CMOS im Aufwind
(rw) Ein Schlagwort in digital-fotografischen Kreisen ist neuerdings die sogenannte CMOS-Technologie. Kann sie dazu beitragen, Digitalkameras für den Massenmarkt tauglich zu machen? Wer die Datenblätter der heute verfügbaren Digitalkameras durchliest, stösst immer wieder auf den Begriff CCD. Die Abkürzung steht für Charge Coupled Device, was wiederum das Kernstück praktisch jeder Digitalkamera bezeichnet: den lichtempfindliche Bildsensor, der in der Filmebene sitzt. Die Omnipräsenz der CCD-Technik könnte zu der Annahme verleiten, dies sei die einzige Technik für die elektronische Bildaufzeichnung. Dass dem nicht so ist, zeigt die derzeitige Diskussion der Fachwelt um sogenannte CMOS-Sensoren, die den CCD-Chips Konkurrenz machen könnten. CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor und bezeichnet eigentlich nur ein bestimmtes Herstellungsverfahren. Grundsätzlich ist die Funktionsweise von CCD- und CMOS-Sensoren ähnlich. Beide Typen basieren auf der photovoltaischen Reaktion, die eintritt, wenn Silikon dem Licht ausgesetzt wird. Die Photonen des Lichtes setzen Elektronen frei; deren Anzahl ist proportional zur Lichtintensität. Relativ unbekannt ist, dass es CMOS-Bildsensoren länger gibt als CCD-Chips, nämlich schon seit 1967. Die ersten CCD-Chips erblickten erst drei Jahre später das Licht der Welt. Allerdings übernahmen CCD-Sensoren sofort die Führungsrolle bei der Bildaufzeichnung, da ihr Dynamikumfang grösser, die Lichtempfindlichkeit höher und das sogenannte Rauschen - eine Art störendes, digitales Filmkorn - geringer war. Pionier bei der Umsetzung von CMOS-Technik in marktfähige Digitalkameras ist die amerikanische Firma Soundvision. Sie wurde gegründet von Bob Caspe, dessen Name vielen Profi-Digitalfotografen ein Begriff ist. Caspe war der Gründer der Firma Leaf Systems und das technische Genie, das hinter der Entwicklung einer der ersten Highend-Digitalrückteile stand: dem Leaf Digital Camera Back DCB, das in der professionellen Studiofotografie nach wie vor als Marktführer gilt. Nachdem nicht zuletzt durch das Software- und Farb-Knowhow von Soundvision die CMOS-Sensoren in der digitalen Fototechnik salonfähig geworden sind und auch die Bildqualität deutlich gesteigert wurde, kommt heute auch den sonstigen Vorteile dieser Technologie - die sie in einigen Belangen den bewährten CCD-Sensoren gegenüber als überlegen erscheinen lässt - eine grosse Bedeutung zu. Hierzu zählen: Stromverbauch: Gerade bei portablen Kameras kann die CMOS-Technik das leidige Thema des Batterieverbrauchs positiv beeinflussen. Eine CMOS-Kamera benötigt nur etwa 1/3 bis 1/10 der Energie eines entsprechenden CCD-Modells. Kein Blooming: Da CCD-Pixel ihre Ladung nach dem Eimerkettenprinzip über die Nachbarpixeln bis an die Ränder des Sensors weitergeben, können partielle Überbelichtungen zu grossen, weissen Flecken führen (das sog. Blooming oder Überstrahlung). Bei CMOS-Sensoren dagegen wird die Ladung direkt von den einzelnen Pixeln "abgeholt", was das Ausbreiten der Überbelichtung in eigentlich korrekt belichtete Bildteile verhindert. Kompakte Bauweise: Der Hauptunterschied zu traditionellen CCD-Sensoren ist die Tatsache, dass direkt auf dem CMOS-Chip zusätzliche Elektronik untergebracht werden kann, die klassische (Digital-)Kamerafunktionen erledigt. Hier zählt etwa die Belichtungskontrolle, die Kontrastkorrektur oder die Analog-Digital-Wandlung, für die bei CCD-Kameras zusätzliche elektronische Bauteile erforderlich sind. Dies spart nicht nur Kosten, sondern erlaubt auch eine sehr kompakte Bauweise der Geräte. Multifunktionalität: CMOS-Sensoren können jederzeit auf andere Funktionsarten umgeschaltet, beispielsweise von der Ausgabe eines Videosignals hin zum Generieren eines Fotos. Die hierzu erforderliche Kontrollelektronik ist direkt auf dem Bildsensor untergebracht. Sie sorgt dann beispielsweise je nach Modus für die Auflösungs- und Farboptimierung im Foto-Modus oder für den für Videobilder erforderlichen höheren Kontrast und die entsprechende Bildübertragungsrate. Dass heute dennoch erst relativ wenige Digitalkameras mit CMOS-Sensoren arbeiten, erklärt sich aus den Schattenseiten dieser Technologie Lichtempfindlichkeit: Da bei CMOS-Sensoren jedes Pixel nicht nur aus dem