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dkamera.de Grundlagenwissen: Bildsensoren von Digitalkameras

Sensorgrößen, Sensortypen, Aufbau, Auflösung und weiteres Wissen zu Bildsensoren

Update: 29.04.2018. Wir haben unseren Artikel aktualisiert und um zusätzliche Informationen ergänzt.

Der Bildsensor gehört zu den wichtigsten Komponenten einer Digitalkamera. Er erfasst das Bild und wandelt die Informationen in Zusammenarbeit mit der dahinterstehenden Technik – hier ist zum Beispiel der Bildprozessor zu nennen – in das finale Bild um. Wir wollen in diesem Grundlagen-Artikel näher auf den Bildsensor eingehen.

Während Fotografen weit mehr als 100 Jahre lang auf mit fotoempfindlichem Material beschichtete Glasplatten oder die bestens bekannten Filme angewiesen waren, wurden mit den lichtempfindlichen Photodioden im letzten Drittels des 20. Jahrhunderts elektronische Bauelemente entwickelt, die bekanntermaßen die Fotografie revolutioniert haben.

Noch heute läuft die Bilder-Erzeugung im Grundsatz nach dem ursprünglichen Schema ab, im Laufe der Zeit hat sich aber natürlich einiges verändert. Neue Sensortechnologien und zahlreiche Verbesserungen lassen die erste Digitalkamera aus dem Jahr 1975 mit 0,01 Megapixel heutzutage altertümlich wirken. An etwas anders als zweistellige Megapixelzahlen ist selbst bei Smartphones mittlerweile kaum zu denken.

Ein Silizium-Wafer mit mehreren Bildsensoren in Vollformatgröße:

Der Aufbau eines Bildwandlers:
Die heutzutage in Digitalkameras verbauten Bildwandler besitzen in vielen Fällen einen identischen Aufbau. Ein herkömmlicher Sensor besteht aus vielen einzelnen Schichten, die alle eine spezielle Aufgabe übernehmen. Das ankommende Licht trifft zuerst auf eine Reihe von Filtern, die, wie zum Beispiel der Infrarotfilter, unerwünschte Spektralanteile des Lichts herausfiltern. Des Weiteren verfügen viele Sensoren über einen Tiefpassfilter. Davon werden hochfrequente Bildanteile nicht "durchgelassen", damit keine Moiré-Artefakte auftreten. Weitere Informationen zum Tiefpassfilter finden Sie in unserem dafür eigens angelegten Artikel.

Bei einigen Kameramodellen ist ein Tiefpassfilter vorhanden, manche verzichten darauf:

Unterhalb der Filter befindet sich eine Mikrolinsenstruktur. Die Mikrolinsen bündeln das Licht für jedes Pixel und leiten dieses auf dem optimalen Weg zur Photodiode. Während die Mikrolinsen bei früheren Kameramodellen nicht direkt aneinander gereiht waren, wird heutzutage in der Regel eine lückenlose Anordnung verwendet ("gapless microlenses"). Durch diese Maßnahmen wird die Lichtausbeute eines Bildwandlers gesteigert. Bei Sensoren mit Bayer-Filter folgt nun ein Farbfilter mit den Farben Rot, Grün und Blau. Dieser erlaubt es der Kamera, farbige Bilder aufzunehmen. Da jedes Pixel nur eine Farbe „erkennen“ kann, werden die restlichen Farbinformationen für jeden Bildpunkt interpoliert.

Ein FSI-Sensor mit frontseitiger Belichtung und ein BSI-Sensor mit rückwärtiger Belichtung:

