelstrom ist beim CCD über die Fläche des Sensors auf etwa dem gleichen Niveau. Da beim CMOS die Verstärker auf den Pixeln schwanken, ist dort der Dunkelstrom unterschiedlich, was bei High Speed Anwendungen unter schlechten Lichtverhältnissen Probleme bereitet.

Verschluss
Die meisten CCD Sensoren – insbesondere die interline transfer CCDs, die in vielen Consumer Digitalkameras stecken – benötigen keinen mechanischen Verschluss. Die Belichtungszeit, also die Zeit innerhalb der die Elektronen gesammelt werden, wird elektronisch gesteuert.
Um einen Verschluss auf einem CMOS Sensor zu realisieren müssen extra Transistoren auf jedem Pixel angebracht werden, die auf Kosten der „aktiven Fläche“ und damit der Lichtempfindlichkeit gehen. Ohne die extra Transistoren pro Pixel kann der Verschluss nur Zeilenweise gesteuert werden, was zu Verzeichnungen bei bewegten Objekten führt.
Die Transistoren auf einem CMOS Sensor bilden einen „optischen Tunnel“, weil das Licht auf die lichtempfindliche Fläche im Tal zwischen den Transistoren treffen muss.

Geschwindigkeit
Durch die Integration aller Funktionen direkt auf dem Sensor weist der CMOS Sensor weniger Stromverluste auf und ist dadurch schneller in der Signalverarbeitung. Die CCD Sensoren weisen hingegen die höheren Lichtempfindlichkeiten auf, können also kürzer belichtet werden. Dafür dauert das Verarbeiten der Daten länger.

Bildung von Auslesebereichen (Windowing)
Benötigt eine Anwendung (z.B. Videoaufnahmen) nicht alle Pixel auf einem Sensor, so ermöglichen einige CMOS Sensoren ein Beschränken der ausgelesenen Pixel auf einen definierbaren Bereich. Diese Möglichkeit ist bei CCD Sensoren stark eingeschränkt.

Antiblooming
Mit Blooming bezeichnet man das „Überlaufen“ der Elektronentöpfe in die Nachbarpixel, wenn die Belichtung an einer Stelle zu stark ist. Dieses passiert bei CMOS Sensoren aufgrund der Verschaltung grundsätzlich nicht. CCD Sensoren für die Fotografie haben extra einen Schutz gegen das Blooming eingebaut.

Auslesen
Das Auslesen der CMOS Sensoren ist in der Regel unproblematisch. CCD Sensoren stellen hierzu hohe Anforderungen an Stromversorgung und elektronischer Taktung, da die Elektronen nacheinander ausgelesen werden müssen und der Sensor sich dabei nicht „verschlucken“ darf.

Fazit
Es gibt eine Vielzahl von Sensorvarianten, die sich in den beiden Familien CCD und CMOS zusammenfassen lassen. Jeder Sensor hat seine Vor- und Nachteile, die auf den Punkt gebracht so formuliert werden können: CCD Sensoren liefern die bessere Bildqualität und die höhere Empfindlichkeit, moderne CMOS Sensoren liefern eine für die Fotografie akzeptable Bildqualität in Verbindung mit einer kompakteren Bauform der Elektronik und der variableren Einsetzbarkeit.

CCD_CMOS_Vergleich.jpg
Vergleich der Eigenschaften und Leistungen von CCD und CMOS Sensoren

Quelle: Dalsa

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