Was ist der Unterschied zwischen CCD- und CMOS-Bildsensoren?

Beide Technologien dienen demselben Zweck: zu erfassen und aufzuzeichnen, wie viel Licht auf jedes Pixel trifft. Sie arbeiten nur anders, um dieses Ziel zu erreichen. Die Pixel auf einem CCD enthalten keine aktive Schaltung, nur einen kleinen "kapazitiven Behälter", der passiv eine Ladung speichert, bis sie zum nächsten Behälter verschoben und schließlich vom Sensor entfernt und dann von der Schaltung gelesen werden kann. Ein CMOS-Sensor ist im Grunde ein Sensor auf einer großen integrierten Schaltung und enthält eine kleine aktive Schaltung mit Transistoren in jedem Pixel, sodass jedes Pixel in der Lage ist, die auftreffende Ladung aktiv zu messen und aufrechtzuerhalten, anstatt die Ladung nur passiv zu halten, bis sie es ist zum Lesen verschoben.

Beide haben Stärken und Schwächen – einige der besten beinhalten den Videomodus (oder Live-Ansichtsmodus).

• Vertikale Streifenbildung

  In der Live-Ansicht oder im Videomodus zeigen CCD-Sensoren vertikale Streifenbildung, bei der helle Lichtpunkte im Rahmen, sogar am Rand, eine vertikale helle Linie von oben nach unten im Rahmen erzeugen können. Dies wird dadurch verursacht, dass Strom von einem einzelnen Pixel "überläuft" und durch die gesamte Zeile leckt. Beachten Sie, dass professionelle Videokameras, die CCD-Sensoren verwenden (und Tausende von Dollar kosten), über Schaltkreise verfügen, um dies zu minimieren. Außerdem arbeiten CCDs in einem anderen Modus, wenn sie für Standbilder verwendet werden, dh nicht im Live-Ansichts-/Videomodus, der nicht anfällig für vertikale Streifenbildung ist.

  CMOS-Sensoren zeigen überhaupt keine Streifenbildung, da jedes Pixel seine eigene Schaltung hat, die von anderen Pixeln isoliert ist.

• Rolltor

  CMOS-Sensoren zeigen einen Rolling-Shutter-Effekt im Live-View- oder Videomodus oder immer dann, wenn sie keinen physikalischen, mechanischen Verschluss verwenden. Anstatt den gesamten Frame auf einmal zu erfassen, werden die Informationen nacheinander aus jeder Zeile des Frames gelesen. Die dafür benötigte Zeit variiert zwischen den Kameras, aber 1/30 s oder 1/60 s wären typische Dauern für eine vollständige Sensoranzeige (bei voller Auflösung). Dies erzeugt einen geleeartigen Wackeleffekt in aufgezeichneten Videos, wenn die Kamera in der Hand gehalten oder viel bewegt wird, oder sogar in Standbildern, wenn der elektronische Verschluss (für völlig geräuschlosen Betrieb) verwendet wird.

  CMOS-Sensoren, die speziell für Videoaufnahmen mit hoher Bildrate (z. B. 120 fps oder mehr) entwickelt wurden, weisen einen geringeren Rolling-Shutter-Effekt auf. Darüber hinaus kann der Betrieb eines Sensors mit einer niedrigeren als der vollen Auflösung (z. B. Aufzeichnung von 1080p auf einem Sensor anstelle von 4K) den Sensor in einen schnelleren Auslesemodus schalten und daher weniger Rolling-Shutter-Effekt haben.

  CCD leidet nicht unter dem Rolling-Shutter-Effekt.

• Lärm / Qualität im Allgemeinen

  Während es früher bei CMOS Qualitätskompromisse gab, ist dies heute vernachlässigbar und hat sich möglicherweise sogar umgekehrt. Sicherlich gibt es bei großen Sensoren (DX, 4/3, FF) keinen praktischen Unterschied, abgesehen von nur individuellen Unterschieden aufgrund des Designs des Sensors. Die CMOS-Technologie entwickelt sich schnell und die Bildqualität hat sich verbessert, insbesondere bei kleinen Sensoren, wie sie in Smartphones verwendet werden.

  Bei sehr kleinen Sensoren wie in Kompaktkameras und Smartphones hatten CMOS-Sensoren früher eine schlechtere Empfindlichkeit, was darauf zurückzuführen ist, dass die Pixel im Verhältnis zur Größe der darauf befindlichen Schaltkreise so klein sind. Allerdings haben Verbesserungen der Herstellungsprozesse und eine neue Technologie namens "Back Side Illumination" (BSI) dem entgegengewirkt.

