CMOS-Sensor

Ein CMOS-Sensor ist ein Halbleiter-Chip, das sich wie die menschliche Netzhaut verhält: Optische Signale (Licht) werden in elektrische Signale gewandelt. Die ersten Versuche CMOS-Sensoren zu bauen endeten wenig erfolgreich. Die Bildqualität war unbrauchbar. Mit CCD-Sensoren gelang es sehr viel schneller eine gute Bildqualität zu erreichen. Ihr Siegeszug begann in den 1970er Jahren.

In den 1990er Jahren erinnerten sich einige Forscher an die ersten Versuche mit CMOS-Sensoren. Mit neuen Ideen gelang es ihnen, CMOS-Sensoren die ersten brauchbaren Bilder zu entlocken. Heute basieren mehr und mehr industrielle USB-Kameras, FireWire-Kameras und GigE-Kameras auf CMOS-Sensoren.

Wie funktioniert ein CMOS-Sensor?

CMOS-Sensoren aber auch CCD-Sensoren liegt der fotoelektrischen Effekt zugrunde. Demnach setzt Licht, das auf Materie trifft Elektronen frei. In unserem Fall ist das Stückchen Materie ein Silizium-Chip. Auf diesem Chip sind hundertausende Kondensatoren schachbrettartig angeordnet - die Pixel. Sie sammeln die freigesetzten Elektronen auf.

Bis hierhin sind die Strukturen von CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren sehr ähnlich. Unterschiedlich dagegen sind die physische Umsetzung der Kondensatoren und der Transfer der Elektronen aus dem Chip heraus. Die Pros und Kontras für CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren ergeben sich im Wesentlichen aus diesen Unterschieden.

Wie sieht ein CMOS-Sensor Farbe?

Um Farben sehen zu können benötigt ein CMOS-Sensor - wie auch die menschliche Netzhaut - drei unterschiedliche Typen von Pixeln (auf der Netzhaut heissen sie "Zapfen"), nämlich je einen für Rot, Grün und Blau. Die Netzhaut hat zusätzlich einen vierten Pixel-Typen für das Schwarz-Weiß-Sehen (genannt "Stäbchen").

Dieses Zusammenspiel aller vier Typen gibt es bei CMOS-Sensoren nicht: Sie haben entweder nur Schwarz-Weiß-Pixel (für den Bau von Schwarzweiß-Kameras) oder solche, die empfindlich für rotes, grünes und blaues Licht sind. Sie dienen dann dem Bau von Farb-Kameras.

Der Artikel Farbkameras - woher die Farbe wirklich kommt. stellt diese Zusammenhänge ausführlich dar.

Vorteile von CMOS-Sensoren

Es kommt nicht von ungefähr, dass CMOS-Sensoren mittlerweile selbst in semiprofessionellen Consumer-Kameras dominieren. Ihre Vorteile wiegen besonders im mobilen Zeitalter schwer:

Niedriger Stromverbrauch: Die eigentlichen Unterschiede zwischen CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren betriffen die Behandlung der aufgesammelten Elektronen. Diese ist im Fall von CMOS-Sensoren mit einem wesentlich geringeren Stromverbrauch verbunden.
Binning und ROI einfach zu realisiern: Aus dem selben Grund ist das Zusammenfassen von Pixeln zur Erhöhung der Empfindlichkeit (Binning) sowie das Auslesen kleiner Bildteile (Region of Interest) im Fall von CMOS-Sensoren recht einfach realisierbar.
Kleine Bauform von Industrie-Kameras möglich: CMOS-Sensoren sind letztlich ganz "normale" Chips. Auf ihnen lässt sich also mehr integrieren, als nur der "Licht-Sensor". Dieses führt letztlich zu kleineren Industrie-Kameras.

Nachteile von CMOS-Sensoren

Einige "traditionelle" Nachteile von CMOS-Sensoren sind mittlerweile verschwunden oder treten nur noch so geringfügig auf, dass sie für den Normalfall nicht mehr relevant sind. Übrig geblieben sind:

Rolling Shutter: Die meisten CMOS-Sensoren können das Bild nicht auf einen Schlag, sondern nur zeilenweise belichten (Rolling Shutter). Dadurch sind die Bilder von sich bewegenden Objekten verzerrt.
Eingeschränkte Langzeitbelichtung: Die schon mehrfach angesprochene unterschiedliche Behandlung der in CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren aufgesammelten Elektronen wirkt sich häufig zum Vorteil von CMOS-Sensoren aus. Im Fall einer Langzeitbelichtung ist es aber genau umgekehrt: CCD-Sensoren liefern selbst bei Belichtungszeiten von einer Stunde noch brauchbare Ergebnisse während bei CMOS-Sensoren schon nach wenigen Minuten das Ende der Fahnenstange erreicht ist.
Kurze Produktlebenszyklen: Die kurzen Produktlebenszyklen sind nicht durch die technischen Eigenschaften von CMOS-Sensoren bedingt. Die Mehrzahl von ihnen stammt einfach nach wie vor aus dem schnelllebigen Consumer-Markt.

Der Markt für Industriekameras wächst sehr stark. Darauf sind mittlerweile auch die Hersteller von CMOS-Sensoren aufmerksam geworden. Sie bieten daher erste Sensoren gezielt für diesen Markt an. Die entsprechenden Sensoren bieten natürlich einen Global Shutter und eine langjährige Verfügbarkeit.