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Inhaltsverzeichnis folgt…

Einleitung

Der Bildsensor ist das Herzstück einer Digitalkamera. Er übernimmt im Grunde die Aufgabe, die früher der Film hatte: Er nimmt das durch das Objektiv einfallende Licht auf und wandelt es in elektrische Signale um.

Doch „Sensor“ ist nicht gleich „Sensor“. In der digitalen Fotografie gibt es unterschiedliche Sensortechnologien und Bauweisen. Begriffe wie CCD, CMOS, Bayer-Sensor, Monochromsensor oder Tiefpassfilter tauchen deshalb immer wieder auf.

Was genau steckt dahinter? Und welchen Einfluss haben diese Technologien auf die Bildqualität?

Dieser Artikel erklärt die wichtigsten digitalen Sensortypen und Filter auf möglichst verständliche Art und Weise.

Was macht ein Bildsensor überhaupt?

Ein digitaler Bildsensor besteht aus vielen kleinen lichtempfindlichen Elementen. Diese werden häufig als Pixel oder genauer als Photosites bezeichnet.

Trifft Licht auf eine Photosite, entstehen elektrische Ladungsträger. Die Stärke dieses Signals hängt davon ab, wie viel Licht auf die jeweilige Stelle gefallen ist.

Vereinfacht funktioniert eine Digitalkamera also so:

Licht → Objektiv → Sensor → elektrisches Signal → Bildprozessor → Bilddatei

Das Grundprinzip ist zunächst unabhängig davon, ob es sich um einen CCD- oder CMOS-Sensor handelt.

Der entscheidende Unterschied liegt darin, wie die elektrischen Signale innerhalb des Sensors ausgelesen und verarbeitet werden.

CCD-Sensor – die klassische Digitaltechnik

CCD steht für Charge-Coupled Device. CCD-Sensoren waren über viele Jahre eine wichtige Technologie in Digitalkameras. Besonders bei frühen Digitalkameras und hochwertigen professionellen Kameras kamen sie häufig zum Einsatz.

Bei einem CCD-Sensor werden die während der Belichtung erzeugten elektrischen Ladungen von Pixel zu Pixel weitertransportiert und anschließend ausgelesen.

Vereinfacht kann man sich das wie eine Reihe von Eimern vorstellen, durch die nacheinander Wasser gekippt wird:

Pixel → Pixel → Pixel → Ausleseeinheit

Die Ladung wird schrittweise zum Auslesepunkt transportiert.

CCD-Sensoren galten insbesondere früher als sehr hochwertig und hatten eine Reihe von Vorteilen, denen jedoch auch einige erhebliche Nachteile gegenüberstanden:

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von CMOS-Sensoren verlor CCD deshalb im Bereich der klassischen Fotokameras zunehmend an Bedeutung.

CMOS-Sensor – der heutige Standard

CMOS steht für Complementary Metal-Oxide Semiconductor. CMOS-Sensoren funktionieren beim eigentlichen Erfassen des Lichts ähnlich wie CCD-Sensoren. Der entscheidende Unterschied liegt vor allem in der Art der Auslesung.

Bei einem CMOS-Sensor besitzt jedes Pixel beziehungsweise jede Pixelgruppe eigene Ausleseelektronik. Dadurch können die Signale wesentlich flexibler und schneller ausgelesen werden.

Vereinfacht ausgedrückt: Bei einem CCD-Sensor teilen sich viele Pixel einen gemeinsamen Ausleseweg, während bei CMOS-Sensoren die Pixel parallel ausgelesen werden. Das macht CMOS besonders schnell und energieeffizient.

Warum hat sich CMOS durchgesetzt?

Moderne CMOS-Sensoren bieten eine Kombination aus:

• hoher Geschwindigkeit
• geringem Energieverbrauch
• hoher Auflösung
• sehr guter Bildqualität
• schneller Serienbildaufnahme
• schnellem Autofokus
• Videoaufzeichnung
• vergleichsweise niedrigen Produktionskosten

Deshalb findet man CMOS heute in praktisch allen Bereichen der digitalen Fotografie.

Von Smartphones über Kompaktkameras bis hin zu professionellen Systemkameras reicht das Einsatzgebiet.

