Bildsensor

Bildsensoren sind lichtempfindliche Sensoren, die Helligkeit in Spannung umsetzen. Sie bilden die zentrale elektronische Komponente von Digitalkameras und Camcorder und treten an Stelle des Negativfilms in Analogkameras. Bildsensoren sind flächenmäßige Sensoren, die aus vielen kleinsten lichtempfindlichen Fotozellen bestehen, die matrixmäßig in Reihen und Spalten angeordnet sind. Aufnahmeelemente können Fotodioden oder Fototransistoren sein, die mittels Photoeffekt das auf sie fallende Licht in Spannung umsetzen.


Technologische Unterschiede von Bildsensoren

Bildsensoren unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Technologie, ihrer Größe und der Pixelzahl. Die am häufigsten benutzten Basis-Technologien sind Charge Coupled Device (CCD) und Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) für CMOS-Sensoren. Von diesen Technologien gibt es einige Weiterentwicklungen, die sich durch verbesserte Kennwerte auszeichnen. So den Foveon-X3-Sensor, den Contact Image Sensor (CIS), den Digital Pixel Sensor (DPS), die Intensified Charge Coupled Device (ICCD), die Super Charge Coupled Device (SCCD) oder den Backside Illuminated Sensor (BSI).

CMOS-Sensor mit 12 MPixel, Foto: europe-nikon

CMOS-Sensor mit 12 MPixel, Foto: europe-nikon

Bei diesem Bildsensor liegt die lichtempfindliche Schicht über der Metallisierungsebene, wodurch das einfallende Licht nicht durch die Metallisierung gedämpft wird. Mit einer anderen auf Graphen basierenden Technologie arbeitet der Graphen-Sensor. Es handelt sich dabei um elektrisch leitende Kohlenstoffverbindungen, die lichtempfindlich sind und Photonen absorbieren und Elektronen emittieren können.

Größe der verschiedenen Bildsensortypen

Größe der verschiedenen Bildsensortypen

Im Zusammenhang mit der Sensor- resp. Chipgröße sind die Fotozellengröße und die Fotozellenzahl, zu sehen. Alle drei Kennwerte stehen in einer Beziehung zueinander und bestimmen die Bildauflösung, die Lichtempfindlichkeit, den Dynamikumfang und das Bildrauschen.

Die eigentliche Sensorgröße bezieht sich ausschließlich auf den Sensorchip. Es gibt festgelegte Sensorgrößen, die zwischen 4,5 x 3,0 mm und 48 x 36 mm liegen. Die kleineren Größen haben Zollangaben, so 1/3,2", 1/2,7", 1/2,5", 1/1,8", 1/1,7" und 2/3". Betrachtet man die Millimeterangaben, dann wird man nicht auf die entsprechenden Werte kommen. So ist beispielsweise die Sensorgröße 2/3" 8,8 x 6,6 mm groß. Das hat historische Gründe, die in der nutzbaren Fläche der früheren Bildaufnahmeröhren, den Vidikons, liegen. Bei diesen Aufnahmeröhren wurde der Durchmesser des Glaskolbens in Inch angegeben. Die effektive Größe der lichtempfindlichen Aufnahmefläche innerhalb des Glaskolbens war wesentlich kleiner. Die Diagonale der Aufnahmefläche betrug lediglich 16,8 mm, bei einem Bildseitenverhältnis von 4:3, und dieser Wert bildet die Basis für die Größe der Bildsensoren. Die größeren Sensorformate heißen FourThirds, was einer Chipgröße von 22,5 mm Diagonale entspricht, APS-Format (APS-C) mit einer Größe von 23 mm x 15mm und das Kleinbildformat, das wie bei klassischen Kleinbildkameras 36 x 24 mm beträgt. Dieses Format wird auch als Vollformat bezeichnet.

Weitere Kennwerte von Bildsensoren

Was die Pixelzahl betrifft, so ist diese abhängig von der Chipgröße und der Pixelgröße. Die Pixelzahl selbst, die ein Maß für die Bildauflösung ist, wird in Megapixel (MP) angegeben. Bei der Angabe handelt es sich um die tatsächliche Anzahl an Pixel, die die Kamera darstellen kann, nicht um die Anzahl an Fotozellen. Sie liegt bei Bildsensoren zwischen 0,3 MP und 10 MP, in professionellen Digitalkameras beträgt sie ein Vielfaches von 10 MP. Aus der Pixelzahl kann man über das Bildseitenverhältnis die Bildauflösung bestimmen. Bildsensoren haben Seitenverhältnisse von 4:3, aber auch von 3:2, 16:9 oder 1:1. Bei 1 Megapixel und einem Bildseitenverhältnis von 4:3 ergibt sich eine Bildauflösung von 1.152 Pixel in der Horizontalen und 864 in der Vertikalen, bei 10 MP sind es 3.650 x 2.750 Pixel.

Kennwerte von Bildsensoren

Kennwerte von Bildsensoren

Was die Pixelgröße resp. den Pixelpitch betrifft, so liegen diese in der Praxis zwischen 1,5 µm und ca. 30 µm. Je größer ein Pixel ist, desto mehr Licht kann es aufnehmen und desto größer ist seine Lichtempfindlichkeit. Andererseits verringert sich bei größeren Pixeln die Bildauflösung aber auch das Bildrauschen. Es geht also darum für Digitalkameras einen sinnvollen Kompromiss zwischen diesen drei Größen herzustellen.

Ein weiterer Kennwert von Bildsensoren ist die Sensorempfindlichkeit. Wie bei klassischen Analogfilmen wird die Sensorempfindlichkeit in ISO-Werten angegeben, die den ASA-Werten entsprechen. Die Grundempfindlichkeiten von Bildsensoren liegen zwischen 50 ASA und 200 ASA.

Da die eigentlichen Halbleitersensoren nur Helligkeitswerte nicht aber Farbtöne unterscheiden können, müssen die Helligkeitssignale, bevor sie auf die eigentlichen Halbleitersensoren treffen, mittels Farbfilter in die Primärfarben zerlegt werden. Daher sind bei vielen Konsumer-Kameras unmittelbar auf den Halbleitersensoren Bayer-Filter oder wie beim EXR-Sensor andere Farbfilter integriert. Andere Techniken wie der Foveon-X3-Sensor nutzen ein mehrschichtiges Filterkonzept.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Bildsensor
Englisch: picture sensor
Veröffentlicht: 10.02.2017
Wörter: 703
Tags: #Digitalkameras
Links: APS (advanced photo system), AR (aspect ratio), ASA (average speed of answer), Bayer-Filter, Bildrauschen