Was ist ein Cmos-Sensoren?
Cmos-Sensoren sind Bildsensoren, die in Digitalkameras und anderen fotografischen Geräten verwendet werden. Das von den einzelnen Fotodetektoren empfangene Licht wird in eine elektrische Ladung umgewandelt, die dann je nach Lichtintensität über einen aus Cmos-Sensoren bestehenden Verstärkerkreis als Spannung oder Strom abgeleitet wird.
In der Vergangenheit waren CCD-Sensoren die Hauptstütze der Bildsensoren. Sie zeichnen sich durch eine Struktur aus, bei der die Ladung vom CCD übertragen und über einen Floating Diffusion Amplifier (FDA) in eine Spannung umgewandelt wird.
CCD-Sensoren haben gegenüber CMOS-Sensoren Vorteile in Bezug auf Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und niedrigen Dunkelstrom, aber auch Nachteile in Bezug auf komplexe Stromversorgungskonfigurationen, unvermeidlichen Smear, spezielle Herstellungsprozesse und die Unfähigkeit, allgemeine CMOS-LSI-Produktionsanlagen zu verwenden. In jüngster Zeit haben sich CMOS-Sensoren aufgrund der Fortschritte bei den Methoden zur Verringerung der Auswirkungen des Dunkelstroms und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei CMOS-Sensoren zur Hauptstütze der Bildsensoren entwickelt.
Verwendung von Cmos-Sensoren
Cmos-Sensoren wurden bisher in Kameras für Smartphones und Tablets verwendet, da sie kostengünstig in der Herstellung sind. CCD-Sensoren mit geringem Rauschen wurden dagegen hauptsächlich in Spiegelreflexkameras und Videokameras verwendet, wo eine hohe Bildqualität erforderlich ist.
Mit der Weiterentwicklung der Rauschunterdrückungsmethoden für CCD-Sensoren traten jedoch die bei CCD-Sensoren problematischen Smear- und Blooming-Effekte nicht mehr auf, und der CCD-Sensor wurde nach und nach durch den CMOS-Sensor ersetzt, der heute in allen Arten von Fotoausrüstungen als Bildsensor verwendet wird. CMOS-Sensoren werden heute in allen Arten von Fotoausrüstungen als Bildsensor eingesetzt.
Das Prinzip der Cmos-Sensoren
Die grundlegende Funktion eines Bildsensors besteht darin, die von den in großer Zahl auf seiner Oberfläche angeordneten lichtempfangenden Elementen erzeugte elektrische Ladung zu speichern und zu übertragen, sie in eine Spannung oder einen elektrischen Strom umzuwandeln und auszugeben. In dieser Hinsicht haben CCD- und CMOS-Sensoren die gleiche Funktion.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt im Mechanismus der Ladungsübertragung: Ein CCD-Sensor hat ein Gitter von Fotodioden als lichtempfangende Elemente, und im N-Typ-Bereich dieser Fotodioden kann Ladung vorübergehend gespeichert werden.
Neben diesen Fotodioden ist eine vertikale CCD installiert, und die gesamte von jeder Fotodiode zu einem bestimmten Zeitpunkt angesammelte Ladung wird gleichzeitig auf die vertikale CCD übertragen. Die Ladungen werden sequentiell übertragen und an die horizontale CCD geliefert.
Die horizontale CCD überträgt die von der vertikalen CCD übertragene Ladung sequentiell an die FDA, die eine der Ladungsmenge entsprechende Spannung ausgibt und damit eine der Intensität des auf die Fotodioden einfallenden Lichts entsprechende Ausgangsspannung liefert. Wie oben beschrieben, wird bei einem CCD-Sensor die Ladungsmenge von allen Fotodioden nacheinander ausgegeben.
Cmos-Sensoren hingegen sind mit einer Fotodiode als Lichtempfangselement, einem Verstärker zur Verstärkung des Ausgangs und einem Schaltelement zur Verbindung des Verstärkerausgangs mit der Signalleitung ausgestattet, so dass Lichtempfang, -umwandlung, -verstärkung und -ausgabe für jede Fotodiode durchgeführt werden.
