Kamerasensoren

Der Sensormarkt für Digitalkameras wird beherrscht von CMOS- und CCD-Sensoren. Bislang war die Aufgabenteilung klar. CMOS-Sensoren findet man vor allem in Kamerahandys und Billigkameras sowie großformatig in einigen digitalen Spiegelreflex-Modellen. CCD-Sensoren dominieren bei Digitalkameras der anspruchsvolleren Mittel- und Oberklasse bis hin zu Spiegelreflexkameras. Nun stellen massive Investitionen von Sony in die CMOS-Technologie die Rollenverteilung von CCD- und CMOS-Sensoren in Frage.

Der grundlegende technische Unterschied zwischen CCD und CMOS besteht darin, dass bei den CCDs die nach der Belichtung in den Sensorpixeln nur passiv gespeicherte Ladung erst zu einem externen Prozessor geleitet und dort in Spannungswerte umgerechnet wird. Bei CMOS-Sensoren erfolgt die Umwandlung von Ladung in Spannung mit Hilfe von Transistoren und die digitalisierte Ausgabe des Spannungswertes passiert direkt auf dem Sensor hinter jedem einzelnen Pixel. CMOS-Sensoren bieten eine größere Dynamik, die tiefere Schwärzen und hellere Lichter darstellen kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist ihr geringerer Stromverbrauch. Und sie sind auch noch billiger in der Herstellung. Doch diese Vorteile konnten das wesentliche Manko der CMOS-Sensoren gegenüber dem CCD nicht wettmachen, ihre geringere Lichtempfindlichkeit. Die Folge war zumindest bei kleinen CMOS-Sensoren meist ein hohes Rauschen bei Aufnahmen mit wenig Licht.

CMOS-Produzenten standen bislang vor einem Dilemma: Entweder sie verbessern mit größeren Pixeln die Lichtempfindlichkeit, können dann aber keine so kleinen Sensoren wie die CCD-Konkurrenz bauen. Oder sie bieten kleine CMOS-Sensoren mit kleinen Pixeln an, doch ist dann das Signal-/Rausch-Verhältnis schlechter als bei gleich großen CCDs. Canon hat mit seinen EOS-Digital-SLR-Kameras als erster gezeigt, dass die CMOS-Probleme bei ausreichend großen Sensoren beherrschbar sind, und rüstet mittlerweile alle seine Spiegelreflexkameras mit CMOS-Technik aus. Die EOS-Modelle von der 350D bis zur 1Ds Mark II liefern ausgezeichnete, rauscharme Bilder. Nun scheint aber auch Sony die Zukunft im CMOS zu sehen. Letzten Dezember hatte Sony nach einem Bericht der Asian Times angekündigt, umgerechnet rund 370 Mio. Euro in den Aufbau einer CMOS-Fertigung zu stecken. Dabei setzt Sony offensichtlich nicht nur auf großflächige, sondern auch auf kleine CMOS-Sensoren.

Erste Folgen zeigen sich bereits. Als erstes Eigenprodukt brachte Sony im März 2005 mit dem DCR-PC1000 einen 3-Chip-Mini-DV-Camcorder mit drei neuen 1/6-Zoll-CMOS-Sensoren von je 790 000 Pixeln auf den Markt. Auch bei seinem jüngst vorgestellten  Camcorder HDR-HC1 setzt Sony auf die CMOS-Technik.

Ein anderer Sony-CMOS steckt in der Nikon D2X, der dritten Nikon-SLR-Kamera mit CMOS-Sensor nach der D2H und D2Hs. Nikon ist damit nach Canon der zweite SLR-Hersteller, der langsam von CCDs in den Topmodellen abrückt. Zwar steckt noch in der D70/D70s/D50-Baureihe von Nikon ein Sony-CCD, doch mit der nächsten Sensorgeneration erwarten wir auch hier bei Nikon CMOS-Sensoren. Der CMOS-Sensor in der D2X arbeitet mit 12 840 000 Pixeln und vier Ausgangskanälen (R, 2*G, B). Die Abstände Pixelmitte zu Pixelmitte der neuen Sony-CMOS-Sensoren gehören mit ca. 2,35 µm beim 1/6-Zoll-Sensor und 5,49 µm bei APS-C-Format-Sensoren zu den kleinsten der jeweiligen Formate. Die kleinsten absoluten Pixelgrößen für IT-CCDs liegen derzeit bei 2,35 µm x 2,35 µm und für CMOS bei 2,25 µm. Übrigens basiert der Foveon-Sensor, wie er bei Sigma und Polaroid zum Einsatz kommt, ebenfalls auf CMOS-Technologie.

