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Fotografieren lernen online Fotokurs Teil 1

16. Juli 2012 von Stefan Steinbach

Was ist ISO? Wieso sind meine Bilder im Dunklen so verwackelt? Was ist ein Crop-Faktor? Was macht die Blende? Weil ich öfters genau solche Fragen gestellt bekomme, werde ich jetzt einen Fotografieren lernen online Fotokurs erstellen. Bis jetzt habe ich 14 Teile die ich wöchentlich jeden Montag präsentieren will. Der erste Teil beginnt etwas theoretisch mit dem CMOS und CCD Sensor, weiter geht es dann mit:

Wenn es ein Thema gibt, dass euch interessiert und es hier nicht vorkommt, dann schreibt einfach einen Kommentar, ich versuche dann dieses Thema auch noch mit rein zu bekommen.

Legen wir los mit dem 1. Teil Fotografieren lernen online Fotokurs: CMOS, CCD Sensoren.
In diesem Teil werde ich diese Themen behandeln:

  • Was ist ein CMOS, CCD Sensor
  • Wie funktioniert ein CMOS, CCD Sensor
  • Verschiedenen Ausleseverfahren
  • Wie bekommt man ein Farbbild?
  • Dynamikumfang
  • Vor und Nachteile CMOS, CCD Sensor
  • In welchen Kameras sind CMOS, CCD Sensoren
  • Andere Arten von Sensoren

Was ist ein CMOS, CCD Sensor

CMOS und CCD Sensoren sind die beiden Arten von Fotosensoren die in den heutigen digital Kameras verbaut werden. CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor und CCD ist die Abkürzung für Charge Coupled Device. Beides sind Sensoren mit lichtempfindlichen Bauelementen. CMOS und CCD sind Begriffe die für das ganze System verwendet werden, wie z.B. der Transport der Ladungen. Das wirklich lichtempfindliche Teil ist z.B. der APS (Aktive Pixel Sensor), nicht zu verwechseln mit dem APS-Format. Wenn man es im Vergleich zur analogen Fotografie sehen will, repräsentiert der CMOS oder CCD Sensor den analogen Film.

CMOSundAnalogFilm

CMOS und analog Film


Wie funktioniert ein CMOS, CCD Sensor

Verschiedenen Ausleseverfahren

Fangen wir mit dem CCD Sensor an, weil er zuerst benutzt wurde in digitalen Kameras. Es gibt unterschiedliche Transportverfahren bei einem CCD Sensor. Um es nicht ganz so trocken zu machen, werde ich es etwas genereller halten.
Der CCD Sensor besitzt vertikale Transportkanäle neben den Pixeln. Nach einer gewissen Belichtungszeit werden die Ladungen über die vertikalen Transportwegen zum A/D Wandler geschickt. Es gibt unterschiedliche Lösungen zum transportieren der Ladung, wie z.B. IT(Interline Transfer), FIT(Frame Interline Transfer) oder FT(Frame Transfer).
Bei IT werden die Ladungen über die Transportkanäle nach unten transportiert und dann Zeile für Zeile ausgelesen. Beim FIT werden die Ladungen möglichst schnell in einen Zwischenspeicher transportiert der genauso groß sein muss wie der Sensor, von dort werden dann die Ladungen auch wieder Zeile für Zeile ausgelesen. Der FT benutzt als Transportweg die Pixel selbst, was einen mechanischen Verschluss voraussetzt. Großer Nachteil bei diesen Verfahren war der vertical Smear Effekt. Der Effekt tritt durch, an Kanten der Transportkanälen, reflektierendes Licht auf.

IT-FIT-FT

Transportverfahren

Der CMOS Sensor unterscheidet sich vom CCD Sensor in soweit, dass die Ladungen nicht schrittweise übertragen werden, sondern das jeder Pixel einzeln angesteuert und ausgelesen werden kann. Das bringt auch schon den ersten Vorteil mit sich, CMOS Sensoren haben keinen Blooming Effekt.

Wie bekommt man ein Farbbild?

Die Sensoren an sich nehmen nur Ladungen auf, je mehr Intensität das Licht hat, desto höher wird auch der Ladungszusatnd. Jedoch sind hier noch keine Farbinformationen enthalten. Um ein farbiges Bild zu bekommen müsste man den einzelnen Pixeln sagen was sie für eine Farbe repräsentieren sollen. Da es so einfach nicht geht, hat man sich verschiedene Verfahren einfallen lassen. Das sogenannte Bayer-Pattern ist das bekannteste Verfahren. Bei diesem Verfahren werden doppelt so viele Grüne Pixel verwendet wie Rot und Blau.

bayerpattern

Bayer Pattern Sensor und ein Pixel


Doch noch mal zum Anfang. Weder CCD noch CMOS können in ihrem Ursprung Farbe aufnehmen, sondern nur Helligkeitswerte. Damit auch Farbe aufgenommen werden kann, werden die einzelnen lichtempfindlichen Elemente mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau beschichtet. Weil der Mensch im Grünen sehr empfindlich für Helligkeitswerte ist wird auf den Sensoren Grün doppelt verwendet. Das bedeutet zwei grüne und jeweils ein rotes und blaues Element ergeben einen Pixel.
Dieses Verfahren ist bei CMOS und CCD Sensoren gleich. Ein anderes Verfahren ist die Aufspaltung des Lichts in die Farben Rot, Grün und Blau über ein dichroitischem Prisma. Bei diesem Verfahren werden dann für jede Farbe ein Sensor verwendet, was in Spiegelreflexkameras wegen dem Platz meist nicht verwendet wird.

