Bauarten von Bildsensorchips
Heutige Sensorchips beruhen generell auf den beiden Techniken
CMOS und
CCD. Zu beachten ist, daß CCD
tatsächlich die Bezeichnung für die dem Chip zugrundeliegende Aufnahmetechnik ist, wohingegen der Name
CMOS lediglich Aufschluß über die Bauart des Chips gibt.
Grundlegendes Element eines Bildsensors ist in jedem Fall die Fotodiode, die nach dem Prinzip des Lichtelektrischen Effekts
funktioniert.
CCD
CCD steht im Englischen für Charge Coupled Device, was soviel heißt wie Ladungsgekoppeltes Bauteil. Ein CCD besteht aus einigen Tausend bis mehreren Millionen Fotodioden, die in Matrixanordnung auf einem Siliziumwafer aufgebracht sind. Zu jeder Diode gehört ein Behälter, in dem die bei einer Belichtung freigesetzten Elektronen bis zum Abtransport durch Auslesen des Chips gesammelt werden, genannt Ladungspool. Ein solcher Ladungspool kann dabei nur eine bestimmte Höchstanzahl an Elektronen aufnehmen. Wenn diese überschritten wird, beispielsweise durch sehr helle Stellen im Bildmotiv, dann kann es zum Überlaufen des Pools und damit Beeinflussung der Nachbarzellen kommen, was sich im Foto als Blooming äußert.
Die Fotodioden sehen eigentlich nur Helligkeitswerte und können nach Präparation mit Farbfiltern jeweils
nur eine der drei Grundfarben des Lichts (Rot, Grün und Blau) aufnehmen und sind dementsprechend wie die
Felder auf einem Schachbrett angeordnet. Gemessen wird hierbei nur der Helligkeitswert der einzelnen Farbe.
Da das menschliche Auge im Grünbereich am empfindlichsten sieht – auf der Netzhaut befinden sich doppelt
so viele Rezeptoren für Grün als solche für Rot und Blau – sind auch auf dem Chip die Dioden für Rot, Grün
und Blau im Verhältnis 1:2:1 angebracht.
Aufbau eines CCDs
Die Pixelinformation sämtlicher Zellen wird durch einen einzigen Knoten an der Ecke des Chips, den Ausgangsverstärker, ausgelesen. Dies geschieht in einer Reihe von seriellen und parallelen Schiebeoperationen nach dem Eimerkettenprinzip: Zeile für Zeile werden die Elektronenpakete der Fotodioden zunächst parallel in ein Ausleseregister verschoben, von wo sie dann per serieller Schiebeoperation zum Ausgangsverstärker des Chips und von diesem zum Analog-Digital- Wandler gebracht werden. Hieraus ist ersichtlich, daß das Pixel "in der hintersten Ecke" nicht ausgelesen werden kann, bevor dies mit allen anderen Bildpunkten geschehen ist.
Über der CCD-Fläche ist noch eine Schicht aus Glas oder Quarz/Polysilizium angebracht, um den empfindlichen Chip vor äußeren Einflüssen zu schützen, was aber auch den Einfall kurzwelligen (blauen) Lichts verringert.
Andere CCD-Bauformen
Als Gegenstück zu den Flächensensoren mit ihrer Matrix-Anordnung gibt es auch noch Zeilensensoren auf CCD-Basis. Diese scannen das Bild zeilenweise ein. Hieraus ergibt sich eine vergleichsweise hohe Auflösung und ein niedriger Preis, da für jede Zeile nur ein Sensorelement benötigt wird. Die Bildaufnahme ist jedoch zeitintensiv.
Alternativ zu den CCDs, die Bilder durch Interpolation ergänzen, gibt es auch noch Chips, die im Four- Shot-Modus vorgehen: Hier werden 4 Aufnahmen hintereinander gemacht; nach jeder Aufnahme wird der Sensor jeweils um ein Pixel verschoben. Diese Methode liefert gute Bildergebnisse, eignet sich jedoch nur für unbewegte Motive.
Außerdem gibt es noch die Möglichkeit, mittels Strahlteilern (Prismen) das einfallende Licht in seine drei Grundfarben aufzuteilen und auf drei nebeneinander stehende Sensorchips zu werfen, von denen zwei für die Farbe Grün und einer für Rot und Blau zuständig ist. Diese Technik findet oft in Videokameras Anwendung.
CMOS
Ein CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor, zu deutsch: Komplementärer Metalloxid- Halbleiter) setzt sich aus zwei zueinander inversen MOS FETs zusammen – einem p- und einem n-Kanal- Element. Zur Veranschaulichung sei hier ein typisches NOT-Gatter dargestellt.
NOT-Gatter mit CMOS-Transistoren
Einer der beiden Transistoren ist also immer im sperrenden Zustand; somit benötigt nur das Umschalten vom einen in den anderen Zustand Strom, nicht aber der Betrieb selbst.
