Aufbau eines Bildsensors

Aufbau eines Bildsensors
Illustration: Christian Eisenberg

Bildsensoren: So funktionieren sie

Aufbau, Größe und Funktionsweise
09.11.2017

Die Bildqualität einer Kamera wird wesentlich von den eingesetzten Bildsensoren bestimmt. Sie haben auch Einfluss auf viele andere Aspekte des Kamerasystems. Wir erklären die Grundlagen

 

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Bildsensoren Überblick

Bildsensoren in aktuellen Digitalkameras

Dass sich die Bildqualität einer Digitalkamera nicht in erster Linie an der Anzahl der Pixel ablesen lässt, dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben. So nehmen auch die Bildsensoren einen erheblichen Einfluss auf unsere Ergebnisse. Trotzdem verleitet die griffige Pixelzahl immer wieder dazu, sie in den Mittelpunkt zu stellen. Und das, obwohl ein anderer Faktor eine viel größere Rolle bei der Bildqualität und sonstigen Charakteristika eines Kamerasystems spielt – nämlich die Abmessungen des Bildsensors.

Eine Frage der Größe

Als Oskar Barnack 1913 die erste Kleinbildkamera konstruierte, war der verwendete Film (mit den Negativmaßen 36 x 24 mm) klein – und zwar im Vergleich zu den damals üblichen Aufnahmeformaten wie dem 60 x 90-mm-Rollfilm.

Gut 80 Jahre später kamen die ersten Digitalkameras für eine breite Anwenderschicht auf den Markt. Bildsensoren mit Kleinbild-Abmessungen erschienen zu diesem Zeitpunkt sehr groß und ihre Produktion war schwierig. Durch den hohen Ausschuss waren die kleinbildgroßen Sensoren extrem teuer und kamen zunächst für den Massenmarkt nicht in Frage. Kompaktkameras waren daher von Anfang an mit deutlich kleineren Sensoren ausgestattet. Die winzigen Sensoren haben den bis heute liebgewonnenen Nebeneffekt, dass sich die Objektive kleiner bauen lassen, da sie mit kürzeren Brennweiten auskommen (siehe „Brennweite und Crop-Faktor“, unten).

Erst die digitalen Spiegelreflexkameras (SLRs) brachten wieder größere Sensoren ins Spiel: Mit den ersten SLRs für den Massenmarkt von Canon (2003: EOS 300D) und Nikon (2004: D70) setzten sich die sogenannten APS-C-Sensoren (bei Nikon DX genannt) durch, die um den Faktor 2,3 bis 2,6 kleiner sind als das Kleinbild. Spiegelreflexkameras mit kleinbildgroßen Sensoren waren erst ab 2005 auf breiter Front erfolgreich – das erste Modell für eine größere Käuferschicht war die Canon EOS 5D.

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Sensorgrößen

Sensorgrößen im Vergleich: In Digitalkameras kommen Bildsensoren mit sehr unterschiedlichen Größen zum Einsatz. Der Vollformatsensor hat fast die 30fache Fläche des kleinen 1/2,3-Zoll-Typs

Die Marketingstrategen der Kameraindustrie benannten das Kleinbild geschickt in das besser klingende Vollformat um. Der Begriff ist durchaus problematisch: Er weckt die Illusion, dass es ein „ideales“ Sensorformat gäbe – alles andere ist entweder nicht „voll(ständig)“ oder „übervoll“. Tatsächlich ist jede Sensorgröße und damit jede Kamera ein Kompromiss mit Vor- und Nachteilen.

Je größer der Sensor ist, desto besser könnte – zumindest unter idealen Bedingungen und bei gleichem Entwicklungsstand – die Bildqualität sein. So lässt sich die Auflösung steigern oder durch größere Pixel das Bildrauschen und die Dynamik verbessern. Im Gegenzug werden aber Kameras und Objektive größer und teurer. Wie die digitalen Mittelformatkameras zeigen, ist aber auch das Vollformat bei der Bildqualität schon ein Kompromiss – es geht auch größer und höher auflösend (aktuell bis 100 Megapixel). Oder aber natürlich kleiner, leichter und billiger.

Der Fortschritt bei Bildsensoren führt dazu, dass heute zumindest bis ISO 800 die Unterschiede zwischen dem Vollformat und den kleineren APS-C- und Micro-Four-Thirds-Sensoren nur bei sehr kritischer Betrachtung oder starken Belichtungskorrekturen im Raw-Konverter sichtbar werden. Wie weit die Kompromissbereitschaft geht, muss jeder selber entscheiden. Smartphones und viele Kompaktkameras nutzen Sensoren, die nur noch 1/30tel bis 1/50tel der Fläche des Kleinbilds haben – dafür lassen sich Objektive im ultraflachen Handygehäuse unterbringen oder Kameras mit 40fach-Zooms konstruieren, die in die Hosentasche passen.

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Brennweite und Crop-Faktor

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Kleinere Sensoren

Kleinere Sensoren bilden einen Ausschnitt ab und simulieren so längere Brennweiten

© Andreas Jordan

Die Brennweite beschreibt den Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene des Objektivs und dem Brennpunkt auf dem Bildsensor bzw. dem Film. Sie wird aber meist mit dem von einem Kamerasystem erfassten Bildwinkel assoziiert. So denken die meisten Fotografen bei einer Brennweite von 28 mm an ein Weitwinkel und bei 100mm an ein leichtes Tele. Dieser Zusammenhang von Brennweite und Bildwinkel ist aber nur bei einer bestimmten Film- bzw. Sensorgröße korrekt, nämlich beim Kleinbild-Film respektive dem gleich großen digitalen „Vollformat“.

