CMOS-Sensor

Der CMOS-Sensor ist ein Bildsensor, der in Digitalkameras und Camcordern eingesetzt wird. Ebenso wie CCD-Sensoren sind CMOS-Sensoren lichtempfindliche Bauteile, die das auf sie fallende Licht in Spannungen umsetzen. Funktional unterscheiden sich beide elektronische Bauteile dadurch, dass bei CCD-Sensor das Ladungsbild schrittweise verschoben und dann ausgelesen wird, beim CMOS-Sensor hingegen erfolgt die Umwandlung durch Transistoren, die sich unmittelbar am Pixel befinden.


Kennwerte von CMOS-Sensoren

Was die spezifischen Daten wie die spektrale Lichtempfindlichkeit, Pixelzahl, Auslesegeschwindigkeit, Chipgröße, das Bildrauschen oder den mit dem Bildrauschen in Zusammenhang stehenden Dynamikbereich betrifft, so wurden diese Werte im Laufe der Entwicklung wesentlich verbessert und sind qualitativ durchaus vergleichbar oder teilweise besser als die von CCD-Sensoren. CMOS-Sensoren können kompakter und preiswerter produziert werden. Die Auflösung von CMOS-Sensoren liegt bei bis zu zehn Megapixel (MP) und darüber. Da jeder Pixel direkt adressierbar ist, ist das Pixel-Binning einfacher und das Auslesen wesentlich fexibler und schneller. Es können sogar Teilbilder partiell ausgelesen werden. Außerdem ist die Leistungsaufnahme wesentlich geringer und das Blooming begrenzt. In die in CMOS-Technologie gefertigten Bildsensoren können zudem weitere Funktionseinheiten wie Belichtungskontrolle und AD-Wandler integriert werden.

CMOS-Sensor 
   mit 22 x 15 mm Chipgröße, EOS1000D von Cannon

CMOS-Sensor mit 22 x 15 mm Chipgröße, EOS1000D von Cannon

Vom Aufbau her besteht eine aktive CMOS-Zelle aus einer Fotodiode, einem kleinen Kondensator für die Ladungsaufnahme, einem Verstärkerelement und den Datenleitungen für das Auslesen und Rückstellen. Eine solche aktive Zelle wird als Active Pixel Sensor (APS) bezeichnet. Die Fotozelle erzeugt mittels Photoeffekt eine Spannung, die proportional der Lichtmenge ist, also der Lichtintensität und der Belichtungszeit. Die Ladespannung wird im Kondensator gespeichert und von dem nachgeschalteten MOSFET verstärkt. Ausgelesen wird die verstärkte Ladespannung durch einen Auslesepuls. Sie gelangt von dort als Analogspannung an den verarbeitenden Signalprozessor. Zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit gibt es als weiteren Bildsensor den HDRC-Sensor, High Dynamic Range CMOS (HDRC), der über einen enormen Dynamikbereich verfügt und auch in Dunkelheit eingesetzt werden kann.

Filtertechniken von Bildsensoren

Wie andere Bildsensoren auch, kann der CMOS-Sensor nur hell und dunkel unterscheiden, nicht aber die Farben. Die Farberkennung kann nur über vorgeschaltete Farbfilter erfolgen, die das Licht in seine Primärfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) aufteilen. Über ein solches vorgeschaltetes Farbfilter wird jedem Pixel eines CMOS-Sensors nur Licht einer Primärfarbe zugeführt. Die dafür benutzten Farbfilter, die aus regelmäßig angeordneten roten, grünen und blauen Farbfiltern bestehen, können Bayer-Filter oder Interferenzfilter sein.

Bildsensoren haben vereinheitlichte Formate, die in Inch angegeben werden und sich auf die Sensordiagonale beziehen. Standardformate liegen zwischen 1/2,7" mit einer Diagonalen von 5,9 mm und FourThirds (4/3") mit einer solchen von 21,3 mm. Neben den kleinformatigen Bildsensoren gibt es auch großformatige Bildsensoren im APS-Format (APS-C) mit einer Größe von 23 mm x 15 mm und im Vollformat, das dem Kleinbildformat mit 36 mm x 24 mm entspricht. Es ist allerdings darauf zu achten, dass die Berechnungsgrundlage für ein Inch nicht 25,4 mm ist, sondern 16,8 mm. Das hat historische Gründe und hängt mit den früheren Größenangaben für Bildaufnahmeröhren zusammen.

Informationen zum Artikel
Deutsch: CMOS-Sensor
Englisch: CMOS sensor
Veröffentlicht: 20.08.2014
Wörter: 499
Tags: #Aktive Bauelemente
Links: active, A/D (AD-Wandler), APS (advanced photo system), Auflösung, Bayer-Filter