Die Entwicklung digitaler Kameras verlief rasant, und ständig kamen neue Bildsensortechnologien auf den Markt. Viele Hersteller bewerben ihre Produkte intensiv mit hoher Pixelzahl und Bildqualität. Kunden sind daher oft verunsichert und unsicher bei der Wahl einer Digitalkamera. Um ein grundlegendes Verständnis der drei gängigen Bildsensoren für Digitalkameras – CCD, Super-CCD und CMOS – zu vermitteln, haben wir diese drei Sensoren zusammengefasst und laden Sie herzlich zur Diskussion ein. Die meisten Digitalkameras verwenden einen CCD (Charge Coupler), ein spezielles Halbleitermaterial. Er besteht aus einer Vielzahl unabhängiger, lichtempfindlicher Elemente, die üblicherweise in einer Matrix angeordnet sind. Licht fällt durch das Objektiv auf den CCD und wird dort in elektrische Ladung umgewandelt. Die Ladungsmenge jedes Elements hängt von der Intensität des einfallenden Lichts ab. Beim Drücken des Auslösers überträgt der CCD die Informationen jedes Elements an den Analog-Digital-Wandler (ADC). Das analoge elektrische Signal wird vom ADC verarbeitet und in ein digitales Signal umgewandelt. Dieses digitale Signal wird in einem bestimmten Format komprimiert und im Puffer gespeichert. So entsteht ein digitales Foto. Die Bilddaten werden je nach Bedarf als digitale oder Videosignale ausgegeben. Aktuell gibt es zwei Haupttypen von CCD-Lichtsensoren: lineare und Matrix-CCDs. Lineare CCDs werden in hochauflösenden Kameras eingesetzt und erfassen jeweils nur eine Bildzeile, ähnlich wie ein Flachbettscanner Fotos scannt. Dieser CCD-Typ ist zwar sehr präzise, ​​aber langsam und daher ungeeignet für die Fotografie von sich bewegenden Objekten oder die Verwendung von Blitzlicht. Aus diesem Grund ist er in vielen Situationen nicht anwendbar und wird heute nicht weiter behandelt. Der andere Typ ist der Matrix-CCD. Hier repräsentiert jedes Lichtsensorelement ein Pixel im Bild, und das gesamte Bild wird gleichzeitig belichtet, sobald der Verschluss geöffnet wird. Matrix-CCDs verwenden typischerweise zwei Verfahren zur Farbverarbeitung. Ein Verfahren besteht darin, Farbfilter in die CCD-Matrix einzubetten, wobei benachbarte Pixel unterschiedliche Farbfilter verwenden. Typische Anordnungen sind GRGB und CYGM. Das Abbildungsprinzip ist bei beiden Anordnungen gleich. Während der Bildaufnahme empfängt der interne Mikroprozessor der Kamera ein Signal von jedem Pixel und kombiniert vier benachbarte Punkte zu einem Pixel. Dieses Verfahren ermöglicht eine sofortige Belichtung, und der Mikroprozessor kann sehr schnell arbeiten. Dies ist das Abbildungsprinzip der meisten CCD-Sensoren in Digitalkameras. Da es keine Punkt-zu-Punkt-Synthese nutzt und mathematische Berechnungen beinhaltet, besteht der größte Nachteil dieser CCD-Art darin, dass die resultierenden Bilder nie die Schärfe eines Messerschnitts erreichen. Ein anderer Ansatz verwendet ein Prisma, das das durch die Linse einfallende Licht in drei Strahlen aufteilt. Jeder Strahl wird durch ein anderes eingebautes Gitter gefiltert, um eine bestimmte Primärfarbe zu extrahieren. Anschließend werden drei CCD-Sensoren verwendet, um diese Strahlen separat zu erfassen. Diese Bilder werden dann kombiniert, um ein hochauflösendes, farbgenaues Bild zu erzeugen. Beispielsweise verwendet eine 3-Megapixel-Kamera drei 3-Megapixel-CCD-Sensoren zur Lichterfassung. Dies ermöglicht eine Punkt-zu-Punkt-Synthese, was zu einer außergewöhnlich hohen Bildschärfe führt. Die größte Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt in der enormen Datenmenge. Vor der Aufnahme des nächsten Fotos müssen die im Kamerapuffer gespeicherten Daten gelöscht und gesichert werden. Daher stellen diese Kameras sehr hohe Anforderungen an andere Komponenten, was sie extrem teuer macht. Der exklusiv von Fujifilm eingeführte SUPER CCD verwendet keine herkömmlichen quadratischen Dioden, sondern achteckige. Die Pixel sind wabenförmig angeordnet, und die Fläche jedes Pixels ist größer als bei einem herkömmlichen CCD. Durch die Drehung der Pixel um 45 Grad wird unnötiger Platz im Bild reduziert, was zu einer höheren Lichtkonzentrationseffizienz führt. Diese gesteigerte Effizienz verbessert die Empfindlichkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikumfang. Fujifilm