Es ist unbestritten, dass die Digitalfotografie zum Standard unseres modernen Lebensstils geworden ist, denn jeden Tag kommen kleinere, kompaktere Kameras auf den Markt, die eine erstaunliche Bildqualität liefern. Aber wie ist das möglich? Das Geheimnis liegt im Bildsensor. In dieser Folge von Techquickie mit Linus Sebastian werden Bildsensoren kurz und bündig erklärt:

Was sind Bildsensoren?

Bildsensoren ahmen den Transduktionsprozess eines biologischen Auges künstlich nach. OK, Moment, sagen Sie, was ist Transduktion? Es ist die Aktion oder der Prozess der Umwandlung von Energie in eine andere Form.

In der Fotografie bieten uns Bildsensoren also die Möglichkeit, qualitativ hochwertige Bilder und Videos direkter in ein digitales Format für eine einfache Verwendung zu übertragen.

Hier ist Sebastians zusammengefasste Erklärung:

Im menschlichen Auge arbeiten Stäbchen- und Zapfenrezeptoren in Kombination mit Ganglienzellen, um Photonen in ein elektrochemisches Signal umzuwandeln, das der Occipitallappen in deinem Gehirn dann verarbeiten kann.

Im Falle eines Bildsensors werden Photonen als geladene Elektronen und Silizium eingefangen und mit Hilfe von Kondensatoren und Verstärkern in einen Spannungswert umgewandelt, der später in einen digitalen Code umgewandelt wird, der von einem Computer verarbeitet werden kann.

Während dies auf unterschiedliche Weise geschehen kann, funktionieren die meisten Sensoren ziemlich ähnlich. Der große Unterschied zwischen ihnen ist die Art und Weise, wie sie Reize verarbeiten. Es gibt zwei gängige und ausgereifte Formen von Sensoren: CCD (Charge Coupled Device, ladungsgekoppeltes Gerät) und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter).

Wie Sebastian erklärt, funktionieren CCD-Sensoren, indem sie Photonenstrahlen in Silizium registrieren, das eine Gitteranordnung von Pixeln enthält. Nachdem Elektronenladungen in diesem Pixelarray eingefangen wurden, werden sie von unten nach oben in einem seriellen Schieberegister verarbeitet und jeweils eine einzelne Ladung herausgeschoben, um in eine analoge Spannung umgewandelt zu werden, die dann über einen Analog-Digital-Wandler in eine Kodierung umgewandelt wird.

Da diese Sensoren durch die Verarbeitung von Ladungen einzeln über die Zeilen eines Arrays arbeiten, benötigt dieses System ziemlich viel Strom, um zu funktionieren. Das bedeutet aber auch, dass weniger Rauschen auftritt, weil weniger Spannungsverstärker erforderlich sind. Aus diesem Grund eignen sich CCD-Sensoren besser für bestimmte Arten der Fotografie, z. B. für Luft- oder Raumfahrtaufnahmen.

CMOS-Sensoren findet man in der Regel in Verbraucherprodukten. Der Unterschied zwischen CMOS- und CCD-Sensoren besteht darin, dass bei CMOS-Sensoren die Elektronenladungen nicht entlang eines Arrays verschoben werden, um dann modifiziert zu werden, sondern dass jedem Pixel ein zusätzlicher Schaltkreis hinzugefügt wird, der es ihm ermöglicht, so gut wie alle Verarbeitungen einzeln mit dem Signal durchzuführen und es dann direkt an die CPU weiterzuleiten.

Dadurch wird ein Raster vermieden, was den Stromverbrauch reduziert und die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht.

CCD- und CMOS-Bildsensoren im Vergleich

CCD:

• Teurer
• Braucht mehr Strom
• Weniger digitales Rauschen
• Besser bei wenig Licht

CMOS:

• weniger teuer
• weniger Stromverbrauch
• mehr digitales Rauschen
• Probleme mit Rolling Shutter

Das war eine schöne, kompakte Erklärung und ein Vergleich von CCD- und CMOS-Bildsensoren. Wir hoffen, es hat ein paar Dinge geklärt und Ihnen geholfen, die Funktionsweise Ihrer Kamera ein wenig besser zu verstehen.