Ein Basic CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) wandelt Licht in elektrische Signale um. Jeder Pixel besteht aus einer Fotodiode, die einfallendes Licht in Ladung umsetzt, und aus Transistoren, die diese Ladung auslesen und verstärken. Die Signale werden dann digitalisiert und zu einem Bild zusammengesetzt.
Vorteile sind der geringe Energieverbrauch, die hohe Integrationsdichte (AF- und Ausleseschaltungen direkt auf dem Chip) und die schnelle Auslesung. Nachteile gegenüber teureren BSI- oder Stacked-Sensoren sind eine etwas geringere Lichtausbeute und höheres Rauschen bei wenig Licht.
Ein Backside Illuminated CMOS-Sensor (BSI-CMOS) funktioniert ähnlich wie ein herkömmlicher CMOS-Sensor, jedoch ist seine Schichtstruktur umgekehrt: Die lichtempfindlichen Fotodioden liegen auf der dem Licht zugewandten Seite, während die Verdrahtungsschicht auf die Rückseite verlegt ist. Dadurch erreicht mehr Licht die aktiven Pixel, was die Lichtausbeute und damit die Empfindlichkeit und Bildqualität bei schwachem Licht deutlich verbessert. Zudem ermöglicht die Bauweise schnellere Auslesung und geringeres Rauschen als bei herkömmlichen Frontside-CMOS-Sensoren.
Ein Stacked CMOS-Sensor besteht aus mehreren übereinanderliegenden Schichten: einer oberen Schicht mit den Fotodioden zur Lichtaufnahme und einer darunterliegenden Schicht mit der Signalverarbeitung und Speicherzellen (DRAM). Diese Trennung ermöglicht eine parallele, extrem schnelle Auslesung der Bilddaten, wodurch Rolling-Shutter-Effekte stark reduziert oder eliminiert werden. Zudem erlaubt die Architektur höhere Serienbildgeschwindigkeiten und fortgeschrittene Videoaufnahmen bei gleichzeitig sehr guter Bildqualität.
Wohin geht die Reise
Die Entwicklung bei CMOS-Sensoren geht aktuell in mehrere spannende Richtungen – viele davon schon in Forschung oder in Prototypen, einige nahe der Praxis. Hier sind die wichtigsten Trends und Entwicklungen:
Aktuelle Trends & Forschungsschwerpunkte
- Global Shutter Ausbau
- Ziel: Weg vom „Rolling Shutter“ hin zu Sensoren, bei denen alle Pixel gleichzeitig belichtet werden → Verzerrungen bei schnellen Bewegungen sinken. (manchesterprofessionals.co.uk)
- In Forschung & Industrie (z. B. Panasonic, Sony) gibt es Sensoren mit 8K + Global Shutter sowie Sensoren, die zwischen Rolling- und Global-Shutter umschaltbar sind. (EE Times)
- Stapel‐/3D‐Architekturen (Stacked CMOS, 3D Integration)
- Trennung von Lichtaufnahme-Schicht und Auslese-/Logik-/Speicher-Schichten in unterschiedlichen Ebenen → bessere Optimierung jeder Schicht (Fotodioden, ADC, Logik) und schnellere Auslesevorgänge. (teledynevisionsolutions.com)
- Mehr Kamerafunktionen direkt auf dem Sensor möglich (z. B. schneller ADC, integrierte Speicher, Logik) → insgesamt höhere Leistung, geringere Verzögerungen. (globalgrowthinsights.com)
- Organische Photodioden / Organische Sensoren (OPF = Organic Photoconductive Film etc.)