CCD und CMOS im direkten Vergleich

Dabei sollte man eine wichtige historische Einschränkung beachten: Moderne CMOS-Sensoren sind nicht einfach deshalb besser, weil sie CMOS sind. Die CMOS-Technologie wurde über viele Jahre weiterentwickelt. Moderne Sensoren unterscheiden sich erheblich von frühen CMOS-Sensoren. Die Bildqualität hängt deshalb immer vom konkreten Sensor und seiner gesamten Konstruktion ab und nicht allein vom Begriff CMOS.

Farb- und Monochromsensoren

Eine weitere wichtige Unterscheidung betrifft nicht die elektronische Auslesetechnik, sondern die Farbaufzeichnung.

Hier unterscheidet man grundsätzlich zwischen:

• Farbsensoren
• Monochromsensoren

Ein Farbsensor kann Informationen über verschiedene Farben erfassen. Ein Monochromsensor ist dagegen auf die Aufzeichnung von Helligkeitsinformationen ausgelegt.

Wie funktioniert ein Farbsensor?

Ein einzelnes Sensorpixel kann normalerweise nicht direkt erkennen: „Das ist rotes Licht.“ Es misst zunächst lediglich, wie viel Licht auf seine lichtempfindliche Fläche trifft. Damit daraus ein Farbbild entsteht, muss die Kamera zusätzlich Informationen darüber bekommen, welche Farbe das Licht besitzt.

Bei den meisten Digitalkameras geschieht dies mithilfe eines Farbfiltermusters. Das bekannteste ist der Bayer-Filter.

Der Bayer-Filter – das Farbmosaik

Der Bayer-Filter wurde von Bryce Bayer entwickelt und ist bis heute die am weitesten verbreitete Methode, einem Sensor Farbinformationen zuzuordnen.

Das klassische Bayer-Muster besteht aus:

• 50 % Grün
• 25 % Rot
• 25 % Blau

Ein vereinfachtes Muster sieht so aus:

G R G R
B G B G
G R G R
B G B G

Dabei steht:

• R = Rot
• G = Grün
• B = Blau

Warum gibt es doppelt so viele grüne Filter?

Das menschliche Auge besitzt eine besonders hohe Empfindlichkeit für Helligkeitsunterschiede im grün-gelben Bereich. Grün trägt deshalb besonders stark zur wahrgenommenen Helligkeits- und Detailauflösung bei.

Wie wird aus dem Bayer-Muster ein Farbfoto?

Hier liegt ein interessantes Detail: Ein einzelnes Pixel des Bayer-Sensors kennt zunächst nur einen Farbkanal.

Ein Pixel mit grünem Filter misst beispielsweise die Stärke des grünen Lichtanteils. Die roten und blauen Werte fehlen an dieser Stelle. Der Bildprozessor muss deshalb die fehlenden Informationen aus den umliegenden Pixeln berechnen. Dieses Verfahren nennt man Demosaicing oder Farbinterpolation.

Vereinfacht formulier: Rohdaten des Sensors → Demosaicing → vollständige RGB-Farbinformation → JPEG/HEIF oder RAW-Verarbeitung

Die Qualität dieses Verarbeitungsschrittes hat einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Bildqualität.

Der Bayer-Filter reduziert nicht einfach die Auflösung

Eine häufige Fehlvorstellung lautet:

„Bei einem 24-Megapixel-Bayer-Sensor sind nur 6 Megapixel rot, 6 Megapixel blau und 12 Megapixel grün – also hat die Kamera nur 6 Megapixel Farbauflösung.“

So einfach ist es allerdings nicht: Der Sensor besitzt weiterhin 24 Millionen Photosites. Jede Photosite liefert eine Messung, die in die Berechnung des fertigen Bildes einfließt. Durch Demosaicing werden aus den einzelnen Farbwerten vollständige Farbpixel berechnet. Allerdings ist die Farbinformation nicht an jeder Sensorposition direkt vorhanden. Deshalb unterscheidet sich die tatsächliche Detail- und Farbauflösung eines Bayer-Sensors von der eines Sensors, der an jeder Position vollständige Farbinformation erfasst.

💡 Weiterlesen: Wie funktioniert ein Pixel und was bedeuten Megapixel?

Neben einem Bayer-Filter existieren auch noch eine Reihe alternative Techniken.

