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Lexikon

Bildsensor

Die Größe des Bildsensors einer Digitalkamera ist eine der wichtigsten Spezifikationen bei der Bestimmung der Gesamtleistung. Selbst die einfachsten Bildverarbeitungs- und Bildgebungsgeräte verfügen über diese Sensoren; andernfalls wären sie nutzlos. Aber was genau sind Bildsensoren?

Was macht aus einer Digitalkamera eine Kamera?

Ein Bildsensor ist ein Gerät, das es der Kamera ermöglicht, Photonen - also Licht - in elektrische Signale umzuwandeln, die von dem Gerät interpretiert werden können. Die ersten Digitalkameras verwendeten ladungsgekoppelte Geräte, die die Bewegung der elektrischen Ladung durch das Gerät erleichterten, so dass sie moduliert werden konnte. Sie wurden 1969 in den Bell Laboratories erfunden, ein unerwartetes Ergebnis der Halbleiterforschung.

Unter Verwendung einer ähnlichen Technologie entstand 1973 die erste kommerzielle Digitalkamera. Sie war ein Kodak-Produkt, erreichte aber damals nie den Massenmarkt. Nichtsdestotrotz setzte sich die Entwicklung immer ausgefeilterer Bildsensoren zügig fort. Die heutigen kleinen, aber leistungsstarken Bildsensoren auf Siliziumbasis finden sich in allen Arten von Geräten: Scannern, Mobiltelefonen, Webcams und mehr.

Je größer der Bildsensor, desto besser das Bild - aber wie funktioniert das?

Die meisten Digitalkameras verwenden heute eine Standardkonfiguration: Eine 2D-Bayer-Anordnung von RGB-Farbfiltern befindet sich auf einer Pixelmatrix. Jedes Pixel verfügt über einen Fotodetektor und absorbiert gefiltertes Licht für eine der Primärfarben. Zusätzlich zu RGB gibt es spezialisierte oder veraltete Filteranordnungen wie CYGM.

Nachdem Licht auf die Fotodioden im Bildsensor auftrifft, wird das "Bild" in elektrische Signale umgewandelt und nacheinander an mehrere interne Geräte weitergeleitet: Ein serielles Schieberegister, einen Kondensator und einen Verstärker. Schließlich findet die Analog-Digital-Wandlung statt. Dabei werden Spannungssignale in binäre Werte umgewandelt, die verarbeitet und gespeichert werden können.

Obwohl es viele Arten von Bildsensoren gibt, werden CMOS-Sensoren heutzutage wohl am meisten eingesetzt. CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor - ermöglicht es, die Daten jedes Pixels einzeln zu lesen. Dies bietet die ausgeklügeltste und granularste Ebene der Kontrolle über das Bild. Diese Bildsensoren können auch bei sehr kleinen Größen gut funktionieren, so dass sie in Camcordern, Smartphones und vielen anderen tragbaren Anwendungen zum Einsatz kommen.

Es gibt mehrere spezialisierte Bildsensoren, aber bis vor kurzem waren die meisten Variationen des CMOS. Jetzt beginnen innovative Technologien wie hintergrundbeleuchtete Sensoren zu erscheinen. Diese verbessern die Leistung eines Bildsensors, indem sie die Lichtmenge erhöhen, die er einfangen kann.

Viele Komponenten spielen eine Rolle bei der Funktionsweise eines Bildgebungssystems, aber der Bildsensor ist vielleicht der wichtigste. Da die Sensoren von Tag zu Tag präziser werden, waren die Qualitätsstandards für die Bildgebung im Consumer- und Industriebereich noch nie so hoch wie heute.

Stand: 10.08.2020