Berichte aus Japan sprechen davon, dass es sich bei diesen Sony-Aktivitäten nur um die berühmte "Spitze des Eisbergs" handele und viele andere Chip-Hersteller ebenfalls an der Entwicklung neuer CMOS-Sensoren arbeiten. Ihr Hauptaugenmerk gilt der Verkleinerung der Pixelgrößen, um hochauflösende Sensoren mit möglichst kleinen Abmessungen bauen zu können. Auch Matsushita (Panasonic) liegt mit einer eigenen Entwicklung beim Kampf um geringe Pixelgrößen gut im Rennen. Laut Nikkei Electronics hofft man, noch in diesem Jahr bei der Pixelgröße mit CCD-Sensoren gleichzuziehen.

Der Schlüssel zu den CMOS-Fortschritten liegt einerseits bei der Fertigungstechnologie und andererseits in einer optimal angepassten Signalverarbeitung in der Kamera. Die bessere Lichtausbeute der neuen CMOS-Sensoren wird im Wesentlichen erreicht durch eine Verringerung der Zahl der Transistoren im Sensor, die eine engere Anordnung der Pixel ermöglicht, sowie durch eine Verstärkung des Bildsignals vor dem Auftreten von Rauschens. Wenn die Reduzierung der Pixelgröße im bisherigen Tempo weitergeht, ist 2006 mit Sensoren zu rechnen, die 1 Megapixel auf der gleichen Fläche unterbringen, wie sie 2003 noch die VGA-Sensoren für 300 000 Pixel benötigten.

Wichtigste treibende Kraft bei dieser Entwicklung sind Kamerahandys. Sie verlangen nach energiesparenderen, preisgünstigeren und zugleich rauschärmeren Sensoren. Da die Massenproduktion von CMOS-Chips weniger kritische Anforderungen an die Fertigungstechnologie als die von CCDs stellt, kommen als mögliche Anbieter deutlich mehr Firmen ins Spiel. Auf der International Solid-State-Circuit-Conference 2005 war die Rede vom "Multi-Milliarden-Dollar-Markt Digital Imaging" mit Fotohandys und Digitalkameras. Das fördert den Wettbewerb, in dem dann auch Firmen jenseits japanischer Grenzen mitspielen. Setzt sich die durch den Boom bei den Kamerahandys forcierte Entwicklung so fort, könnte 2005 ein entscheidendes Jahr der Wende hin zu nicht nur immer besseren und energiesparenderen, sondern auch billigeren Sensoren werden. Und davon würden nicht nur die Fotohandys profitieren, sondern auch die Digitalkameras. Gerade angesichts des scharfen Preiswettbewerbs bei den Digitalkameras der Consumer-Klasse freuen sich alle Hersteller über jede Chance zur Kostensenkung. Und so wie der Markt aussieht, dürfte diese zu einem nicht geringen Teil an die Verbraucher weitergegeben werden. Nikkei Electronics spricht von Erwartungen eines Preisverfalls von 30% bei den Kamerahandys. Doch auch die CCD-Fraktion schläft nicht. So hat Sanyo einen 3,1-Megapixel-FT-CCD mit 4 mm Diagonale und nur noch 1,56 µm Pixelgröße für Fotohandys in Vorbereitung. Von dieser Entwicklung dürften Sensoren für Digitalkameras profitieren. Wenn es den CMOS-Entwicklern gelingt, die Lichtempfindlichkeit und damit das Rauschverhalten bei gleicher Auflösung und Sensorfläche auf das Niveau der CCD-Sensoren zu bringen, dürfte der Siegeszug der CMOS-Sensoren auf Grund der anderen Vorteile, vor allem aber der geringeren Herstellungskosten, nicht mehr aufzuhalten sein.