X-Trans-Sensor – ein anderes Farbfiltermuster

Der X-Trans-Sensor verfolgt grundsätzlich ein ähnliches Prinzip wie der Bayer-Sensor: Auch hier besitzt jedes Pixel einen Farbfilter. Der wesentliche Unterschied ist das Muster der Farbfilter.

Anstatt eines einfachen 2×2-Bayer-Musters verwendet X-Trans ein größeres, scheinbar unregelmäßigeres Muster. Dadurch wird die regelmäßige Wiederholung der Farbfilter reduziert.

Vereinfacht sieht ein X-Trans-Muster beispielsweise so aus:

G B G R G B
R G R G R G
G R G B G R
B G B G B G
G R G R G B
R G B G R G

Das tatsächliche Muster ist fest definiert und nicht zufällig.

Ein regelmäßiges Pixel- und Farbfilterraster kann unter bestimmten Bedingungen zur Entstehung von Moiré und Aliasing beitragen. Das X-Trans-Muster wurde unter anderem mit dem Ziel entwickelt, solche regelmäßigen Muster zu reduzieren. Dadurch kann ein X-Trans-Sensor unter bestimmten Bedingungen mit weniger optischer Tiefpassfilterung auskommen und eine hohe Detailauflösung ermöglichen.

Wichtig: X-Trans ist kein grundlegend anderer Sensor als CMOS. Ein X-Trans-Sensor kann beispielsweise ein moderner CMOS-Sensor mit einem speziellen Farbfiltermuster sein.

Man kann deshalb vereinfacht sagen:

• CMOS = Technologie des Sensors
• X-Trans = Anordnung der Farbfilter

Bayer und X-Trans im Vergleich

Der Unterschied liegt also nicht darin, dass X-Trans „mehr Farben“ erkennt, sondern darin, wie die RGB-Filter auf dem Sensor angeordnet sind.

Foveon – ein völlig anderes Prinzip

Noch deutlicher unterscheidet sich der sogenannte Foveon-Sensor. Während Bayer und X-Trans die Farbinformationen nebeneinander auf unterschiedlichen Pixeln erfassen, arbeitet ein Foveon-Sensor mit mehreren übereinanderliegenden Sensorebenen.

Vereinfacht kann man sich das so vorstellen:

Bayer / X-Trans

Rot | Grün | Blau | Grün | Rot | …

Die unterschiedlichen Farbfilter befinden sich an unterschiedlichen Pixelpositionen.

Mehrschichtiger Sensor

Sensorebene Rot
↓
Sensorebene Grün
↓
Sensorebene Blau

Hier werden unterschiedliche Farbinformationen also in verschiedenen Tiefen des Sensors erfasst.

Das ist ein grundlegender Unterschied.

Wie funktioniert ein mehrschichtiger Sensor?

Silizium besitzt die interessante Eigenschaft, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich tief in das Material eindringt. Vereinfacht gesagt können bestimmte Farbbereiche in unterschiedlichen Tiefen des Siliziums erfasst werden. Mehrschichtige Sensorkonzepte nutzen dieses Prinzip. Dadurch kann ein einzelner Bildpunkt Informationen über mehrere Farbkanäle liefern.

Bei einem klassischen Bayer-Sensor könnte man vereinfacht sagen:

Pixel 1 → Grün
Pixel 2 → Rot
Pixel 3 → Blau

Bei einem mehrschichtigen Sensor dagegen:

ein Bildpunkt → mehrere Farbinformationen

Das hat einen großen theoretischen Vorteil: Es müssen nicht mehr die fehlenden RGB-Werte eines Pixels aus den benachbarten Pixeln rekonstruiert werden wie bei einem klassischen Bayer-Sensor.

Der Vorteil des Foveon-Prinzips

Der wesentliche Reiz eines mehrschichtigen Sensors besteht darin, dass die Farbinformation direkter an derselben Bildposition erfasst werden kann.

Dadurch können unter bestimmten Bedingungen sehr detaillierte Farbinformationen, hohe Mikrodetaillierung sowie natürliche Farbübergänge entstehen. Außerdem entfällt das klassische Bayer-Demosaicing. Allerdings bringt das mehrschichtige Prinzip auch technische Herausforderungen mit sich. Die verschiedenen Lichtwellenlängen werden im Silizium unterschiedlich stark absorbiert. Dadurch ist die Lichtausbeute nicht für alle Farbkanäle gleich. Auch Signalverarbeitung, Rauschen und Empfindlichkeit sind anspruchsvolle Themen.