gibt an, dass der SUPER CCD eine ISO-800-Äquivalenz erreicht, mit einem etwa 30-fach höheren Signal-Rausch-Verhältnis als bisher, einer deutlich verbesserten Farbwiedergabe und einem geringeren Stromverbrauch. Fujifilm behauptet außerdem, dass der SUPER CCD mit der Auflösung herkömmlicher CCDs mithalten kann – und das mit 40 % mehr Pixeln. Entgegen der alten Regel, dass die effektiven Pixel in CCDs geringer sind als die Gesamtpixelzahl, kann der SUPER CCD 4,3-Megapixel-Bilder auf einem 2,4-Megapixel-Bildschirm ausgeben. Fujifilm und ihr SUPER-CCD erregten daher nach ihrer Markteinführung großes Aufsehen in der Branche. Um die Auflösung herkömmlicher CCDs zu steigern, vergrößern die meisten Hersteller von Digitalkameras für Endverbraucherprodukte nicht die CCD-Größe, sondern verringern die Pixelfläche und erhöhen die Pixeldichte. Bekanntlich führt eine kleinere Pixelfläche zu geringerer Lichtempfindlichkeit, einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis und einem geringeren Dynamikumfang. Daher lässt sich die Auflösung mit dieser Methode nicht unbegrenzt steigern. Eine bloße Erhöhung der Auflösung ohne Vergrößerung der CCD-Fläche verschlechtert die Bildqualität. Um die bestehende Bildqualität bei gleichzeitiger Erhöhung der CCD-Pixelzahl zu erhalten, muss die Gesamtfläche des CCDs vergrößert werden, wobei die Pixelgröße mindestens beibehalten werden muss. Die Herstellung größerer CCDs ist derzeit jedoch schwierig und die Ausbeute gering, wodurch die Kosten hoch bleiben. Jedes Pixel eines herkömmlichen CCDs besteht aus einer Diode, einem Steuersignalpfad und einem Stromübertragungspfad. SUPER CCD verwendet eine achteckige, wabenförmige Diode, wodurch der ursprüngliche Steuersignalpfad entfällt und nur noch ein Stromübertragungspfad in eine Richtung benötigt wird. Dies schafft mehr Platz für die Fotodioden. SUPER CCD weist eine höhere Dichte als herkömmliche CCDs auf und nutzt die Pixel besser aus. Das bedeutet, dass die Fotodioden in SUPER CCD bei gleicher Größe Licht effektiver absorbieren, was die Empfindlichkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikumfang verbessert. Warum hat SUPER CCD also eine höhere Ausgabepixelzahl als die effektive Pixelzahl? CCDs sind bekanntermaßen nicht sehr empfindlich für Grün und synthetisieren daher Pixel mithilfe des G-B-R-G-Verfahrens. Jedes synthetisierte Pixel teilt sich tatsächlich einige reale Pixel, was zu einer Abweichung von der idealen Bildqualität führt. Aus diesem Grund verwenden einige professionelle High-End-Digitalkameras 3CCDs zur separaten RGB-Lichterfassung. SUPER CCD erreicht durch die veränderte Pixelanordnung eine gleiche Anzahl an R-, G- und B-Pixeln und synthetisiert Pixel in Dreiergruppen. Herkömmliche CCDs synthetisieren vier Pixel zu einem einzigen, obwohl nur drei benötigt werden – eines geht verloren. SUPER CCD löst dieses Problem, indem es ein einzelnes Pixel mit nur drei Punkten synthetisiert. Anders ausgedrückt: Ein CCD synthetisiert ein Pixel mit vier Punkten und berechnet jeden Punkt viermal; ein SUPER CCD synthetisiert ein Pixel mit drei Punkten und berechnet ebenfalls jeden Punkt viermal. Daher weist SUPER CCD eine höhere Pixelausnutzungsrate als herkömmliche CCDs auf und erzeugt mehr Pixel. Wissenschaft muss auf Fakten basieren; selbst die logischste Theorie ist ohne faktische Grundlage nur leeres Gerede. Nach wiederholten Tests mehrerer Digitalkameras für Endverbraucher mit Fujifilms SUPER CCD stellten wir fest, dass die Bildqualität – zumindest bei maximaler Auflösung – nicht den Erwartungen entspricht. Neben einer relativ lebendigen Farbwiedergabe konnten wir deutliches Rauschen im blauen Himmel und in Schattendetails feststellen, und die Bildschärfe war nur durchschnittlich. Dies deutet darauf hin, dass der 2,4-Megapixel-SUPER-CCD für Endverbraucher die beworbene Ausgabeauflösung von 4,3 Megapixeln nicht erreicht. Wie viele Pixel repräsentiert ein 2,4-Megapixel-SUPER-CCD tatsächlich in einem CCD? Basierend auf der vorherigen Aussage gehe ich davon aus, dass der SUPER-CCD 33 % mehr Pixel als ein herkömmlicher CCD nutzt, weshalb seine Ausgabeauflösung ebenfalls 33 % höher sein sollte. Die