Anschließend gelangt das Licht zur Photodiode. Ob sich diese direkt unterhalb des Farbfilters befindet oder das Licht zuerst die Verdrahtung des Sensors durchdringen muss, ist vom Aufbau des Chips abhängig. Bei den sogenannten FSI-Sensoren („Front Side Illumination“) mit frontseitiger Belichtung befindet sich die Photodiode unterhalb der Verdrahtung. Bei BSI-Sensoren („Back Side Illumination“) mit rückwärtiger Belichtung wird der Aufbau gedreht, und das Licht erreicht die lichtempfindliche Fläche sofort. Dies verbessert wie die optimierte Mikrolinsenstruktur die Lichtausbeute. Im Vergleich zu FSI-Sensoren besitzen BSI-Sensoren eine in etwa doppelt so hohe Empfindlichkeit. Diese Vorteile haben Sensorhersteller zunächst nur bei kleineren Bildwandlern (z. B. 1/2,3 Zoll) genutzt, mittlerweile ist die BSI-Bauweise auch bei größeren Sensoren zu finden. Bei der ersten APS-C-Kamera mit BSI-Sensor handelte es sich um die Samsung NX1 (Testbericht) , beim ersten Modell mit Vollformatsensor um die Sony Alpha 7R II (Testbericht) . Bei Kameras mit kleineren Bildwandlern (1,0 Zoll und darunter) sind BSI-Sensoren derzeit Standard, damit lässt sich der Nachteil der kleinen Sensorfläche ein wenig ausgleichen.

Der Aufbau eines herkömmlichen FSI-Sensors und eines Stacked-BSI-Sensors im Vergleich:

Mit zusätzlichem Speicher: der Stacked-Sensor
Während der Aufbau herkömmlicher Bildwandler lange keine weiteren Besonderheiten aufwies, hat Sony im Jahr 2012 den sogenannten Stacked-Sensor angekündigt. Bei diesem wird ein sogenannter gestapelter Aufbau verwendet. Unterhalb der Verdrahtung schließt sich ein DRAM-Speicher an, der das besonders schnelle Auslesen des Bildwandlers und das kurzzeitige Speichern der Daten erlaubt.

Während die Stacked-Bauweise zunächst nur bei kleineren Sensoren (bis circa 1/2,3 Zoll) zum Einsatz kam, bietet Sony diese mittlerweile auch bei größeren Modellen an. Im Sommer 2015 wurden mit der Sony Cyber-shot DSC-RX100 IV (Testbericht) und der Sony Cyber-shot DSC-RX10 II (Testbericht) zwei Kameras mit einem Stacked-CMOS-Sensor im 1,0-Zoll-Format angekündigt. Im Frühjahr 2017 folgte ein 35,6 x 23,8mm großes Vollformatmodell. Dieses wird beim spiegellosen Flaggschiff Sony Alpha 9 (Testbericht) verwendet.

Bildwandler mit DRAM-Speicher können 20 Mal schneller ausgelesen werden:

Gemein ist allen drei Digitalkameras eine besonders hohe Bildrate (bis zu 20 Bilder pro Sekunde in voller Auflösung bei der Alpha 9), die RX-Modelle können zudem Videos mit bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde speichern. Als weiteren Vorteil haben alle Kameras mit Exmor-RS-Chip, so bezeichnet Sony seine Stacked-CMOS-Sensoren, einen Anti-Distortion-Shutter zu bieten. Das bedeutet: Auch beim Einsatz des elektronischen Verschlusses kommt es durch die sehr hohe Auslesegeschwindigkeit des Bildwandlers zu keinen Verzerrungen. Bei Kameras mit herkömmlichen Sensoren ist dies anders.

Gleicher Aufbau, aber anderer Farbfilter: der X-Trans-CMOS-Sensor
Die X-Trans-Sensoren, die von FujiFilm in einer Reihe von Digitalkameras verwendet werden, unterscheiden sich in den meisten Punkten nicht von herkömmlichen Bildwandlern. Einzig beim Farbfilter gibt es Unterschiede. Statt des bekannten Bayer-Filters mit 2 x 2 großer Matrix (2 x Grün, 1 x Rot, 1 x Blau) besitzen X-Trans-CMOS-Sensoren eine davon abweichende Struktur. Die 6 x 6 große Matrix ist an die Anordnung der Silberhalogenid-Kristalle in einem analogen Film angelehnt. Dadurch sollen Farben und Details besser wiedergegeben werden, der Einsatz eines Tiefpassfilters ist nicht notwendig. In unseren Tests schneiden Modelle mit X-Trans-CMOS-Sensoren regelmäßig sehr gut ab, Kameras wie die FujiFilm X-T2 (Testbericht) oder die FujiFilm X-Pro2 (Testbericht) erreichen bessere Ergebnisse als vergleichbare DSLMs mit herkömmlichem Bayer-Filter.