Was passiert nun, wenn ein für das Vollformat ausgelegtes 28-mm-Objektiv an einer Kamera mit kleinerem Bildsensor betrieben wird? Der kleinere Sensor erfasst logischerweise einen kleineren Bildausschnitt – das Bild wird beschnitten. Beschnitt heißt auf Englisch Crop, deshalb spricht man auch vom Crop-Faktor (manchmal ist auch vom Format-Faktor die Rede). Die umgangssprachlich benutzte Brennweitenverlängerung ist technisch falsch, denn die Brennweite ändert sich durch kleinere Sensoren nicht.

Der Crop-Faktor gibt an, welche Brennweite am Kleinbild/Vollformat den gleichen Bildwinkel erfassen würde. Er wird auf Basis der Sensordiagonale berechnet. So hat ein APS-C-Sensor von Fujifilm, Nikon, Ricoh oder Sony eine Diagonale, die um den Faktor 1,5 kürzer ist als beim Kleinbild bzw. Vollformat. Ein 28-mm-Objektiv erfasst daher an APS-C-Kameras der besagten Kamerahersteller den gleichen Bildwinkel wir ein 42-mm-Objektiv am Kleinbild/Vollformat. Anders ausgedrückt: Je kleiner der Sensor ist, umso weitwinkliger und kleiner können die Objektive sein, um den gleichen Bildwinkel zu erfassen.

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Von der Fotodiode zum Pixel

Unabhängig von der Größe sind alle Bildsensoren ähnlich aufgebaut. Ihre zentralen Bestandteile sind Fotodioden aus Silizium, deren Anzahl der Pixelzahl entspricht. Sie nutzen den „photoelektrischen Effekt“ – für dessen Beschreibung Albert Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt –, um Lichtteilchen (Photonen) in elektrische Ladung (Elektronen) zu wandeln.

Die ersten Bildsensoren waren nach dem CCD-Prinzip (Charge-coupled Device, ladungsgekoppeltes Bauteil) konstruiert. Die erzeugte Ladung wird dabei nach dem „Eimerkettenprinzip“ in vielen kleinen Schritten über horizontale und vertikale Register weitergeleitet. Der CCD ist an sich noch kein digitaler Sensor. So kamen CCDs bereits vor dem Beginn der Digitalfotografie in Videokameras (zum Beispiel Hi8) zum Einsatz, welche analoge, elektronische Informationen auf Bandkassetten speicherten. In Digitalkameras wurde dann ein zentraler Analog/Digital-Konverter (ADC) integriert, der die Ladung des CCDs digitalisiert.

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CMOS- und CCD-Sensoren

CMOS versus CCD: Die heute in den meisten Kameras genutzten CMOS-Sensoren besitzen pro Pixel einen Verstärker und lassen sich schneller auslesen als CCDs. Die Nachteile sind inzwischen weitgehend ausgeglichen

© fotoMAGAZIN, Rainer Jahnke

Heute nutzen fast alle Digitalkameras CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Im Gegensatz zu CCDs haben moderne CMOS-Bildwandler pro Fotodiode einen Verstärker, sodass sich die Pixelelemente einzeln ansprechen und schneller auslesen lassen – man spricht daher auch von einem Active Pixel Sensor (APS, nicht zu verwechseln mit dem Bildformat APS). Das schnelle Auslesen ist die Voraussetzung für hochfrequente Serienbilder, hochauflösende Videos oder Multishot-Funktionen, bei denen mehrere Aufnahmen miteinander verrechnet werden, beispielsweise für Schwenkpanoramen oder HDR-Bilder.

Auch lassen sich mehrere Pixel zusammenschalten („Binning“) oder nur Teile des Sensors auslesen. Weitere Vorteile von CMOS-Sensoren sind ein geringerer Stromverbrauch und das Vermeiden von Streifenbildungen bei hellen Lichtquellen („Smearing“) beziehungsweise die Reduzierung von hellen Flecken bei überbelichteten Bildbereichen („Blooming“).

Es gibt aber auch Nachteile. So können bei Verwendung eines elektronischen Verschlusses (also beispielsweise bei der Videoaufzeichnung) Verzerrungen durch den „Rolling Shutter“-Effekt entstehen. Außerdem reduziert die zusätzliche Elektronik die lichtempfindliche Fläche.

Dieses Problem verringern die Hersteller vor allem bei kleinen CMOS-Sensoren in Kompaktkameras und Smartphones durch die sogenannte BSI-Bauweise (Back-side Illumination). Im Gegensatz zur herkömmlichen Bauweise (auch FSI, Front-side Illumination, genannt) werden die Leiterbahnen dabei hinter die Fotodioden verlegt, um die Lichtausbeute zu erhöhen. Die BSI-Bauweise hat sich bisher weitgehend bei kleinen Sensoren bis 1 Zoll durchgesetzt. Im Micro-Four-Thirds- und APS-C-Bereich gibt es aktuell keine BSI-Sensoren, beim Vollformat hat Sony diese Technologie in der Alpha 7R II sowie Alpha 9 und Nikon in der D850 umgesetzt.

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Sie können bis zu drei Kameras vergleichen, um eine andere auszuwählen, entfernen Sie eine aus dem Vergleich.
Andreas Jordan
Über den Autor
Andreas Jordan

Andreas Jordan ist Mediendesigner und arbeitet seit 1994 als Redakteur und Autor mit den Schwerpunkten Multimedia, Imaging und Fotografie für verschiedene Fach- und Special-Interest-Magazine (u. a. Screen Multimedia, Computerfoto, MACup). Seit 2003 ist er Redakteur beim fotoMAGAZIN und leitet dort seit 2007 das Ressort Test & Technik.