- Organische Schichten zur Lichtaufnahme über der CMOS-Schicht (oder darüber hinaus) versprechen breitere Dynamikbereiche, bessere Empfindlichkeit, evtl. erweiterte Spektralbereiche (z. B. NIR, SWIR). (Image Sensors)
- Einige Prototypen und Demos haben globale Verschlussfunktionen kombiniert mit diesen organischen Schichten gezeigt. (Panasonic Newsroom Global)
- Pixelverkleinerung & höhere Auflösung bei gleichzeitig besserem Rauschverhalten
- Kleinere Pixel (z. B. unter 0.6 µm) werden erforscht. Die Herausforderung: mit kleinerer Fläche Licht sammeln und gleichzeitig Rauschen und Verlust bei Farbe bzw. Dynamik minimieren. (imagesensors.org)
- Verbesserte optische Isolation (Trench Isolation etc.), optimierte Architektur der Transistor-Elemente im Pixel (z. B. transfer gates, reset gates). (imagesensors.org)
- Sensitivität, niedriger Stromverbrauch & Effizienz
- Verbesserte Quanteneffizienz → mehr Licht in brauchbares Signal. (manchesterprofessionals.co.uk)
- Geringerer Stromverbrauch, wichtig besonders für Videografie, mobile Geräte, Drohnen, IoT. Auch Hitzeentwicklung bei schneller Serienbildrate / 8K Video ein Thema. (globalgrowthinsights.com)
- Mehr Funktion auf dem Sensor (“On-Sensor Processing”)
- Integrierte Funktionen wie Rauschunterdrückung, Szenenerkennung, Vorverarbeitung, HDR etc. direkt auf dem Sensor oder angeschlossenem Logik-Layer. (globalgrowthinsights.com)
- Auch für Datenschutz / Edge-Computing relevant: Sensoren, die schon vor der Übertragung gewisse Daten filtern oder komprimieren. (PW Consulting)
- Spektrale Erweiterungen / Spezialanwendungen
- SWIR (Short-Wave Infrared) / NIR Empfindlichkeiten – besonders bei organischen Sensorprojekten. (Image Sensors)
- Forschung zu Materialien jenseits Silizium (z. B. organische Photodioden, Graphen, Quantendots) – um bessere Lichtausbeute, breitere Spektren und eventuell flexiblere Sensorformen zu erreichen. (arXiv)
- Novel Fertigungsprozesse
Mögliche zukünftige Entwicklungen (Prognosen)
- Global Shutter wird in mehr Kameraklassen Einzug halten – insbesondere bei hohen Serienbildraten, Videoanwendungen, professionellem Sport / Action-Fotografie.
- Hybrid-Shutter / Umschaltbare Modi: Sensoren, die je nach Bedarf zwischen Rolling- und Global-Shutter wechseln können, um Kompromisse zu minimieren. (Digital Camera World)
- Sensorfusion: Kombination mit anderen Bildgebungsarten (z. B. Tiefe, IR / SWIR, multispektral) und mit intelligenten Algorithmen, um Quality-of-Experience zu steigern.
- Mehr AI & Intelligenz „on-chip“ zur sofortigen Bildverarbeitung, Rauschunterdrückung, Szenenoptimierung, evtl. „smarter RAW“ Output.
- Neue Materialien / Architekturinnovationen: organische Sensoren, Quantendots, Graphen etc., evtl. flexible / gebogene Sensoren.
- Höherer Dynamikumfang & besseres Low-Light-Verhalten, auch bei kleinen Pixeln.
- Miniaturisierung vs. Sensorgröße – insbesondere Vollformatsensoren, die schneller lesen, aber mit sehr hoher Bildqualität und niedriger Wärmeentwicklung arbeiten.
- Kostendruck & Fertigung: bessere Yield-Raten, effizientere Herstellungsprozesse, Skalierung auf größere Stückzahlen bei niedrigen Fehlerquoten.
Aktuelle Sensoren
1. Sony Exmor R / Exmor RS (BSI-CMOS)Prinzip
- BSI-CMOS (Backside Illuminated): Die Fotodioden liegen näher an der Lichtquelle, da die Verdrahtung auf die Rückseite verlegt wurde.
- Ergebnis: Höhere Lichtausbeute, besseres Rauschverhalten bei hohen ISO-Werten, schnellere Auslesung.
Hersteller
- Sony Semiconductor Solutions
Eingesetzt in
- Sony Alpha 7 IV / A7R V / A9 III / A1
- Nikon Z6 II / Z7 II / Z8 / Z9 (Nikon bezieht Sensoren oft von Sony)
- Panasonic S5 II / S1R
- Sigma fp / fp L
Besonderheit
- Exmor RS (z. B. in Sony A9 III) ist ein gestapelter Sensor (Stacked BSI) mit integriertem DRAM-Speicher → extrem schnelle Auslesung, nahezu Rolling-Shutter-frei.
