CMOS An der Spitze der Entwicklung

Wie unterscheiden sich CMOS- und CCD-Sensoren?


Bei der digitalen Fotografie wird das durch das Objektiv auf den Sensor einfallende Licht von den Bildelementen des Sensors, den so genannten Pixel (picture element), als elektrische Ladungen registriert. Diese Ladungen werden ausgelesen, verstärkt und schließlich bei der Analog-Digital-Wandlung in die Bildinformation umgesetzt. Aus einer Ladung wird so schließlich ein digitaler Zahlenwert, der auf einer Speicherkarte oder einer Festplatte abgelegt oder über eine Datenleitung verschickt werden kann. Prinzipiell läuft dieser Vorgang bei beiden Sensortechnologien gleich ab. CMOS-Bildsensoren und CCD-Bildsensoren unterscheiden sich allerdings in ihrer Architektur und folgen deshalb bei der Umsetzung von Licht in Bildinformation einem eigenen »Workflow«.

CMOS? CCD? Was heißt das überhaupt? Aus den technischen Bezeichnungen für die beiden Sensortypen kann – zumindest der Laie – nicht ableiten, was sie hinsichtlich ihrer fotografischen Qualitäten unterscheidet: CMOS steht für: Complementary Metal Oxide Semiconductor, CCD steht für: Charged Coupled Device.

Die griffigen Kürzel sagen nämlich nur allgemein etwas über die Bauart bzw. das Herstellungsverfahren aus und nicht über den Verwendungszweck. Beide gehören zur Familie der Halbleiter-Bauelemente, beide sind in der Lage, das auf den Sensor auftreffende Licht in eine verwertbare Bildinformation umzusetzen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, wie dies geschieht.

Bei CCD-Sensoren müssen zunächst alle elektrischen Ladungen ausgelesen werden und können anschließend erst verstärkt, das heißt in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Im Unterschied dazu besitzt jedes einzelne Bildelement des CMOS-Sensors eine eigene Verstärkereinheit für die elektrische Ladungen. Die Verstärkung erfolgt für jedes Pixel separat. Dies ermöglicht, dass ein CMOS-Sensor wesentlich schneller ausgelesen werden kann. CMOS-Sensoren benötigen dazu eine geringere Spannung und weniger Strom als ein CCD-Sensor. Damit sinkt der Stromverbrauch einer Digitalkamera, die folglich länger einsatzbereit ist. Außerdem können zusätzliche Schaltkreise auf dem CMOS-Sensor integriert werden, die bei einem CCD-Sensor »ausgelagert« werden müssen. Ein weiterer Vorteil: Großflächige CMOS-Sensoren können zu geringeren Kosten hergestellt werden als CCD – die Digitalfotografie auf höchstem Niveau wird so für eine größere Anzahl von Fotografen erschwinglich.

Innovative Technologien auf dem Sensor


Den Vorteilen der CMOS-Technologie standen anfangs einige Nachteile bezüglich Rauschen und geringfügigen Abweichungen unter den Pixeln eines Sensors gegenüber. Zur Lösung der Probleme hat Canon verschiedene technische Innovationen eingeführt.

1. Um Schwankungen und Rauschen auszuschalten, verfügen die CMOS-Sensoren über einen besonderen integrierten Schaltkreis. Er ermöglicht, dass das Bildsignal bei einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ausgelesen werden, was zu einer besseren Bildqualität führt.

2. Um das auf molekulare Aktivitäten zurückzuführende Zufallsrauschen zu minimieren, arbeiten Canon CMOS- Sensoren mit dem Charge-Full-Transfer- System, das den kompletten Transport aller Ladungen eines Pixel ermöglicht.

In der neuen EOS-1Ds tragen die Anstrengungen der Canon-Ingenieure zu einem wesentlichen Teil zum einzigartigen Leistungsvermögen der Kamera bei. Der ultra-large, single-plate 11,1-Megapixel-CMOS-Sensor verbindet hohe Geschwindigkeit und hohe Empfindlichkeiten von ISO 100-1250 (ISO 50 über Custom-Funktion) bei geringen Stromverbrauch. RGB- Primärfarbfilter sorgen im Zusammenspiel mit einer hochleistungsfähigen Bilddatenverarbeitung für eine ebenso präzise wie lebendige Farbwiedergabe. Durch eine besondere simultane Zwei-Kanal-Auslesung der Pixel könnte die Geschwindigkeit des Auslesens verdoppelt werden.

Die CMOS-Technologie, in Verbindung mit der professionellen Philosophie der EOS-1-Serie sind die Grundlage für außergewöhnliche Performance und Bildqualität der EOS-1Ds.

Ob CMOS oder CCD – für den Fotografen zählt am Ende die Technologie, die ihm dabei hilft, seinen Job, fantastische Fotos, zu machen.

Der einzigartige neue Canon-CMOS-Sensor im Kleinbild-Vollformat erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit durch paralleles Auslesen der Pixel. Die Grafik zeigt den Zeitunterschied bei einfacher (rechte Seite) und paralleler Auslesung (linke Seite).

Luis Fernando Cantor Bueno
19135529
Ingenieria Electronica Electronica De Estados Solidos
Seccion 2