Dynamikumfang

In den Anfängen der digitalen Fotografie war der Dynamikumfang der Sensoren noch sehr schlecht, was ein Grund war, dass damals noch auf Analog gesetzt wurde. Mit der Zeit wurden CMOS und CCD Sensoren weiter verbessert und sind heute auf einem Stand, dass sie dem analogen Film schon fast überlegen sind. Vorausgesetzt man hat eine hochwertige digitale Spiegelreflexkamera. Der Dynamikumfang gibt an wie viele Blendenstufen abgebildet werden. Hier hatte der CCD Sensor anfangs die Nase vorn. Doch das hat sich mittlerweile auch geändert. Der CMOS hat sich vom billig Sensor zur Spitzentechnik gewandelt und kann mittlerweile seine Vorteile ausspielen. Dadurch, dass der CMOS einzelne Pixel auslesen kann, wird das Blooming verhindert. Es können auch Ladungen abgeführt werden, während die Belichtungsdauer noch nicht zu Ende ist. Das hat den Vorteil das helle Bildanteile noch sichtbar sind und dunkle Bildanteile noch Zeichnung haben und nicht absaufen.

Vor und Nachteile CMOS, CCD Sensor

Was sind jetzt die Vor-/ Nachteile von CMOS, CCD Sensoren? Man kann sagen das beide mittlerweile auf einem sehr hohen Stand sind und es die anfänglichen Kinderkrankheiten fast nicht mehr gibt. Ein Grund warum der CMOS anfänglich nicht so oft in professionellen Systemen verwendet wurde war, dass er qualitativ nicht an den CCD Sensor heranreichte. Andererseits war er billig herzustellen. Diesen Grund kann man heutzutage denke ich nicht mehr bringen, die heutigen CMOS Sensoren findet man auch in professionellen Systemen für mehrere tausend Euro. Ein Vorteil von CCD Sensoren ist, dass sie je nach Transportverfahren keinen mechanischen Verschluss brauchen, sondern das elektronisch regeln. Was auch ein Grund für die Verwendung in TV Kameras ist.

In welchen Kameras sind CMOS, CCD Sensoren

Bei der Beschreibung von Kameras steht meist dort was für ein Sensor dort verwendet wird.

Bei einer Nikon D800 sieht das dann z.B. so aus:
CMOS-Sensor im FX-Format (Vollformat) mit 36,3 Megapixel, großem Signal-Rausch-Abstand, hohem Dynamikumfang und 12-Kanal-Datenausgabe.

Bei Hasselblad werden CCD Sensoren verwendet.
Also beim nächsten Kamerakauf darauf achten, was für ein Sensor verwendet wird, auch wenn es nicht so von Bedeutung ist.

Andere Arten von Sensoren

Natürlich gibt jeder Hersteller an, dass sie einen speziellen Sensor verbaut haben, doch meist ist es einfach eine leichte Abwandlung eines CCD oder CMOS-Sensors. Sigma versucht mit dem Foveon Sensor etwas anders an die Sache heranzugehen und legt verschiedene farbempfindliche Schichten übereinander wie in der analogen Fotoemulsion. Dies hat den Vorteil das es keine Verluste gibt wie beim Bayer-Pattern.

Fazit

Wie oben schon geschrieben ist es mittlerweile eigentlich egal welcher Sensor in einer Kamera verbaut ist, vom Qualitätseindruck sind beide Sensoren auf einem sehr hohen Produktionsniveau. Das einzige was jetzt noch ausgereizt wird sind die Algorithmen und die Form der lichtempfindlichen Bauelemente. Manche Hersteller versuchen die Fläche des Sensors besser zu nutzen und versuchen das durch Formänderung der Pixel. Die Algorithmen die für die Berechnung der Bildinformationen zuständig sind, werden auch immer besser hat aber mit dem rein technischen Prinzip des Sensors wenig zu tun. Weswegen man auch nicht so spontan sagen kann welcher Sensor besser ist.

Im 2. Teil des Fotografieren lernen online Fotokurs geht es dann um den Spiegelreflexkamera Aufbau und welche Spiegelreflexkamera für Anfänger gibt es.

Quellen
CMOS Wikipedia
CCD Kontra CMOS
Bildsensoren
CMOS Sensor IT-Wissen
Foveon Sensor

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