Der Foveon-Sensor besteht aus drei für unterschiedliche Wellenlängen empfindlichen Schichten:

Ohne Farbfilter, dafür dreilagig: der Foveon-X3-Sensor
Wie bereits in diesem Artikel angesprochen, generieren Digitalkameras ein farbiges Bild durch den Einsatz eines Farbfilters vor den einzelnen Photodioden. Dies ist der gängige Weg, allerdings nicht der einzige. Der Hersteller Foveon, heute ein Teil der Sigma Corporation, stellte zu Beginn des Jahrtausends seinen Foveon X3-Sensor vor. Dieser besteht aus drei übereinander liegenden Siliziumschichten mit Photodioden, die für jeweils eine Farbe empfindlich sind. Während bläuliches Licht nur eine Wirkung auf die oberste Sensorschicht hat, beeinflusst grünes Licht lediglich die mittlere und rotes Licht die untere Sensorschicht. Durch die nicht notwendige Farbinterpolation können Foveon-Sensoren Farben besonders gut wiedergeben, der Einsatz eines Tiefpassfilters ist ebenso nicht notwendig. Dass sich Sensoren mit dieser Technik bislang noch nicht durchgesetzt haben, liegt unter anderem an der wenig überzeugenden Bildqualität bei höheren Sensorempfindlichkeiten. Selbst moderne Bildwandler, die beispielsweise in den Kameras der Sigma dp Quattro-Serie (Testbericht der Sigma dp2 Quattro ) verwendet werden, zeigen ab Sensorempfindlichkeiten von circa ISO 1.600 ein starkes Bildrauschen und eine kaum überzeugende Farbwiedergabe. Hier gibt es daher noch ein großes Entwicklungspotenzial.

Mittlerweile fast vergessen, früher jedoch Standard: der CCD-Sensor
CCD-Sensoren waren vom Beginn der Digitalfotografie bis zur Mitte des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts der vorherrschende Sensortyp. Mit der Zeit wurden dieser von weiterentwickelten CMOS-Sensoren verdrängt, die – unter anderem wegen eines eigenen Verstärkers pro Pixel (Active Pixel Sensor) – deutlich rauschärmere Bildsignale liefern. CCD-Sensoren können bei einfacherer Bauweise zudem nicht so schnell wie CMOS-Sensoren ausgelesen werden und zeigen wegen der verwendeten Auslesetechnik bei starken Lichtquellen deutliche Überstrahlungen einzelner Bildpunkte.

Mittelformatsensoren sind nur in sehr teuren Kameramodellen zu finden:

Die Auflösung:
Zu den Verbesserungen der letzten Jahre gehört – auch wenn so mancher Fotograf dies anders sehen dürfte – die gesteigerte Auflösung. Seit 2000 hat sich die Auflösung als Beispiel mehr als verachtfacht. Das aktuelle Spitzenmodell stellt bei den Kleinbildkameras die Canon EOS 5DS R (Testbericht) bzw. das Schwestermodell Canon EOS 5DS (Testbericht) mit 50,3 Megapixel dar. Darauf folgt die Nikon D850 (Testbericht) mit 45,4 Megapixel. Bei Kameras mit APS-C-Sensoren sind die 28 Millionen Bildpunkte der Samsung NX1 (Testbericht) der aktuelle Rekordwert, 24 Megapixel wurden allerdings seit Längerem nicht mehr überschritten. Als Beispiele können hier die Sensoren der Canon EOS 80D (Testbericht ), der FujiFilm X-T2 (Testbericht) oder der Pentax K-3 II (Testbericht) angeführt werden. Modelle mit Micro Four Thirds-Sensoren verfügen in der Spitze über 20 Megapixel (Panasonic Lumix DC-G9 (Testbericht) ), Kameras mit 1,0-Zoll-Sensor (Sony Cyber-shot DSC-RX100 V (Testbericht) ) ebenfalls. Bei Kameras mit noch kleineren Sensoren sind im Durchschnitt Auflösungen von 16 bis 20 Megapixel anzutreffen. Die untere Grenze stellen bei Digitalkameras aller Klassen aktuell 12 Megapixel dar.

