Einige Jahre ist es nun her, dass CMOS-Sensoren als lichtelektrische Wandler Einzug in Digitalkameras hielten. Ende der 90er Jahre lieferten sie eher schlechte Bilder – heute hat sich das grundlegend geändert. CMOS-Sensoren werden nicht mehr nur in Schnappschusskameras, sondern auch in semiprofessionellen und professionellen Spiegelreflexkameras wie der Nikon D90 und der Nikon D3x, der Canon EOS 50D und der Sony Alpha 900 eingesetzt.

CCD-Sensoren und CMOS-Sensoren sind bis heute zwei Sensorfamilien, die miteinander im Wettstreit liegen. »Sensorfamilien« – weil auch Typen wie der SuperCCD von Fujifilm einen speziellen CCD-Sensor darstellt und Foveon sich für seinen »Drei-Lagen-Sensor« (http://www.foveon.com/) des CMOS-Prinzips bedient.

Beide Sensortypen – CCD und CMOS – haben Vor- und Nachteile. Vor einigen Jahren galten die niedrigeren Produktionskosten als wesentlicher Vorteil der CMOS-Sensoren. Hätte man – wie zunächst vermutet – die Produktionsanlagen von Computer-Speicherbausteinen verwenden können, so wäre die Produktion von CMOS-Sensoren tatsächlich günstiger. Da aber die Anforderungen der lichtempfindlichen Sensoren von denen der Speicherbausteine abweichen, mussten neue Fertigungsanlagen entwickelt werden, die sehr viel feinere Strukturen (0,0003 mm) realisieren als die Produktion von Speicherbausteinen (0,0006 mm). So sind also gute CMOS-Sensoren ebenso teuer in der Herstellung wie CCD-Sensoren.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit der CMOS-Sensoren ist sehr hoch, da die Elektronen/Spannungs-Wandlung im Pixel stattfindet. Hier können sehr hoch verstärkende Transistoren mit einem niedrigen Stromverbrauch eingesetzt werden. Dabei treten allerdings fertigungsbedingte Ungleichmäßigkeiten in der Verstärkung auf, so dass bei gleicher Beleuchtung nicht jeder Sensor das gleiche Signal liefert. Das wiederum macht sich als Störungen / Rauschen im Bild bemerkbar. Durch eine entsprechende Verschaltung lässt sich dieses Problem aber minimieren. Man spricht in diesem Fall von APS-Sensoren (Active Pixel Sensor).
Die Verschaltung des CMOS-Sensors ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise, die insbesondere bei kleinen Kameras gefragt ist.

Dynamikumfang

Als Dynamikumfang eines Sensors bezeichnet man das Verhältnis des maximalen Signals (Sättigung) zum Rauschen. Hier hat der CCD-Sensor klar die Nase vorn, da er ein deutlich geringeres Rauschen aufweist. Der CCD-Sensor kommt aufgrund der externen Signalverarbeitung mit weniger elektronischen Bausteinen aus, die obendrein noch qualitativ besser sind.

Dunkelstrom

Wird ein Sensor mit aufgestecktem Objektivdeckel belichtet, so sollte das Bild eigentlich höllisch schwarz sein – die Pixel müssten den digitalen Wert 0 aufweisen. In der Praxis variieren die digitalen Werte im unteren Bereich. Diese Werte stammen vom Rauschen und zu einem großen Teil vom sogen. »Dunkelstrom«.

Aufgrund der Temperatur entstehen zufällig freie Elektronen, deren Zahl mit sinkender Temperatur abnimmt. Dieser Dunkelstrom ist beim CCD über die Fläche des Sensors auf einem etwa gleichen Niveau. Da beim CMOS die Verstärker auf den Pixeln schwanken, ist dort der Dunkelstrom unterschiedlich, was bei High-Speed-Anwendungen unter schlechten Lichtverhältnissen zu Problemen führt.

Verschluss

Die meisten CCD-Sensoren – insbesondere Interline Transfer-CCDs, die in vielen Digitalkameras der Consumerklasse stecken – benötigen keinen mechanischen Verschluss. Die Belichtungszeit – also die Zeit, in der die Elektronen gesammelt werden – wird elektronisch gesteuert.

Für den Verschluss eines CMOS-Sensors müssen gesonderte Transistoren auf jedem Pixel angebracht werden, die auf Kosten der aktiven Fläche und damit der Lichtempfindlichkeit gehen. Ohne die Extra-Transistoren pro Pixel kann der Verschluss nur zeilenweise gesteuert werden, was zu Verzeichnungen bei bewegten Objekten führt.

Die Transistoren auf einem CMOS-Sensor bilden einen »optischen Tunnel«, da das Licht auf die lichtempfindliche Fläche im Tal zwischen den Transistoren treffen muss.

Geschwindigkeit

Durch die Integration aller Funktionen direkt auf dem Sensor weisen CMOS-Sensoren weniger Stromverluste auf und verarbeiten Signale schneller. CCD-Sensoren weisen hingegen höhere Lichtempfindlichkeiten auf, können also kürzer belichtet werden. Dafür dauert das Verarbeiten der Daten länger.

Bildung von Auslesebereichen (Windowing)

Benötigt eine Anwendung (z.B. Videoaufnahmen) nicht alle Pixel des Sensors, so beschränken einige CMOS-Sensoren ein das Auslesen der Pixel auf einen definierbaren Bereich. Diese Möglichkeit ist bei CCD-Sensoren stark eingeschränkt.

Antiblooming

Blooming bezeichnet das »Überlaufen« der Elektronentöpfe in die Nachbarpixel, wenn die Belichtung an einer Stelle zu stark ist. Bei CMOS-Sensoren entsteht aufgrund der Verschaltung grundsätzlich kein Blooming. CCD-Sensoren für die Fotografie sind mit einem Extra-Schutz gegen das Blooming versehen.

Auslesen

Das Auslesen der CMOS-Sensoren ist i.d.R. unproblematisch, aber CCD-Sensoren stellen hohe Anforderungen an die Stromversorgung und die elektronischer Taktung, da die Elektronen nacheinander ausgelesen werden müssen und der Sensor sich dabei nicht »verschlucken« darf.