Mit dieser Konfiguration können Cmos-Sensoren einzelne Fotodioden durch Kombination von horizontalen und vertikalen Abtastsignalen spezifizieren und die der Ladungsmenge entsprechende Spannung oder den Strom extrahieren. So kann jede beliebige Fotodiode ausgewählt und ihr Signal ausgelesen werden.
Aufgrund dieser strukturellen Unterschiede haben Cmos-Sensoren den Vorteil, dass eine Hochgeschwindigkeitsauslesung durch Begrenzung des Signals auf den erforderlichen Bereich usw. möglich ist und dass kein CCD-Übertragungsrauschen entsteht. Außerdem ist bei CCD-Sensoren ein Verschmieren durch in das CCD einfließende Rauschanteile unvermeidlich, was bei CMOS-Sensoren nicht vorkommt.
Aufbau von CMOS-Sensoren
Cmos-Sensoren kombinieren Fotodioden, die Lichtempfangselemente sind, mit Verstärkern und Schaltelementen und integrieren viele weitere Elemente. Das Herstellungsverfahren der Fotodioden ist speziell und unterscheidet sich von dem der Transistoren, aber die anderen Komponenten sind identisch mit denen der CMOS-LSI, so dass CMOS-Fertigungsanlagen verwendet werden können, was ein Vorteil gegenüber CCDs ist.
Neue Entwicklungen gibt es auch bei der Anordnung der Fotodioden. Dabei handelt es sich um eine so genannte rückseitig beleuchtete Struktur, bei der sich die Fotodiode auf der Rückseite des Bauelements befindet, während die Schaltkreise, wie Verstärker und Schaltelemente, auf der Vorderseite angeordnet sind. Die Fotodiode und die Schaltkreise sind über eine interne Verdrahtung verbunden. Der Herstellungsprozess ist zwar komplexer, aber die Fotodioden können lückenlos angeordnet werden, was insbesondere die Lichtsammeleffizienz verbessert.
Die Schaltkreise in CMOS-Sensoren arbeiten mit einer einzigen Stromversorgung, so dass im Grunde nur eine einzige Versorgungsspannung von etwa 3,3 V erforderlich ist, während bei CCD-Sensoren mehrere Spannungen an die CCD geliefert werden müssen, die den Übertragungsweg darstellen, was die Konfiguration der Stromversorgung komplexer macht. Cmos-Sensoren haben einen Vorteil in Bezug auf den Stromverbrauch.
Weitere Informationen über CMOS-Sensoren
1. Marktanteil der CMOS-Sensoren
In der Blütezeit der CCD-Sensoren hatte Sony einen beherrschenden Marktanteil, aber jetzt, da sich CMOS-Sensoren durchgesetzt haben und ihre Hauptanwendung sich auf Smartphones verlagert hat, geht der Marktanteil von Sony allmählich zurück. Im Jahr 2021 wird der wertmäßige Marktanteil von Sony 45 % betragen, Samsung liegt mit 26 % an zweiter Stelle und OmniVision mit 11 % an dritter Stelle.
2. Größe der CMOS-Sensoren
CMOS-Sensoren gibt es in verschiedenen Größen, von groß bis klein.
Am Beispiel der Canon CMOS-Sensoren gibt es sechs verschiedene Größen von Bildsensoren, und zwar.
- 35 mm Vollformat (ca. 36 mm x 24 mm)
- APS-H-Größe (ca. 29 mm x 19 mm)
- APS-C-Größe (ca. 22 mm x 15 mm)
Sie werden jedoch nicht an die breite Öffentlichkeit verkauft und sind auf die Verwendung in eigenen Kameras beschränkt. - 1 Zoll
- 2/3 Zoll
- 1/1,8 Zoll
Generell gilt: Je größer der Sensor, desto besser ist die Bildqualität bei gleicher Pixelzahl. Je größer die Blende, desto besser ist auch die Empfindlichkeit.