Deshalb hat sich das mehrschichtige Prinzip trotz seiner interessanten Eigenschaften nicht als allgemeiner Ersatz für Bayer-Sensoren durchgesetzt.

Bayer/X-Trans und Foveon auf einen Blick

Ein besonders wichtiger Merksatz lautet: Bayer und X-Trans verteilen die Farbinformation über verschiedene Pixelpositionen. Mehrschichtige Sensoren erfassen verschiedene Farbinformationen an derselben Bildposition in unterschiedlichen Sensorebenen.

Monochromsensor – Schwarzweiß direkt vom Sensor

Ein Monochromsensor besitzt keine klassische RGB-Farbfilterstruktur. Er misst ausschließlich die Helligkeit des einfallenden Lichts.

Der große Vorteil eines Monochromsensors besteht darin, dass jedes Pixel die gesamte verfügbare Lichtinformation ohne einen vorgeschalteten RGB-Farbfilter messen kann.

Dadurch können je nach Sensordesign unter anderem eine höhere Lichtausbeute, sehr gute Detailwiedergabe, geringeres Rauschen und höhere Mikrokontraste ermöglicht werden.

Warum fotografiert man überhaupt mit einem Monochromsensor?

Für Schwarzweißfotografie könnte man natürlich einfach ein Farbfoto aufnehmen und es später in Schwarzweiß umwandeln. Bei Kameras mit Farbbildsensor lassen sich auch RAW-Aufnahmen in Schwarzweiß aufnehmen und anschließend verlustfrei als Farbbild weiterbearbeiten.

Ein echter Monochromsensor hat jedoch einen entscheidenden Unterschied: Er nimmt von Anfang an nur Helligkeitsinformationen auf. Dadurch muss kein Bayer-Muster berücksichtigt und kein Farbbild durch Demosaicing rekonstruiert werden. Das kann zu einer besonders direkten und detailreichen Darstellung führen.

Monochromsensoren sind deshalb vor allem für Fotografen interessant, die bewusst auf Schwarzweißfotografie spezialisiert sind.

Farbsensor vs. Monochromsensor

Folgende Tabelle stellt noch einmal die unterschiedlichen Eigenschaften kompakt gegenüber:

Wichtig ist auch hier: Ein Monochromsensor ist nicht automatisch in jeder Hinsicht überlegen. Wer sowohl Farb- als auch Schwarzweißfotos aufnehmen möchte, ist mit einem normalen Farbsensor wesentlich flexibler.

Der Tiefpassfilter – was macht er?

Neben dem Farbfilter kann sich vor dem Sensor ein weiterer wichtiger Filter befinden: der optische Tiefpassfilter, auch OLPF (Optical Low-Pass Filter) oder Anti-Aliasing-Filter genannt. Er hat eine völlig andere Aufgabe als der Bayer-Filter.

• Der Bayer-Filter bestimmt im Wesentlichen welche Farbinformation an der Sensorposition gemessen wird.
• Der Tiefpassfilter dagegen sorgt dafür, welche besonders feinen Bildstrukturen den Sensor erreichen dürfen.

Warum braucht ein Sensor überhaupt einen Tiefpassfilter?

Ein Bildsensor besteht aus einem regelmäßigen Raster von Pixeln. Sehr feine Strukturen können deshalb problematisch werden.

Stellen wir uns beispielsweise ein sehr fein gestreiftes Hemd vor: ||||||||||||||||||||

Wenn die Streifen so fein sind, dass sie in der Größenordnung des Pixelrasters liegen, kann der Sensor die Struktur nicht mehr eindeutig erfassen. Es entstehen möglicherweise sogenannte Aliasing-Artefakte. Ein bekanntes Beispiel dafür ist Moiré.

Was ist der Moiré-Effekt?

Moiré sind unerwünschte Muster, die entstehen können, wenn sich zwei regelmäßige Strukturen überlagern.

In der Fotografie kann beispielsweise ein fein gestreifter Stoff plötzlich wellige Muster, zusätzliche Linien oder farbige Muster zeigen, obwohl diese im Motiv gar nicht vorhanden sind.

Ähnliche Probleme können z.B. bei Jalousien, Zäunen, Dachziegeln, feinen Gittern, Gebäudefassaden, Textilien uvm. auftreten.