2. Canon CMOS (Dual Pixel / Stacked CMOS)
Prinzip
- Dual Pixel CMOS AF: Jede Pixelzelle besteht aus zwei Fotodioden, die sowohl Phasen-AF als auch Lichtmessung ermöglichen → ultraschneller und präziser Autofokus.
- Stacked Version (seit R3): Mehrschichtiger Aufbau mit Pufferspeicher für höhere Geschwindigkeit.
Hersteller
- Canon (eigene Fertigung, Japan)
Eingesetzt in
- Canon EOS R3 → Stacked BSI-CMOS
- Canon EOS R5 / R6 II / R8 / R5 II → Dual Pixel CMOS (teils BSI)
- Canon EOS 1D X Mark III (letzte DSLR mit ähnlicher Sensortechnik)
Besonderheit
- Kombination aus Dual Pixel AF und BSI-Stacked Design → starke Low-Light-Leistung + Top-AF.
3. Nikon Developed Stacked CMOS (eigene Sensoren)
Prinzip
- Nikon entwickelt zunehmend eigene Sensorarchitekturen (z. B. Z9, Z8), oft in Kooperation mit Tower Semiconductor oder Sony.
- Stacked CMOS: Signalverarbeitung auf separater Schicht → extrem schnelle Auslesung, geeignet für elektronische Verschluesse ohne Rolling Shutter.
Hersteller
- Nikon / Tower Semiconductor (Kooperation)
Eingesetzt in
- Nikon Z9 / Z8
- Zf (teilweise Eigenentwicklung auf Sony-Basis)
Besonderheit
- Nikon optimiert eigene Sensoren für hohen Dynamikumfang und professionelle Videoleistung (12–14 Bit RAW intern).
4. Leica Maestro CMOS (entwickelt mit TowerJazz)
Prinzip
- Klassischer CMOS-Sensor mit hoher Dynamik und natürlicher Farbcharakteristik.
- Keine Stacked-Technik, aber auf maximale Bildqualität statt Geschwindigkeit optimiert.
Hersteller
- TowerJazz (heute Tower Semiconductor) für Leica
Eingesetzt in
- Leica M11, Leica Q3, Leica SL2
Besonderheit
- Farbabstimmung erfolgt intern bei Leica – typisch „Leica-Look“.
- Sensoren bieten 14 Bit Farbtiefe, aber keine extrem schnelle Serienbildleistung.
5. OMNIVISION / Tower Semiconductor BSI-CMOS (neue Anbieter)
Prinzip
- BSI-CMOS mit verbessertem Full-Well-Capacity und geringem Rauschen.
- Zielt auf hohe Energieeffizienz und Videoqualität (8K-fähig).
Hersteller
- Omnivision / Tower Semiconductor
Eingesetzt in
- Phase One IQ4 150 (Mittelformat) – Vorläufertechnologie
- Erste Prototypen in Astro- und Spezialkameras im Vollformatsegment (noch nicht verbreitet in klassischen DSLMs)
6. Panasonic Organic CMOS (Prototyp / Entwicklung)
Prinzip
- Organischer Sensor (Organic Photoconductive Film – OPF): Trennung von Lichteinfang- und Ladeschicht → theoretisch viel höherer Dynamikumfang und variable Empfindlichkeit.
- Noch nicht in Serienkameras verfügbar (Stand 2025).
Hersteller
- Panasonic & FujiFilm (Kooperation)
Einsatz
- Geplant für zukünftige Lumix S-Modelle oder Fuji GFX Prototypen
- Aktuell nur Demonstratoren bekannt.
Zusammenfassung
| Sensor-Typ | Technisches Prinzip | Hersteller | Typische Kameras |
|---|---|---|---|
| Sony Exmor R/RS | BSI, teils Stacked | Sony | Sony A7R V, A1, Nikon Z8/Z9 |
| Canon Dual Pixel / Stacked | Dual Pixel AF, BSI, Stacked | Canon | R3, R5, R6 II |
| Nikon Stacked CMOS | BSI, Stacked, eigene Optimierung | Nikon | Z8, Z9 |
| Leica CMOS | Klassisch CMOS, Farbabstimmung | TowerJazz/Leica | M11, Q3, SL2 |
| Omnivision BSI | BSI, hohe Effizienz | Omnivision | Spezialkameras |
| Panasonic Organic | OPF (organischer Sensor) | Panasonic/Fuji | Prototypen |