Die Auflösung sagt über die Bildqualität einer Kamera allerdings nur wenig aus. Einen viel bedeutenderen Parameter stellt die Sensorgröße dar.

Sensoren im Größenvergleich:

Die Sensorgröße:
Die Größe eines Bildwandlers entscheidet vereinfacht gesagt darüber, wie viel Licht dieser einsammeln kann. Die klassischen Sensoren, die bei Digitalkameras zu finden sind, reichen von 1/2,3 Zoll bis zur Vollformat-/Kleinbildgröße. Darüber ist das sogenannte Mittelformat angesiedelt. Dieses umfasst Sensoren von 43,2 x 32,9mm bis 67,4 x 53,9mm, derartige Chips besitzen nur Profikameras mit Wechselobjektiven. Sensoren im Kleinbildformat sind so groß wie ein 35mm-Film und messen dementsprechend 36 x 24mm. Sie sind vor allem bei Systemkameras zu finden. Etwas kleiner fallen die Sensoren der APS-H-Klasse aus. Diese sind etwa 26,6 x 17,9mm bis 27,9 x 18,6mm groß und werden nur in sehr wenigen Systemkameras verwendet.

Zu Kameras mit APS-C-Sensoren gehören Modelle mit einem Bildwandler zwischen 22,3 x 14,9mm und 23,6 x 15,7mm. APS-C-Sensoren kommen vor allem bei Systemkameras zum Einsatz, sie werden jedoch auch bei Kompaktkameras genutzt. Bildwandler der 1,5-Zoll-Klasse messen etwa 18,7 x 14mm und sind nur in sehr wenigen kompakten Modellen zu finden. Die 17,3 x 13,0mm großen Micro Four Thirds-Sensoren werden fast ausschließlich bei Systemkameras mit Wechselobjektiven verbaut. Sensoren der 1,0-Zoll-Klasse mit Abmessungen von 13,2 x 8,8mm wurden zuletzt nur noch in Kompakt- und Bridgekameras verbaut, Gleiches gilt für Bildwandler mit kleineren Abmessungen (2/3 Zoll, 1,1/7 Zoll, 1/2,3 Zoll).

Vollformat-, APS-C- und Micro Four-Thirds-Sensor im direkten Vergleich:

Hierbei ist gut zu wissen, dass sich die Zollangabe bei Bildwandlern auf die Größe der früher verwendeten Bildröhren und nicht auf die effektive Sensorfläche bezieht. Sensoren im 1,0-Zoll-Standard besitzen daher keine Diagonale von 25,4mm, sondern lediglich von 15,9mm. Sie fallen dadurch wesentlich kleiner aus, als es die Angabe in Zoll vermuten lässt.

Die Größe eines Sensors ist im Alltag eines Fotografen unter anderem für den sogenannten Cropfaktor wichtig. Dieser bestimmt, wie sich ein Objektiv im Vergleich zu einem an einer Kleinbildkamera verwendeten Modell verhält. Die Rechnung „Brennweite x Cropfaktor“ ergibt die kleinbildäquivalente Brennweite.

Viele Sensoren von Sony besitzen spezielle Phasendetektions-Pixel:

Sensoren können noch mehr: Dual Pixel CMOS und Phasendetektions-Pixel:
Während Sensoren früher nur zur Bildaufnahme verwendet wurden, müssen sie heute noch andere Aufgaben übernehmen. Als wichtigste ist die Fokussierung zu nennen. Da der Kontrastautofokus nicht in jedem Fall die besten Ergebnisse liefert und spiegellose Systemkameras oder Kompaktkameras über keinen dedizierten AF-Sensor verfügen, haben sich die Hersteller mit anderen Methoden beholfen. Bei Kameras von beispielsweise Sony, FujiFilm oder Olympus sind auf den Bildwandlern sogenannte Phasendetektions-Pixel vorhanden. Diese ersetzen einen Teil der Bildpunkte und erlauben die Phasendetektion. Dadurch lässt sich die Fokussierung unter anderem bei bewegten Motiven beschleunigen.