Wie verhindert der Tiefpassfilter Moiré?

Der Tiefpassfilter reduziert sehr hohe Ortsfrequenzen – vereinfacht gesagt also extrem feine Strukturen. Dadurch bekommt der Sensor ein etwas „geglättetes“ Bild, das sich zuverlässiger abtasten lässt.

Das Prinzip lässt sich vereinfacht so darstellen:

Feine Struktur → Tiefpassfilter reduziert problematische Frequenzen → Sensor → weniger Aliasing/Moiré

Der Preis dafür ist eine geringfügig reduzierte maximale Detailauflösung.

Kameras ohne Tiefpassfilter

Viele moderne Kameras verzichten inzwischen auf einen klassischen Tiefpassfilter. Der Grund liegt vor allem in der hohen Sensorauflösung und der Weiterentwicklung der Bildverarbeitung. Ohne Tiefpassfilter kann ein Sensor feinste Strukturen möglicherweise etwas detailreicher wiedergeben. Dafür steigt wiederum bei bestimmten Motiven das Risiko für Moiré.

Es handelt sich also um einen klassischen Zielkonflikt:

Tiefpassfilter

→ weniger Moiré
→ etwas geringere maximale Detailauflösung

kein Tiefpassfilter

→ potenziell mehr feine Details
→ höheres Moiré-Risiko

Einige Kamerahersteller verwenden außerdem spezielle Sensordesigns oder Verfahren, um diesen Kompromiss anders zu lösen.

Bayer-Filter und Tiefpassfilter sind nicht dasselbe

Die beiden Begriffe sollte man deshalb unbedingt auseinanderhalten.

Der Bayer-Filter ist also kein Schärfefilter und der Tiefpassfilter ist kein Farbfilter.

Wie sieht der Aufbau vor dem Sensor aus?

Der Sensor einer modernen Kamera ist nicht einfach eine nackte Fläche aus Millionen Fotodioden. Je nach Kamera und Sensordesign befindet sich darüber ein komplexer Filter- und Linsenaufbau.

Vereinfacht kann man es sich so vorstellen:

Objektiv 
↓
Filter-/Schutzschichten
↓ 
Tiefpassfilter (sofern vorhanden) 
↓
Farbfiltermatrix (z. B. Bayer) 
↓
Mikrolinsen 
↓
Photosites (das Herzstück des Sensors)

Die tatsächliche Reihenfolge und Konstruktion kann je nach Hersteller und Sensortyp unterschiedlich sein.

Mikrolinsen – ein weiteres wichtiges Detail

Über den Sensorpixeln befinden sich häufig Mikrolinsen. Ihre Aufgabe besteht darin, möglichst viel des einfallenden Lichts auf die lichtempfindliche Fläche der jeweiligen Photosite zu lenken. Das ist besonders wichtig, weil ein moderner Sensor neben den eigentlichen lichtempfindlichen Bereichen auch elektronische Strukturen besitzt.

Die Mikrolinsen helfen dabei, den verfügbaren Platz möglichst effizient zu nutzen. Bei modernen Sensoren sind solche Mikrolinsen ein wichtiger Bestandteil des gesamten optischen Sensoraufbaus.

Rückseitenbelichtete Sensoren – BSI-CMOS

Eine weitere Entwicklung moderner CMOS-Sensoren ist die Backside Illumination, kurz BSI. Bei einem klassischen Sensor befinden sich bestimmte elektronische Strukturen teilweise zwischen einfallendem Licht und lichtempfindlicher Fläche.

Bei einem BSI-Sensor wird der Aufbau so verändert, dass das Licht effizienter auf die lichtempfindliche Fläche gelangen kann.

Vereinfacht:

Frontside-Illumination

Licht → Elektronikstrukturen → Photosite

Backside-Illumination

Licht → Photosite

Das kann insbesondere bei kleinen Pixeln zu einer verbesserten Lichtausbeute beitragen.

BSI ist deshalb heute bei vielen modernen Sensoren zu finden – von Smartphones bis zu hochwertigen Systemkameras.

CMOS ist nicht gleich CMOS

An dieser Stelle wird deutlich, warum die Bezeichnung CMOS-Sensor allein nur wenig über die tatsächliche Bildqualität aussagt.

