CMOS- vs. CCD-Bildsensoren: Unterschiede erklärt

Beide Sensoren wandeln in jedem Pixel Licht in elektrische Ladung um; sie unterscheiden sich darin, wie diese Ladung ausgelesen wird. Ein CCD verschiebt die Ladung Pixel für Pixel zu einem einzigen Ausgangsverstärker. Ein CMOS-Sensor wandelt die Ladung bereits im Pixel in Spannung um und liest viele Pixel parallel aus. CMOS-Sensoren sind günstiger, schneller und sparsamer im Verbrauch und können ADCs und Bildverarbeitung auf demselben Chip integrieren, weshalb sie CCDs in fast allen Verbraucherprodukten ersetzt haben.

Aspekt	CMOS-Bildsensor	CCD-Bildsensor
Auslesen	Jedes Pixel hat einen eigenen Verstärker; die Signale werden parallel ausgelesen, meist über Spalten-ADCs	Die Ladung wird Pixel für Pixel durch das Array zu einem oder wenigen Ausgangsverstärkern verschoben
Fertigung	Standardmäßiger CMOS-Prozess, gefertigt in üblichen Halbleiterfabriken	Spezialprozess für den Ladungstransport
Funktionen auf dem Chip	ADCs, Timing und Bildverarbeitung können integriert werden; gestapelte Aufbauten ergänzen Logik und Speicher	Meist nur der Sensor; Hilfsschaltungen sind separate Chips
Leistungsaufnahme	Niedrig	Hoch, weil der Ladungstransport schnelle Takte und mehrere Versorgungsspannungen erfordert
Geschwindigkeit (Bildrate)	Hoch, dank paralleler Auslesung	Niedriger, begrenzt durch den seriellen Transport
Rauschen und Gleichmäßigkeit	Früher schlechter, heute vergleichbar oder besser dank Pinned-Photodioden und korrelierter Doppelabtastung	Traditionell rauscharm und mit gleichmäßigen Pixeln
Verschluss	Rolling Shutter ist üblich (schnelle Motive können verzerrt erscheinen); Global-Shutter-Varianten brauchen zusätzliche Pixelschaltungen	Global Shutter ist bei vielen Aufbauten naturgegeben
Blooming und Smear	Weniger anfällig	Anfälliger, weil überschüssige Ladung in benachbarte Pixel überlaufen kann
Kosten	Niedrig, dank Massenfertigung	Höher
Typische Einsatzgebiete	Smartphones, Digitalkameras, Fahrzeugkameras, Webcams	Wissenschaftliche und astronomische Kameras, einige industrielle, medizinische und Raumfahrt-Bildgebungen

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

CMOS: Fast alles heute: Handys, Kameras, Autos, Überwachungs- und Industriekameras. Er ist günstig, schnell und flexibel, wobei rückseitenbelichtete und gestapelte Varianten Empfindlichkeit und Geschwindigkeit verbessern.
CCD: Sonderfälle, die seine lange bewährte Rauscharmut und Gleichmäßigkeit schätzen, etwa einige wissenschaftliche, astronomische und Raumfahrtinstrumente.

FAQ

Warum haben CMOS-Sensoren CCDs ersetzt?

CMOS-Sensoren sind günstiger, schneller und sparsamer und können ADCs und Bildverarbeitung auf demselben Chip integrieren. Verbesserungen bei Rauschen und Empfindlichkeit haben den Hauptvorteil des CCD aufgehoben.

Was ist ein Rolling Shutter?

Ein Rolling Shutter liest die Zeilen eines CMOS-Sensors nacheinander aus, sodass sich schnell bewegende Motive verzerrt erscheinen. Ein Global Shutter belichtet alle Pixel gleichzeitig, braucht aber zusätzliche Schaltungen in jedem Pixel.

Wird CCD noch verwendet?

Ja, in einigen wissenschaftlichen, astronomischen, industriellen und Raumfahrt-Anwendungen der Bildgebung, bei denen seine lange bewährte Rauscharmut und Gleichmäßigkeit zählen.

Was ist Blooming?

Blooming tritt auf, wenn ein heller Pixel überläuft und Ladung in benachbarte Pixel abgibt. CCDs sind dafür anfälliger als CMOS-Sensoren.

Wichtige Begriffe erklärt

CMOS-Bildsensor: Ein in CMOS-Technik gefertigter Bildsensor mit einem Verstärker in jedem Pixel. Er hat geringen Stromverbrauch, kann Peripherieschaltungen integrieren und dominiert bei Smartphone-Kameras und mehr.
CCD-Bildsensor: Bildsensor, der die Ladungen der Pixel wie in einer Eimerkette weiterschiebt und an einer Ausgangsstufe in Spannung umwandelt. Er bot geringes Rauschen und hohe Bildqualität, verbrauchte aber mehr Strom; CMOS-Sensoren haben ihn in den meisten Anwendungen abgelöst.
Gestapelter CMOS-Bildsensor (Stacked CMOS Image Sensor): Bildsensor, dessen Pixelarray und Signalverarbeitungsschaltung auf getrennten Chips gefertigt und verbunden (gebondet) werden. Jeder kann den passendsten Prozess nutzen; der Chip wird kleiner und die Verarbeitung schneller.