Sensor-Technologie-Vergleich

Sensor-Technologie bezeichnet die Architektur und den internen Aufbau digitaler Bildsensoren, die maßgeblich über Rauschverhalten, Dynamikumfang, Auslesegeschwindigkeit und Videoeignung einer Kamera entscheiden.

Rubrik: Fotografie & Digital Imaging · Unterrubrik: Kameratechnik · Niveau: Fortgeschritten Synonyme / Auch bekannt als: CMOS-Architektur, Sensordesign, Bildsensortechnik

Was ist Sensor-Technologie?

Moderne Digitalkameras verwenden fast ausschließlich CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Innerhalb dieser Grundtechnologie haben sich jedoch verschiedene Architekturansätze herausgebildet, die sich erheblich in Leistung und Eignung unterscheiden. Die vier wichtigsten Kategorien sind: konventioneller FSI-CMOS, BSI-CMOS (Backside Illuminated), Stacked CMOS und Sensoren mit Global Shutter.

Erklärung

FSI vs. BSI — Frontside und Backside Illuminated

Beim klassischen FSI-Sensor (Frontside Illuminated) fallen Lichtphotonen von vorne auf die Sensoroberfläche und müssen dabei zunächst Leiterbahnen, Transistoren und Schaltkreise passieren, bevor sie das lichtempfindliche Photodioden-Element erreichen. Diese Strukturen blockieren oder streuen einen Teil des einfallenden Lichts, was den Füllfaktor — den prozentualen Anteil lichtaktiver Fläche pro Pixel — reduziert.

Beim BSI-Sensor (Backside Illuminated, auch „rückseitig beleuchtet") wurde der Wafer umgekehrt, sodass das Licht direkt auf die Photodioden trifft, ohne Umwege über Metallleitungen. Das Ergebnis: höhere Lichtausbeute, bessere Rauschleistung bei hohen ISO-Werten und mehr Dynamikumfang. BSI-CMOS wurde von Sony um 2009 für Kompaktkameras eingeführt und ist heute Standard in der Vollformatsensorik.

Stacked CMOS

Stacked CMOS (gestapelter Sensor) geht einen Schritt weiter: Hier werden die Photodiodenschicht und die Verarbeitungslogik auf zwei getrennten Chips gefertigt und vertikal übereinandergestapelt. Dadurch lassen sich sehr schnelle DRAM-Pufferspeicher direkt in den Sensor integrieren. Das ermöglicht drastisch höhere Auslesegeschwindigkeiten — die Sony α9 III liest den Sensor beispielsweise mit bis zu 120 fps aus, was Rolling-Shutter-Verzerrungen bei schnellen Bewegungen nahezu eliminiert.

Stacked-Sensoren erlauben zudem rechenintensive Funktionen wie Echtzeit-Eye-AF-Tracking, hochfrequente Anti-Distortion-Algorithmen und hochauflösende Zeitlupe direkt im Sensor. Nachteil: höhere Produktionskosten und teils etwas erhöhter Energieverbrauch.

Dual Native ISO

Einige Sensoren — insbesondere in Kinokameras wie der Panasonic S5 II, BMPCC 6K oder Sony FX3 — verfügen über zwei native ISO-Basiswerte, etwa ISO 640 und ISO 12.800. Auf diesen Stufen greift die Kamera auf unterschiedliche Ausleseschaltungen innerhalb des Sensors zurück, was ein deutlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis ergibt als das einfache digitale Verstärken des Signals. Zwischen den Basispunkten interpoliert der Sensor, sodass das Rauschen jenseits des niedrigeren Basis-ISO leicht ansteigt, um den zweiten Basiswert zu erreichen, wo es wieder abfällt.

Global Shutter

Konventionelle CMOS-Sensoren lesen ihre Zeilen nacheinander aus (Rolling Shutter). Bei schnellen Bewegungen oder Kameraschwenks entstehen Verzerrungen: Das obere Bildteil wurde früher aufgenommen als das untere, gerade Linien erscheinen geneigt (Skew-Effekt) oder Objekte verbiegen sich (Wobble).

Ein Global-Shutter-Sensor belichtet und liest alle Pixel exakt gleichzeitig aus. Dies eliminiert Skew und Wobble vollständig und ist daher ideal für Sport, schnelle Autos, Drohnenaufnahmen und Kinoproduktionen. Sony stellte 2023 mit der α9 III die erste Systemkamera mit nativem Global Shutter vor. Erkauft wird dies mit leicht reduziertem Dynamikumfang und erhöhtem Produktionsaufwand.

Beispiele

• Sony α7 IV — BSI-CMOS Vollformat, 33 MP, gute Rauschleistung bis ISO 12.800
• Sony α9 III — Stacked BSI-CMOS mit Global Shutter, 120 fps Silent Shooting
• Panasonic S5 II — BSI-CMOS mit Dual Native ISO (640 / 4000), PDAF-Nachrüstung über BSI-Schicht
• Blackmagic Pocket Cinema Camera 6K G2 — Dual Native ISO 400 / 3200, Kinocharakter
• Nikon Z8 / Z9 — Stacked BSI-CMOS, Blackout-freies Fotografieren bei 20 fps

In der Praxis

Für Pressefotografen und Sportfotografen ist die Auslesegeschwindigkeit (Stacked/Global Shutter) entscheidend, um Verzerrungen beim Fotografieren schneller Objekte mit elektronischem Verschluss zu vermeiden. Videografen profitieren stark von Dual Native ISO, weil sie damit auch in Innenräumen oder schwierigem Mischlicht mit geringem Rauschen arbeiten können. Für Studio- und Landschaftsfotografie ist BSI-CMOS mit hohem Dynamikumfang bereits vollkommen ausreichend.

Die Wahl des Sensors sollte immer am Einsatzzweck orientiert sein: Wer primär Hochgeschwindigkeitssport filmt, sollte Stacked-Sensoren priorisieren; wer Dokumentarfilm dreht, profitiert mehr von Dual Native ISO.

Vergleich & Abgrenzung

Häufige Fragen (FAQ)

Ist BSI automatisch besser als FSI? In den meisten Praxissituationen ja — BSI liefert bei gleichem Pixelabstand mehr Licht pro Photodiode und damit weniger Rauschen. Bei sehr großen Pixeln (Mittelformat) spielt der Unterschied eine kleinere Rolle.

Hat jede Kamera mit Global Shutter keinen Rolling Shutter? Ja, bei aktiviertem Global Shutter vollständig. Kameras ohne nativen Global Shutter (z. B. Sony α7R V) zeigen beim elektronischen Verschluss weiterhin Rolling Shutter, können diesen aber durch Stacked-Auslesung minimieren.

Kann ich Dual Native ISO manuell wählen? In manchen Kameras ja (z. B. Lumix S5 II per Menüoption), in anderen wechselt der Sensor automatisch.

Verwandte Einträge

• Dynamikumfang in der digitalen Fotografie
• ISO und Bildrauschen – Lichtempfindlichkeit und Rauschverhalten der Kamera
• Global Shutter Sensor
• Dual Native ISO
• Videofeatures der Kamera
• Burst-Modus und Serienaufnahme: fps, Puffer und Sporteinsatz

Weiterführend

• Nakamura, J.: Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. CRC Press, 2006.
• Remacle, F. u. a.: „Backside-Illuminated CMOS Image Sensors", in: IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 57, 2010, S. 3165–3180.
• Doong, C.: „Stacked CMOS image sensor technology", Vortrag auf der ISSCC, San Francisco, 2012.
• Martinec, E.: Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs. Eigenverlag (online), 2008.