Zwei Kameras können beide CMOS verwenden und sich trotzdem erheblich unterscheiden.

Wichtige Faktoren sind beispielsweise:

• Sensorgröße
• Pixelzahl
• Pixelgröße
• BSI-Technologie
• Auslesegeschwindigkeit
• Dynamikumfang
• Rauschverhalten
• Farbfilter
• Tiefpassfilter
• Mikrolinsen
• Signalverarbeitung
• Bildprozessor

Wichtig: Ein moderner 24-Megapixel-Vollformatsensor und ein 24-Megapixel-APS-C-Sensor besitzen beispielsweise dieselbe nominelle Pixelzahl, aber nicht dieselbe Sensorfläche und ggf. auch eine unterschiedliche Zusammensetzung des Sensors. Deshalb sollte man die Angabe von Megapixeln niemals isoliert betrachten.

Global Shutter und Rolling Shutter

Ein weiterer Punkt, der bei modernen CMOS-Sensoren zunehmend wichtig wird, ist die Art der Auslesung.

Viele Sensoren arbeiten mit einem Rolling Shutter. Dabei werden die Pixel nicht exakt gleichzeitig ausgelesen, sondern zeilenweise. Bei schnellen Bewegungen kann das zu Verzerrungen führen.

Ein Beispiel: Ein schnell bewegter Propeller kann auf dem Foto plötzlich gekrümmt erscheinen.

Ein Global Shutter liest dagegen das gesamte Bild praktisch gleichzeitig aus. Das kann bei:

• Sportfotografie
• Motorsport
• Tierfotografie
• schnellen Bewegungen
• Video

ein großer Vorteil sein.

Global-Shutter-Sensoren haben allerdings ihre eigenen technischen Herausforderungen und sind deshalb nicht automatisch in jeder Hinsicht besser.

Was ist ein Stacked Sensor?

Neuerdings kommt noch ein weiterer Begriff ins Spiel, der häufig für Verwirrung sorgt: Der Stacked Sensor.

„Stacked“ bedeutet wörtlich „gestapelt“. Ein Stacked-Sensor besitzt mehrere übereinander angeordnete Halbleiterschichten.

Aber: Stacked bedeutet nicht automatisch mehrschichtige Farberfassung. Das ist ein entscheidender Unterschied.

Bei einem modernen Stacked-CMOS-Sensor kann beispielsweise die eigentliche lichtempfindliche Sensorschicht von einer separaten Schicht mit Auslese- und Verarbeitungselektronik getrennt werden.

Vereinfacht dargestellt:

Lichtempfindliche Sensorschicht
↓
Auslese-/Logikschicht
↓
eventuell zusätzlicher Speicher, z. B. DRAM

Dadurch kann sehr viel Elektronik auf kleinem Raum untergebracht werden.

Warum sind Stacked-Sensoren so schnell?

Der große Vorteil des Stacked-Prinzips liegt vor allem in der Auslesegeschwindigkeit.

Bei einem klassischen Sensor müssen die Bilddaten über bestimmte Ausleseschaltungen verarbeitet werden. Bei einem Stacked-Sensor kann die Elektronik näher beziehungsweise direkt unterhalb der eigentlichen Pixelstruktur angeordnet werden. Dadurch stehen mehr und leistungsfähigere Ausleseschaltungen zur Verfügung.

Das ermöglicht beispielsweise:

• sehr schnelle Serienbildaufnahmen
• schnelle elektronische Verschlusszeiten
• geringere Ausleseverzögerung
• leistungsfähige Videoaufzeichnung
• schnellere Autofokusberechnung
• geringere Rolling-Shutter-Effekte

Einige besonders leistungsfähige Stacked-Sensoren können sogar einen Global Shutter ermöglichen.

Stacked und Global Shutter sind ebenfalls nicht dasselbe

Auch hier lohnt sich eine klare Trennung:

• Stacked beschreibt den Aufbau des Sensors.
• Global Shutter beschreibt die Art der Belichtung beziehungsweise Auslesung.

Ein Stacked-Sensor kann beispielsweise besonders schnell ausgelesen werden und dadurch Rolling-Shutter-Effekte stark reduzieren. Das bedeutet aber nicht automatisch, dass jeder Stacked-Sensor einen echten Global Shutter besitzt.