lichtempfindlichen Teil besteht, sondern von zusätzlicher Miniatur-Elektronik umgeben ist, ist der sogenannte "Füll-Faktor" geringer als bei CCD-Sensoren. Der Füllfaktor bezeichnet jenen Prozentsatz des Pixels, der bei der Belichtung die Photonen "einsammelt". Praktische Auswirkung: CMOS-Kameras sind oft deutlich lichtunempfindlicher als entsprechende CCD-Modelle; Innenaufnahmen ohne Blitz sind meist unmöglich. Dynamikumfang: Die meisten CMOS-Sensoren haben einen geringeren Dynamikumfang als entsprechende CCD-Chips, können also weniger Helligkeitsabstufungen unterscheiden. Die CMOS-Kameras von Soundvision allerdings arbeiten bereits mit einer Farbtiefe von 30 Bit, sind also in der Lage, mehr als acht Milliarden Farbtöne zu erkennen. Bildqualität und Farbwiedergabe: CMOS-Chips produzieren in der Regel ein höheres Bildrauschen in Form von körnigen Störungen; auch die Farbtreue lässt bei manchen Modellen noch zu wünschen übrig. Verarbeitungszeit: Bei einigen CMOS-Kameras können nach dem Druck auf den Auslöser bis zu zwanzig Sekunden Wartezeit erforderlich sein, bis die Kamera zur nächsten Aufnahme bereit ist. Der Grund: die Kameraelektronik "überarbeitet" die Rohdaten, um ein Maximum an Bildqualität zu erreichen. So führt etwa der Rechenchip des Modells SVmini von Soundvision schwindelerregende 600 Millionen Operationen pro Bild aus. Angesichts dieser Nachteile mag man sich nun fragen, woher das grosse Interesse am Einsatz von CMOS-Sensoren rührt, gibt es doch bereits ausgereifte und qualitativ hochwertige CCD-Bildsensoren. Der Grund ist wie immer schlicht: abgesehen von den erwähnten Vorteilen der CMOS-Technik ist es der deutlich niedrigere Produktionspreis dieser Sensoren. So werden CCD-Chips auf hochspezialisierten Fertigungsstrassen und auf der Basis besonderer Rohstoffe produziert und fallen zudem noch durch hohe Ausschussraten unangenehm auf. CMOS-Sensoren können dagegen auf normalen, überall auf der Welt existierenden Halbleiter-Fertigungsstrassen in Massen produziert werden, wobei billige Standard-Rohstoffe ausreichen. Jim Dunn von Soundvision beziffert den Preisvorteil eines CMOS-Sensors bei Auflösungen bis 640 mal 480 Pixeln auf 25 bis 50 Dollar. Bei höheren Auflösungen bis zu 800 mal 1000 Pixeln ist die Einsparung sogar noch grösser - sie kann im Verkaufspreis der Kamera bis zu 150 Dollar ausmachen. Es liegt auf der Hand, dass diese Zahlen gerade im Bereich der preiswerten Digitalkameras für einen Erfolg auf dem Massenmarkt durchaus ausschlaggebend sein können. Bis CMOS-Chips allerdings auch den höchst auflösenden CCD-Sensoren, die über 4 bis 16 Millionen Pixel verfügen, Konkurrenz machen können, dürften nach Dunns Meinung noch ein bis zwei Jahre vergehen. So kostet etwa der für wissenschaftlich-technische Zwecke entwickelte CMOS-Sensor Fuga 22 von Imec, der eine Auflösung von stattlichen 2.048 mal 2.048 Pixeln aufweist, heute noch rund 4000 Dollar.
Bob Caspe, Präsident von Soundvision, ist jedoch überzeugt, dass CMOS nicht nur den Consumermarkt, sondern möglicherweise auch den Nischenmarkt der Profi-Digitalkameras dominieren wird. Damit der Siegeszug der CMOS-Sensoren Realität wird, müssten seiner Meinung nach allerdings Verbesserungen in vier Bereichen stattfinden. Empfindlichkeit: Die relativ geringe Empfindlichkeit der gängigen CMOS-Sensoren kann auf zwei Weisen gesteigert werden: zum einen können Mini-Linsen auf jedes einzelne Pixel plaziert werden, die das einfallende Licht bündeln und somit verstärken. Zum anderen kann man versuchen, den passiven Teil der einzelnen Pixel zugunsten des aktiven, lichtempfindlichen zu verkleinern. Produktionsausstoss: Durch Verbesserungen des Produktionsprozesses kann die Ausschussrate gesenkt werden, was die Kosten und damit die Preise der Kameras senkt. Farberfassung: Die wohl wichtigsten Verbesserungsmöglichkeiten sieht Caspe in der Farberfassung durch den CMOS-Sensor. Eine Optimierung der Farbfilter des Chips verbessert nicht nur die Farbtreue, sondern auch die Lichtempfindlichkeit bei gleichzeitigem Reduzieren des Rauschens. Bildverarbeitung: Mit zunehmendem Wissen um die Charakteristika der CMOS-Sensoren kann durch Optimierung der internen Bildverarbeitung sowohl die Bildqualität als auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden. |
