Kamera Basics #13 - CMOS, BSI Sensor oder Stacked Sensor? Was sind die Unterschiede?
Als Fachhändler haben wir eine Mission: Wir möchten dich bestmöglich beraten und dir dabei helfen die Unterschiede der verschiedenen Technologien, die auf dem Kameramarkt zu finden sind, besser zu verstehen. Deswegen möchten wir dir heute die verschiedenen Sensortechnologien näher bringen. Ganz besonders die Unterschiede des Stacked Sensor zum BSI Sensor.
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Die Geschichte der unterschiedlichen Bildsensoren
Die ersten Sensoren basierten auf dem CCD-Array-Sensor und dem Bayer- (CCD-)Sensor, während moderne Kamerasensoren mit CMOS-System arbeiten. Der CCD-Sensor wurde einst in einer zweilagigen Variante in den ersten Digitalkameras und Videokameras eingebaut und hauptsächlich in der Astronomie eingesetzt. Bei den Bayer-Sensoren handelt es sich um Fotosensoren, die mit einem Farbfilter überzogen sind und so über ein Schachbrett aus verschiedenfarbigen Fotozellen verfügen. Diese Sensoren sind mit 50% grünen, 25% roten und blauen Sensoren versehen.
Fachwissen für Angeber:
Übrigens: Es ist der Grünanteil, welcher die Schärfe und die Auflösung an einem Objektiv im Wesentlichen bestimmt. Da die grüne Farbe in Grautönen betrachtet einen der größten Einflüsse auf die Kontrast- & Helligkeitswahrnehmung hat (etwa 72%).
Der moderne Active Pixel Sensor (CMOS-Sensor) basiert auf der Halbleitertechnologie und misst das einfallende Licht. Die CMOS-Technologie hat Vieles ermöglicht, wie z. B. weitere technische Integrationen wie die Belichtungskontrolle oder die Kontrastkorrektur.
CMOS Sensor der gängigen Methoden NebeneinanderDer CMOS Sensor im Detail
Zuvor sind wir auf die unterschiedlichen Technologien der letzten Jahre eingegangen, jetzt wollen wir den Fokus allerdings auf die moderne CMOS-Technologie legen. Diese Sensoren sind besonders gut geeignet, um auch Infrarotstrahlung wahrzunehmen, es gibt hier auch eine eigene Szene, welche die Kameras für dieses Spektrum an Licht empfindlich macht.
Vorteile der CMOS Sensoren
- geringere Baugröße durch Einsparung von Kompetenten, die nun mit dem Sensor verbunden sind
- geringerer Stromverbrauch
- Möglichkeit hoher Bildraten (Bilder pro Sekunde)
Klassischer CMOS Sensor
Bei einem klassischen CMOS Sensor befinden sich die Metallverbindungen auf der Vorderseite, hinter den Farbfiltern. Hinter dem Metallverbindungen befinden sich die Photodioden. Dieser Aufbau hat den Nachteil, dass die dynamische Reichweite durch die Verbindungen verschlechtert wird und der Sensor eine langsamere Autofokusleistung bietet als sie der rückwärtig belichtete Sensor ermöglichen würde.
Backside Illuminated CMOS (BSI CMOS)
Hier ist der Sensoraufbau so, dass die Metallverbindungen rückwärtig auf den Sensor aufgebracht werden. Dieser Aufbau bietet eine höhere dynamische Reichweite und ist dabei noch wesentlich schneller in der Auslesegeschwindigkeit als der klassische CMOS Sensor. Der Sensor bietet darüber hinaus auch eine bessere Low Light Performance, da die Dioden kein Licht mehr an die Metallverbindungen verlieren. Durch das zeilenweise Auslesen ist der Rollingshutter-Effekt vorhanden, aber das ISO-Rauschen wird deutlich verbessert.