Man kann es sich so merken:

• Stacked = Wie ist der Sensor aufgebaut?
• Global Shutter = Wie wird das Bild ausgelesen?

Von der Photodiode zum fertigen Foto

Fassen wir den gesamten Prozess noch einmal vereinfacht zusammen:

Das Wichtigste auf einen Blick

Wer sich nicht mit den technischen Details beschäftigen möchte, kann sich folgende stichpunktartige Zusammenfassung merken:

CCD

Ältere, klassische Sensortechnologie

• sehr gute Bildqualität möglich
• vergleichsweise hoher Energieverbrauch
• langsamere Auslesung
• heute in klassischen Digitalkameras weitgehend durch CMOS ersetzt

CMOS

Moderner Standard

• schnell
• energieeffizient
• hohe Auflösungen möglich
• sehr gut für Serienbilder und Video geeignet

Farbsensor

Erzeugt Farbinformationen

• meistens mit RGB-Farbfilter
• häufig Bayer-Muster
• Farbbilder direkt möglich

Monochromsensor

Misst nur Helligkeit

• keine RGB-Farbfiltermatrix
• kein klassisches Demosaicing
• speziell für Schwarzweißfotografie interessant

Bayer-Filter

Farbmosaik

• Rot, Grün und Blau auf unterschiedlichen Sensorpixeln
• 50 % Grün, 25 % Rot, 25 % Blau
• fehlende Farbinformationen werden anschließend berechnet

Tiefpassfilter

Moiré-Schutz

• reduziert extrem feine Strukturen
• vermindert Aliasing
• kann feinste Details geringfügig abschwächen
• manche Kameras verzichten darauf

Zusammenfassung

Der Bildsensor einer Digitalkamera ist wesentlich komplexer, als es die einfache Angabe eines Kamerasensors von z.B. „24 Megapixel CMOS“ vermuten lässt.

CCD und CMOS beschreiben zunächst unterschiedliche Technologien für die Erfassung und Auslesung des Signals. CMOS hat sich aufgrund seiner Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Integrationsmöglichkeiten zum dominierenden Sensortyp entwickelt.

Farb- und Monochromsensoren unterscheiden sich dagegen vor allem darin, ob der Sensor Farbinformationen oder ausschließlich Helligkeitsinformationen erfasst.

Beim klassischen Farbsensor übernimmt der Bayer-Filter die Aufgabe, den einzelnen Photosites unterschiedliche Farbanteile zuzuordnen. Der Bildprozessor setzt diese Informationen anschließend mithilfe des Demosaicings zu einem vollständigen Farbbild zusammen. Der Tiefpassfilter verfolgt wiederum ein völlig anderes Ziel: Er reduziert extrem feine Strukturen und hilft dadurch, Aliasing und Moiré zu vermeiden.

Nicht die Bezeichnung „CMOS“ oder die Megapixelzahl allein entscheiden über die Qualität eines Sensors. Entscheidend ist das gesamte Zusammenspiel aus Sensorgröße, Sensordesign, Pixelstruktur, Farbfilter, Auslesetechnik, Filteraufbau und Bildverarbeitung.

Für den Fotografen bedeutet das letztlich: Die technischen Begriffe sind interessant – wichtiger ist aber, wie sich die konkrete Sensorkonstruktion in der Praxis auf Dynamikumfang, Rauschen, Detailauflösung, Farbe, Geschwindigkeit und Bildqualität auswirkt.

Der richtige Umgang mit Autofokusfeldern, AF-Modi und Objektivantrieben ermöglicht deutlich schärfere Bilder – besonders bei schwierigen Motiven und schnellen Bewegungen.

📝 Dieser Artikel wurde zuletzt am 30. Juli 2026 aktualisiert. Der Originalbeitrag stammt vom 26. Juli 2026.

Letzte Änderung: Inhaltsverzeichnis hinzugefügt

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Die unterschiedlichen Funktionen von Kameras und Objektiven werden häufig mit diversen Abkürzungen gekennzeichnet. Da es unter den Herstellern keine einheitlichen Bezeichnungen gibt, kann man hier schnell durcheinander kommen. Für das bessere Verständnis der obigen Tabellen ist eine Legende daher vielleicht ganz hilfreich. Neben eher speziellen Abkürzungen habe ich auch einige weitere fotografische Begriffe mit in die Tabelle aufgenommen: Fotografie-Abkürzungen.

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