Was ist eigentlich … der Unterschied von CCD- zu CMOS-Sensoren?

Abb. 1: Der Chip einer Kamera ist für die Umwandlung des optischen Abbilds in ein digitales Signal zuständig [Peter Oden]

Seit über 30 Jahren kommen digitale Kameras in unserem Hobby Astronomie zum Einsatz. Schon relativ früh ging es dabei um den Unterschied und die jeweiligen Vorteile von CCD– zu CMOS-Sensoren.

CCD-Sensoren (CCD steht für »charge-coupled-device«) wurden eigentlich als Speicherbausteine entwickelt! Schnell kam man jedoch dahinter, dass die ursprünglich störende Lichtempfindlichkeit auch dazu genutzt werden kann, zusammen mit einer Optik Bilder zu erfassen. Das erste Muster wurde bereits 1970 entwickelt und die erste kommerzielle Fernsehkamera stand 1975 zur Verfügung. Für die Erfindung der CCD-Sensoren erhielten W. Boyle und G.E. Smith 2009 den Physik-Nobelpreis.

CMOS-Sensoren (CMOS steht für »complementary metal oxide semiconductor«) sind Chips, die in der äußerst stromsparenden CMOS-Technologie gefertigt sind. CMOS-Speicherbausteine etwa sind heute ebenfalls weitverbreitet. Bei den CMOS-Sensoren enthält jedes Bildelement bereits elektronische Elemente zur Verstärkung und zum Auslesen der Informationen. Der Nachteil von CMOS-Sensoren lag in der Anfangszeit darin, dass die zusätzliche Elektronik auf dem Chip Platz belegte. Dieser Platz stand dadurch nicht für die Aufnahme des einfallenden Lichtes zur Verfügung. CMOS-Chips waren deshalb früher deutlich weniger lichtempfindlich als CCD-Chips. Der Vorteil von CMOS-Sensoren jedoch war von Anfang an, dass jedes Pixel einzeln auslesbar war und somit das sogenannte blooming vermieden wurde. (Hierbei können durch die zeilenweise Kopplung der einzelnen Pixel Ladungen aus einer ausbelichteten Zelle in die Nachbarzellen übertreten).

Da sowohl CCD-Chips als auch CMOS-Chips auf Silizium basieren, haben sie weitgehend eine vergleichbare spektrale Empfindlichkeit.

Kontinuierlich haben die CMOS-Chips gegenüber den CCD-Chips aufgeholt. Besonders die Einführung des Global-Shutter-Verfahrens sorgte dafür, dass ein Bild auf einen Schlag als Ganzes ausgelesen wird. So können keine Artefakte bei bewegten Objekten entstehen im Gegensatz zum Rolling-Shutter-Verfahren, bei dem noch während der Belichtung der Chip zeilenweise ausgelesen wird.

Einheitliche Fertigungsmethoden reduzierten deutlich das Rauschen, das durch die Vielzahl einzelner Transistoren auf dem Chip entsteht. Die fortschreitende Miniaturisierung sorgte dafür, dass fast die gesamte Lichtfläche zur Lichtaufnahme zur Verfügung stand, was durch zusätzliche Mikrolinsen weiter optimiert wurde. Und die Verlagerung der Elektronik auf die licht-abgewandte Seite der Chips (back-illuminated-structures) brachte die fast vollständige Nutzbarkeit der Chipfläche für die Umwandlung des Lichtes in ein Nutzsignal.

All dies führte dazu, dass Sony im Jahre 2015 verkündete, in absehbarer Zukunft ausschließlich nur noch CMOS-Sensoren zu fertigen.

Auch im amateurastronomischen Sektor verbreiten sich Kameras mit CMOS-Chips immer weiter. Hier haben wir den weiteren großen Vorteil, dass CMOS-Chips aufgrund ihres geringeren Energieverbrauchs auch weniger Wärme erzeugen und dadurch weniger thermisches Rauschen! Sucht man aktuell im Web nach »astronomie kamera«, so findet man in dem riesigen Angebot mittlerweile immer mehr CMOS-Kameras.

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