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CMOS-Sensor

Beim CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)-Sensor werden die durch Photonen erzeugten Ladungen schon im Pixel in Spannung umgewandelt. Das ist der wesentliche Unterschied zum CCD-Sensor, bei dem die Ladungen erst aus dem Sensor zu einem Ausgangsverstärker verschoben werden müssen.

Bei den CMOS-Sensoren unterscheidet man zudem nach der Active- und Passive- Pixel-Technologie.

Bei der Active-Pixel-Technologie kann jeder Pixel getrennt angesteuert werden. Damit können alle Pixel zum gleichen Zeitpunkt belichtet werden (Global Shutter). Außerdem ist es hier - zumindest theoretisch - möglich, jeden Pixel getrennt auszulesen und so z.B. durch Wahl eines AOIs die Bildwiederholrate zu steigern.

Bei der Passive-Pixel-Technologie teilen sich die Pixel einer Zeile einen Teil der Elektronik. Die Belichtung und auch das Auslesen geschieht hier zeilenweise (Rolling Shutter).

Obwohl CMOS-Sensoren seit fast ebenso langer Zeit auf dem Markt erhältlich sind wie CCDs, hat die Leistungsfähigkeit erst vor kurzem ein Niveau erreicht, das den Einsatz in einem breiten Anwendungsbereich ermöglicht. Allerdings hat CMOS hinsichtlich Performance inzwischen CCD-Sensoren nicht nur eingeholt, sondern überholt.

Zu jeder einzelnen Fotodiode bzw. Pixel ist hier ein Kondensator parallel geschaltet, der durch den Fotostrom aufgeladen wird. Die erzeugte Spannung ist dabei proportional zur Helligkeit und zur Belichtungszeit.

Der grundlegende Unterschied zu den CCD-Sensoren ist, dass auf Schieberegister verzichtet wird und jedes Bildelement über eigene Ausleseverstärker bzw. Transistoren verfügt. Dies ermöglicht dem Anwender z.B. durch die Definition eines Teilbereichs des Sensors, einer so genannten »Region of Interest« (ROI), die Bildrate signifikant zu erhöhen.

Viele einfache CMOS-Sensoren mit Rolling-Shutter enthalten drei Transistoren (3T) pro Pixel; Zur Verbesserung der Funktionalität, z.B. zur Rauschunterdrückung, können weitere Transistoren (4T oder 5T) hinzugefügt werden. Dies geht jedoch zu Lasten des Füllfaktors und damit der Empfindlichkeit. Da jedes Pixel über eigene Verstärker verfügt, die aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht einheitlich sind, entsteht eine als »Fixed Pattern Noise« bezeichnete Inhomogenität des gesamten Bildes, die durch eine Flat-Line- oder Flat-Field-Korrektur ausgeglichen werden kann.

CMOS-Sensoren lassen sich in zwei Unterkategorien aufteilen: Diejenigen mit A/D-Wandlung »On-Chip« und diejenigen ohne A/D-Wandlung »Off-Chip«. Das bedeutet, dass Sensoren mit A/D-Wandlung auf dem Sensor direkt digitale Signale ausgeben können, wodurch sich die gesamte Kameraelektronik reduzieren lässt und folglich Kosten eingespart werden können. Die Sensoren ohne A/D-Wandlungen hingegen geben analoge Signale aus, weshalb die Kameraelektronik mit einem zusätzlichen A/D-Wandler ausgelegt werden muss.

CMOS-Sensoren können zwar grundsätzlich günstiger und mit höherem Integrationsgrad hergestellt werden als CCD-Sensoren, sind aber nicht immer billiger als CCDs. Eine Ausnahme sind hier die CMOS-Sensoren, die in sehr großen Stückzahlen hauptsächlich im Massenmarkt für Enduser-Kameras und Mobiltelefone verwendet werden und auch in industriellen Kameras Verwendung finden.