Bildsensor

CCD-Sensor auf flexibler Leiterplatte

Bildsensor und Hauptplatine einer Digitalkamera

Schematischer Aufbau in einer Fotokamera

Ein Bildsensor ist eine Vorrichtung zur Aufnahme von zweidimensionalen Abbildern aus Licht auf elektrischem oder mechanischem Wege. In den meisten Fällen werden halbleiterbasierte Bildsensoren verwendet, die Licht bis ins mittlere Infrarot aufnehmen können. Es existieren aber auch zweidimensionale Halbleiterdetektoren für die Aufnahme hochenergetischer ionisierender Strahlungsarten wie Röntgen- und Gammastrahlung.

Technische Lösungen zur Aufnahme eines Bildes im sichtbaren Bereich bis zum Infrarot beruhen oft auf zweidimensionalen Anordnungen (Arrays), deren Signale elektronisch ausgelesen werden. Insbesondere bei Infrarot bezeichnet man diese auch als Focal Plane Array (FPA).

Bauformen

Beispiele für Bildsensoren im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarot:

• Siliziumsensoren weisen relativ geringes Bildrauschen auf, was möglicherweise durch die Verwendung von schwarzem Silizium weiter reduziert werden könnte.
  • CCD-Sensor (CCD)-Bildsensoren, mit Filterrad oder farbsensiblen Sensoren (Einzel-Filter pro Pixel, siehe Bayer-Sensor) auch für Farbbilder
  • CMOS-Sensor (richtige Bezeichnung Active Pixel Sensor), basierend auf der CMOS-Technik, mit neben- oder übereinander (Foveon X3) liegenden farbsensiblen Sensoren auch für Farbbilder
• Vidiconröhre
• Ikonoskop

Beispiele für Bildsensoren für andere Spektralbereiche:

• Nipkowscheibe (historisch für Licht, jedoch auch für andere Strahlungsarten verwendbar)
• Mikrobolometerarray (mittleres bis fernes Infrarot, in der Astronomie, in Wärmebildkameras und Zielsuchsystemen)
• Pyroelektrisches Array (mittleres bis fernes Infrarot)
• Focal Plane Arrays auf Basis von Fotodioden aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT), für Wärmebildkameras und Zielsuchsysteme im mittleren Infrarotbereich (Wellenlänge: 3,5–5 µm)

Bildwandlerröhren und Restlichtverstärker, auch die Mikrokanalplatte (MCP) dienen der Verstärkung eines Bildsignales oder dessen Umwandlung in sichtbares Licht; sie werden nicht als Bildsensor bezeichnet, obwohl sie oft wesentliche Merkmale eines solchen haben.

Nanosensoren

Hierbei handelt es sich um spezielle, sehr kleine Sensoren, um kleine Abbildungen mit hoher Auflösung zu scannen, wie bei elektronischen Lichtmikroskopen oder Refraktiometern. Eigenschaften:

• Sehr geringe Pixelgröße
• Hohe optische Auflösung
• Geringe Empfindlichkeit
• Geringe Dynamik

Röntgensensoren

Hierbei handelt es sich um mit einer strahlungsempfindlichen Schicht versehene Detektoren für digitales Röntgen (TFA-Sensor). Eigenschaften:

• Hohe Pixelgröße
• Geringe optische Auflösung
• Hohe Empfindlichkeit
• Mittlere Dynamik

Digitale Fotografie

Sensorgrößen und -formate

Vergleich gängiger Sensorformate, Seitenlängen in mm, Fläche in mm²

Vergleich gängiger Sensorformate

In nebenstehender Grafik sind gängige Sensorgrößen dargestellt, die in digitalen Video- und Fotokameras zum Einsatz kommen. Lässt man die Mittelformatsensoren außer Betracht, ist zwischen dem kleinsten und dem größten Sensor, die in Kompakt- und Spiegelreflexkameras verwendet werden, ein 56-facher Größenunterschied (bezogen auf die Sensorfläche) erkennbar. Dieser Unterschied ist einer von mehreren Faktoren, welche die Bildqualität und -empfindlichkeit beeinflussen. Der größte im Jahr 2018 gebaute Bildsensor hat eine effektive Größe von 205 mm × 202 mm. Der Preis für die Sensorchips steigt üblicherweise mit der Sensorfläche.

Auswahl einiger gängiger Formate

Format	Bilddiagonale
Micro-Four-Thirds und Four-Thirds	21,633 mm
APS-C und DX	27–28 mm
FX (Vollformat)	43,267 mm

Die Zoll-Bezeichnungen in nebenstehender Grafik haben keinen direkten Bezug zum Zoll-Maß mehr. Die Maßangaben beruhen auf den Eigenschaften der Vidiconröhre.

Siehe auch: Formatfaktoren gängiger Sensorgrößen

Bildauflösung und Pixelanordnung

In der Digitalfotografie wird die gerundete Gesamtzahl der Bildpunkte in Megapixeln (MP) als Anhaltspunkt für die theoretisch erreichbare Auflösung angegeben. Die tatsächliche Auflösung hängt aber von vielerlei Faktoren ab – die Pixelanzahl allein lässt keine Qualitätsaussage zu. Gab es anfangs fast nur das Seitenverhältnis 4:3, gibt es nun zunehmend auch das 3:2-Format des klassischen Kleinbilds sowie Kameramodelle mit 16:9-Format.

Siehe auch: Bildauflösungen in der Digitalfotografie

Siehe auch

• Überabgetasteter binärer Bildsensor

Weblinks

Commons: Kamerasensoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Bildsensoren – von Markus Bautsch

• Walter Preiss: Sensortechnik.
• Henner Helmers: Alles über Kamera-Sensoren.