Fujifilm FinePIX 4900 verfügt über insgesamt 2,4 Millionen Pixel. Meiner Schätzung nach entspricht ihre Ausgabeauflösung etwa 3,2 Millionen Pixeln (240 × 133 % = 3,2 Millionen). Die beworbene Ausgabeauflösung der 4900 beträgt 4,3 Millionen Pixel. Woher kommen also die zusätzlichen 1,1 Millionen Pixel? Ich vermute, es liegt an der Interpolationstechnologie. Dies könnte erklären, warum Fotos, die mit einem SUPER-CCD aufgenommen wurden, bei 100 % Ansicht nicht immer gestochen scharf aussehen. Um Kameras wie die FINEPIX 4900 und FINEPIX 4700, die SUPER-CCDs verwenden, objektiv und fair zu bewerten, sollten sie als 3,2-Megapixel-Digitalkameras betrachtet werden. Unser Verständnis von CMOS begann letztes Jahr mit der Veröffentlichung der semiprofessionellen Digitalkamera Canon EOS D30. Viele Branchenkenner waren erstaunt und konnten es kaum glauben, dass so preiswerte Materialien für den Bildsensor verwendet wurden. Sie glaubten, die Bildqualität von CMOS könne den Ansprüchen professioneller Anwender nicht genügen. Aber ist ein CMOS-Bildsensor in puncto Bildqualität wirklich wertlos? Zunächst einmal: Was ist CMOS? CMOS steht für Complementary Metal-Oxide Semiconductor und spielt eine zentrale Rolle in der Halbleitertechnologie für Mikroprozessoren, Flash-Speicher und ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen). Wie CCDs ist auch CMOS ein Halbleiter, der Lichtveränderungen erfasst. CMOS nutzt hauptsächlich Halbleiter aus Silizium und Germanium und realisiert grundlegende Funktionen durch negativ und positiv geladene Transistoren auf dem CMOS-Chip. Der durch diese beiden komplementären Effekte erzeugte Strom kann vom Verarbeitungschip als Bild aufgezeichnet und interpretiert werden. Der Hauptvorteil von CMOS gegenüber CCD ist der deutlich geringere Stromverbrauch. Im Gegensatz zu CCDs, die aus Dioden bestehen, verbrauchen CMOS-Schaltungen praktisch keinen Strom im Ruhezustand; Strom wird nur verbraucht, wenn die Schaltung eingeschaltet ist. Dadurch verbraucht CMOS nur etwa ein Drittel des Stroms eines herkömmlichen CCDs, was dazu beiträgt, das negative Image von Digitalkameras als „Stromfresser“ zu widerlegen. CMOS wird bekanntermaßen in den Belichtungsmess- und Fokussiersystemen der Canon EOS AF-Kameras eingesetzt. Canon verfügt über umfassende technische Kompetenz und langjährige Erfahrung in diesem Bereich. Heutzutage lassen sich großflächige CMOS-Bildsensoren relativ einfach und kostengünstig herstellen, und die Bildverarbeitungsschaltung kann direkt auf dem Chip integriert werden. Das Hauptproblem von CMOS ist die Überhitzung bei der Verarbeitung schnell wechselnder Bilder aufgrund häufiger Stromänderungen. Eine gute Dunkelstromunterdrückung mildert dieses Problem, eine unzureichende Unterdrückung kann jedoch leicht zu Rauschen führen. Die D30 verfügt über eine separate Regelschleife zur Dunkelstromkontrolle, und das Rauschunterdrückungssystem arbeitet bei Belichtungszeiten über einer Sekunde automatisch und reduziert das Rauschen deutlich. Darüber hinaus unterscheiden sich die Abtastverfahren von CMOS- und CCD-Sensoren erheblich. Beispielsweise kann ein CCD-Sensor bei einer Auflösung von 3 Megapixeln kontinuierlich 3 Millionen Ladungen abtasten. Das Abtastverfahren ist sehr einfach, vergleichbar mit dem Weiterreichen eines Wassereimers von einer Person zur anderen, und das Signal wird erst nach Abschluss des letzten Datenabtastvorgangs verstärkt. Jedes Pixel eines CMOS-Sensors besitzt einen Verstärker, der Ladung in ein elektronisches Signal umwandelt. Daher kann ein CMOS-Sensor das Signal pixelweise verstärken. Dieses Verfahren vermeidet unnötige Übertragungsvorgänge und ermöglicht so ein schnelles Abtasten der Daten bei minimalem Energieverbrauch und reduziertem Rauschen. Dies ist Canons In-Pixel-Ladungstransfertechnologie. Wir haben zahlreiche mit der CANON EOS D30 aufgenommene Fotos im Internet analysiert und festgestellt, dass die Bildqualität von CMOS der von herkömmlichen CCDs in nichts nachsteht. Wenn dieser energiearme und relativ einfach herzustellende Bildsensor hinsichtlich Bildschärfe und Dynamikumfang weiter verbessert werden kann, glauben wir, dass CMOS die Zukunft der Digitalkameras sein wird.