Heutzutage verwenden professionelle Standbildkameras zunehmend CMOS-Sensoren, und die CMOS-Sensoren, die Sie darin finden, sind mindestens genauso leistungsfähig wie ihre CCD-Cousins. Zufällig entwickelt sich die CMOS-Technologie derzeit schnell und viele der besten Sensoren sind heutzutage CMOS. Wenn Sie kein Video aufnehmen, gibt es keinen Grund, eine Kamera danach auszuwählen, ob sie einen CCD- oder einen CMOS-Sensor hat.

Machen Sie sich keine Gedanken über die Sensorik, sie ist wahrscheinlich die am wenigsten wichtige Sache, die Sie bei der Entscheidung für Ihr Ausrüstungsset berücksichtigen sollten. Es wäre, als würde man darüber nachdenken, ob Kodak- oder Fuji-Schwarzweißfilm der "beste" ist, ohne die Kamera, die Sie verwenden werden, die Objektive, die Sie verwenden werden, oder Ihre Fähigkeiten als Fotograf zu berücksichtigen.

Denken Sie an Glas, nicht an Sensoren.

CCDs können "elektronische Verschlüsse" haben; Sie können elektronisch "abgeschaltet" werden, bevor sich der mechanische Verschluss schließt.

Mit dieser Funktion können Sie höhere Blitzsynchronisationsgeschwindigkeiten erreichen. Beispielsweise können die Nikon D70s und ihr CCD mit elektronischem Verschluss mit 1/500 s synchronisieren.

CMOS-Sensoren können dies normalerweise nicht, daher sind sie darauf beschränkt, wie schnell der mechanische Verschluss schließen kann. Die Nikon D90 zum Beispiel hat eine maximale Blitzsynchronzeit von 1/250 s.

Das Funktionsprinzip ist bei beiden Systemen gleich.

Licht lässt Elektronen im Silizium herumwackeln und das Silizium wird so geätzt, dass das Wackeln diese Elektronen dazu bringt, sich in die gleiche Richtung zu bewegen. Dieser Prozess ist derselbe wie in Solarmodulen.

Wenn das Bild vom Sensor "gelesen" wird, wird für jedes Pixel die Ladung gemessen (wie dies geschieht, ist zwischen den beiden unterschiedlich), indem ein Analog>Digital-Wandler (AD) verwendet wird, und diese Werte stellen die Lichtpegel dar, aus denen das Bild besteht.

Was CCD und CMOS unterscheidet, sind die unterschiedlichen Materialien und Konstruktionen. Das wirkt sich auf die praktische Anwendung in der Fotografie aus. CMOS-Sensoren können in fast jeder Chip-Fertigung gebacken werden, wo CCDs einen maßgeschneiderten VLSI-Prozess erfordern, der nur CCD-Chips herstellen kann.

Beide Systeme haben Eigenschaften, die ihnen einen Vorteil auf dem Papier verschaffen. Abgesehen von einigen spezifischen Aufgaben (z. B. Astrofotografie) ist es schwer zu sagen, dass derzeit eines der beiden tatsächlich besser ist als das andere. CMOS-Sensoren sind billiger/einfacher herzustellen, profitieren leichter von anderen Fortschritten in der Chipherstellung, ermöglichen ein paralleles Auslesen und verbrauchen weniger Strom. CCD lässt mehr Fläche für die Photosite und bessere Rauscheigenschaften verfügbar, muss aber Zeile für Zeile lesen, was die Verarbeitung verlangsamt. Derzeit haben die Chip-Fortschritte dazu geführt, dass CMOS heute in der Fotografie die Nase vorn hat und dies wahrscheinlich auch vorerst tun wird.

Es gibt noch mehr Unterschiede zwischen CMOS und CCD. CMOS-Sensoren sind viel billiger als CCD-Sensoren.
Es ist viel billiger, CMOS-Sensoren herzustellen, als CCD-Sensoren herzustellen, die schwieriger herzustellen sind.
Der CMOS-Sensor verbraucht weniger Strom als der CCD-Sensor, was gut für die Akkulaufzeit und Überhitzung ist.
Außerdem können Sie viel mehr Funktionen in einen einzigen CMOS-Chip integrieren, wodurch Hersteller die Anzahl der Chips in ihren Kameras reduzieren können. So können beispielsweise Bilderfassung und -verarbeitung in einem Chip integriert werden, was die Kosten senkt.