Stacked CMOS (BSI Stacked CMOS)
Hier befinden sich nun zwei Metallverbindungen auf der Rückseite, welche dafür sorgen, dass der Sensor schneller ausgelesen werden kann. In Verbindung mit einem großen und schnellen DRAM ist es so möglich, eine erhebliche Menge Bilder in den Buffer der Kamera zu bringen. Je nachdem wie weit dieser Sensor entwickelt ist, reduziert sich die Ausleseverzörgung nahezu auf Null, wie es beim mechanischen Verschluss der Fall gewesen ist. Wusstest du, dass die Stacked CMOS Technologie noch gar nicht so lange in Kameras verbaut wird? Erst seit 2015 verbaut Sony unter anderem diese Bildwandler.
Vorteil der Stacked Technologie
- höhere Bildrate
- keine Verzerrung beim Einsatz des elektronischen Verschlusses
- höhere Präzision für Autofokus & Belichtung
Fujifilms X-Trans Technologie
Im geschichtlichen Teil haben wir das Bayer-System mit seinen im Schachbrettmuster angeordneten Farbpixeln erklärt. Bei den X-Trans angeordneten Farbfiltern gibt es immer einen Pixelzusammenschluss aus 4-6 Grünerfarbfiltern, während im Bayer Sensor die Technologie die Farbe jeweils Zeile für Zeile abwechselt. Diese Technologie ist mittlerweile teils auch im Bayer Sensorsystem zu finden und bereichert dieses mit einem Quad Bayer Array, wo dann statt je einem Farbfeld pro Zeile gleich 4 Farbfelder zusammengesetzt werden, die dann softwareseitig wieder zusammengerechnet werden (Pixel Binning). Diese Quad-Bayer Sensoren finden häufig Einzug in Smartphones, Action-Cams oder Drohnen, die hohe Megapixel vorzuweisen haben.
Die Vorteile der X-Trans Technologie liegen in der Reduktion von Moiré-Effekten und den verbesserten Grüntönen, welche sich auch auf die Schärfe mit auswirken.
Das Canon Dual Pixel Sensormodell
Canons technologische Entwicklung des Dual Pixel Sensors setzt unter jede Mikrolinse statt einer Fotodiode sind dort zwei verbaut. Dies ermöglicht die Messung von Licht in zwei verschiedenen Winkeln und ermöglicht somit eine höhere Flexibilität der Raws. Verwendet man die Canon eigene Software, kann beispielsweise auch das Bokeh und die Schärfe verschieben. Natürlich sprechen wir in diesem Fall von minimalen Anpassungen, doch sind diese manchmal entscheidend.
Ebenfalls kann man mit der Software nachträglich auch das Flaring und Ghosting des Bilders reduzieren oder verändern, da die Fotodioden beide unterschiedliche Informationen aufgenommen haben.
Bei der Verwendung der Dualpixel Raws, speichert die Kamera statt einem Bild gleich zwei Bilder in einem und bietet so eine größere Vielfalt an Möglichkeiten. Der einzige echte Nachteil ist dabei die doppelt so große Dateigröße.
Fazit
Mit der aktuellen Stacked CMOS BSI Technologie stoßen wir teils fast an die physikalischen Grenzen, welche die Ausleserate und die Dynamik der Bildwandler ermöglichen können. Wenn wir uns moderne Sensoren anschauen, macht es durchaus Sinn, sich über die verbauten Prozessoren und die Speichergrößeen der Cachingbausteine zu unterhalten. Denn diese geben den Kameras noch das eine oder andere spürbare Upgrade. Denn je mehr Künstliche Intelligenz und Videoformate / Codecs in die Kameras einziehen, desto mehr Leistung benötigt der verbaute Prozessor.
Wer einen BSI oder einen Stacked CMOS (Stacked CMOS BSI) besitzt, der hat mit seiner Kamera einige Vorteile, welche die Kameras umso vielseitiger machen.
Panasonic Lumix DC-S5II
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