Canon realisiert die Phasendetektion auf Sensorbasis über zwei Photodioden pro Pixel:

Canon geht bei seinen Kameras einen anderen Weg, der sich Dual Pixel CMOS AF nennt. Alle Pixel des Sensors sind in zwei Photodioden unterteilt, die zum Fokussieren getrennt ausgelesen werden. Dadurch kann jeder Bildpunkt die Phasenvergleichsmessung übernehmen. Zur Bildaufnahme wird das Signal beider Photodioden addiert. Die einzelnen Bilddaten beider Photodioden lassen sich bei der Dual Pixel RAW-Aufnahme nutzen, welche die Canon EOS 5D Mark IV (Testbericht) unterstützt.

Was bringt die Zukunft?
Kameras mit aktuellen Sensoren liefern mittlerweile Bildergebnisse, wie sie zu Beginn der Digitalfotografie unvorstellbar waren. Möglich war dies nur durch stetige Verbesserungen. Die Entwicklung steht natürlich auch jetzt nicht still, die Hersteller arbeiten an immer neuen Lösungen. Dabei gibt es unterschiedliche Ansätze.

Ein "Organic Sensor" nutzt einen Organic Photoconductive Film statt Silizium:

"Organische Sensoren" nehmen Fotos u. a. mit einem deutlich größeren Dynamikumfang auf:

Zum einen lassen sich Verbesserungen der Bildqualität durch neue Sensortechnologien erzielen. Hier kann als Beispiel der „Organic Sensor“ genannt werden. Dieser wurde von Panasonic in Zusammenarbeit mit FujiFilm entwickelt und enthält statt Silizium einen OPF (Organic-Photoconductive-Film). Der Sensor wird im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren als deutlich lichtempfindlicher angegeben, der Dynamikumfang fällt wesentlich größer aus, und durch einen Global Shutter wird der Rolling-Shutter-Effekt verhindert.

Zudem lässt sich bei diesem Sensortyp ein integrierter ND-Filter realisieren. Diese Daten klingen vielversprechend. Eventuell könnten erste Produkte mit „Organic Sensor“ bis zu den Olympischen Sommerspielen 2020 in Tokio in den Handel gelangen.

Gekrümmte Sensoren könnten die Konstruktion von Objektiven deutlich einfacher gestalten:

Eine andere Möglichkeit, die Bildqualität zu verbessern oder alternativ die Abmessungen einer Kamera bzw. des Objektivs zu verkleinern, stellt der Curved-Sensor dar. Diese Technologie ist schon länger bekannt, zur Marktreife wurde sie aber noch nicht gebracht. Ein gekrümmter Sensor würde die Konstruktion von Objektiven deutlich vereinfachen, da das Bild – wie vom Objektiv natürlich „vorgegeben“ – gekrümmt abgebildet werden könnte. Die beim Objektivdesign aktuell notwendigen Maßnahmen, um das Bild auf eine Ebene zu projizieren, fielen dadurch weg.

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Kommentare

Sehr sehr tolle seite danke!!!

Sehr sehr tolle seite danke!!!

Vielen Dank,das ist eine gute ...

Vielen Dank,das ist eine gute und hilfreiche Information beim Kauf einer Kamera.

"Gleicher Aufbau, aber anderer Farbfilter: ...

"Gleicher Aufbau, aber anderer Farbfilter: der X-Trans-CMOS-Sensor
..., der Einsatz eines Tiefpassfilters ist nicht notwendig."

Der ist auch da genauso notwendig oder nicht notwendig (je nach Sichtweise) wie beim herkömmlichen Bayer-Muster. Ich hatte das bereits zum Artikel über Tiefpassfilter mit Link auf Beispiele, die Aufnahmen via X-Trans-Sensor mit Moire zeigen, angemerkt: http://www.dkamera.de/news/dkamerade-grundlagenwissen-der-tiefpassfilter/ Der Grund ist einfach Physik, die kein Hersteller überwinden kann: jenseits der Nyqvist-Frequent entstehen nun mal Artefakte.

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