Bei einem CMOS-Bildsensorchip ist jedes Pixel einzeln verschaltet und kann direkt angesprochen und ausgelesen werden. Seine Architektur ist also mit der eines RAM-Chips vergleichbar. Dies birgt auch die Möglichkeit in sich, zusätzliche Elektronik direkt auf dem Chip unterzubringen und damit eine Menge wichtiger Funktionen, wie z.B. Weißabgleich, Analog- Digital-Wandlung uvm. zu implementieren, ohne hierfür auf zusätzliche Bauelemente zurückgreifen zu müssen.
Über jedem Pixel befindet sich, in der gleichen Anordnung wie beim CCD, ein Filter, der jeweils eine Grundfarbe durchläßt. Außerdem sitzt auf jeder Fotodiode eine Mikrolinse zur Erhöhung der Lichtausbeute (um bis zu 300%).
Weil auf jeder Pixeleinheit zusätzlich zur Fotodiode noch diverse Schaltkreise Platz finden müssen, macht der lichtempfindliche Teil der Fläche eines Pixels nur ca. 30-80% seiner Gesamtfläche aus. Diese Prozentzahl nennt man auch die Apertur oder den Füllfaktor. Diese Architektur äußert sich natürlich auch in einer verhältnismäßig geringen Lichtempfindlichkeit, was das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. SNR) negativ beeinflußt.
Foveon X3
Die bisher behandelten Chips sind alle wie ein Mosaik aus Bildpunkten zusammengesetzt, von denen jedes tatsächlich nur den Helligkeitswert für eine der drei Grundfarben mißt. Um für jedes Pixel im späteren Bild einen RGB - Wert zu ermitteln, interpoliert die Kamera die Werte aus den benachbarten Bildpunkten. Daß dabei die Bildqualität in puncto Schärfe und Farbdetail Abstriche macht, ist ein notwendiges Übel.
Aufbau des Foveon X3
Die Firma Foveon (lat. Fovea: gelber Fleck; der Punkt der Netzhaut, an dem das Farb- sowie Scharfsehen am besten ist) beschreitet hier neue Wege:
Mit dem X3- Bildsensor (vorgestellt erstmals 2002) wurde ein Chip
entwickelt, welcher digitale Fotoqualität auf Niveau der auf Film aufgezeichneten
Bilder verspricht.
Der X3 macht sich die Tatsache zunutze, daß Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich tief in Silikon eindringen kann.
Er enthält drei übereinanderliegende Schichten mit in
Silikon eingebetteten Farbrezeptoren, so daß an jedem Pixel die vollständige Farbinformation aufgezeichnet
werden kann – es ergibt sich quasi die dreifache Farbauflösung bei gleicher Pixelanzahl im Vergleich zu einem
herkömmlichen CMOS- Sensorchip.
Interpolations- und sonstige Optimierungsalgorithmen, wie sie bei anderen Kameras notwendig sind, fallen durch diese Technologie weg, was die Kamera schneller und kostengünstiger macht. Bislang ist Sigma der einzige Hersteller, der den X3 in einigen seiner DSLR- Modelle verbaut; eine kleinformatige, für Kompaktkameras taugliche Version des Chips ist jedoch schon angekündigt.
Nikons LBCAST
Herkömmliche CCD- Sensoren haben vor Allem den Nachteil komplizierter Fertigung und hohen Stromverbrauchs. Der CMOS - Chip ist günstiger in der Herstellung und stromsparend, benötigt aber viele Schaltkreise und besitzt, wie auch der CCD, eine hohe Rauschanfälligkeit.
Nikon brachte 2003 einen weiteren, revolutionären Bildsensorchip auf den Markt, der all diese Probleme hinter sich gelassen haben soll: den Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array (zu deutsch etwa Reihe horizontaler, vollständig eingebetteter Ladungsakkumulatoren und Meßtransistoren).
Der LBCAST basiert auf JFET (Junction FET = Sperrschicht-FET) - Transistoren, die im Stromverbrauch ähnlich sparsam wie der CMOS sind, aber mit weniger Schaltkreisen auskommen. Dies macht sie schneller und weniger anfällig für Störungen.
Das Lateral im Namen bezieht sich auf die hauptsächlich horizontale Transportrichtung der Elektronen:
hierdurch sind die Distanzen zwischen der optischen Oberfläche und der Ausgabeseite des Sensors minimal.
Buried beschreibt die Lage der Akkumulatoren und Transistoren:
sie sind vollständig zwischen zwei andere
Schichten im Chip eingebettet.
Diese Bauweise führt zu einer geringen Anfälligkeit des Chips für Rauschen, Moiré und andere Artefakte bei hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch.