Was ist der Unterschied zwischen CCD- und CMOS-Bildsensoren?

Ich lese immer wieder Artikel über CCD vs CMOS-Bildsensoren. Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Typen? Was genau machen diese Sensoren in Bezug auf Fotografie?

Wird eine CCD-Kamera in Zukunft mithalten können? Kann ich beim Kauf noch einige Jahre damit rechnen, oder ist es besser, auf eine Kamera mit CMOS-Sensor aufzurüsten?

Beide Technologien haben den gleichen Zweck: Sie erfassen und erfassen, wie viel Licht auf jedes Pixel fällt. Sie arbeiten einfach anders, um dieses Ziel zu erreichen. Die Pixel auf einem CCD enthalten keine aktive Schaltung, sondern nur ein kleines "kapazitives Bin", das passiv eine Ladung speichert, bis sie zum nächsten Bin verschoben und schließlich vom Sensor entfernt und dann von der Schaltung gelesen werden kann. Ein CMOS-Sensor ist im Grunde ein Sensor in einer großen integrierten Schaltung und enthält eine kleine aktive Schaltung, die Transistoren in jedem Pixel enthält, so dass jedes Pixel die auf ihn auftreffende Ladung aktiv messen und aufrechterhalten kann, anstatt die Ladung nur passiv zu halten, bis sie ist zum Lesen verschoben.

Beide haben Stärken und Schwächen - einige der wichtigsten sind der Videomodus (oder der Live-Ansichtsmodus).

• Vertikale Streifen

  Im Livebild- oder Videomodus weisen CCD-Sensoren vertikale Streifen auf, bei denen helle Lichtpunkte im Rahmen auch am Rand eine vertikale helle Linie von oben nach unten im Rahmen erzeugen können. Dies wird durch den Strom von einem einzelnen Pixel verursacht, der "überläuft" und in der gesamten Zeile leckt. Beachten Sie, dass professionelle Videokameras, die CCD-Sensoren verwenden (und Tausende von Dollar kosten), Schaltkreise haben, um dies zu minimieren. Bei Verwendung für Standbilder, dh nicht im Livebild- / Videomodus, arbeiten CCDs in einem anderen Modus, der nicht für vertikale Streifenbildung anfällig ist.

  CMOS-Sensoren weisen überhaupt keine Streifen auf, da jedes Pixel eine eigene Schaltung hat, die von anderen Pixeln isoliert ist.

• Rolltor

  CMOS-Sensoren zeigen einen Rolling-Shutter-Effekt in der Live-Ansicht oder im Videomodus oder immer dann, wenn sie keinen physischen, mechanischen Shutter verwenden. Anstatt den gesamten Rahmen auf einmal zu erfassen, werden Informationen nacheinander aus jeder Reihe des Rahmens gelesen. Die dafür benötigte Zeit variiert zwischen den Kameras, aber 1 / 30s oder 1 / 60s wären typische Zeitspannen für eine vollständige Sensorauslesung (bei voller Auflösung). Dies erzeugt einen Wackeleffekt bei Videoaufnahmen, wenn die Kamera in der Hand gehalten wird, sich viel bewegt oder sogar in Standbildern, wenn der elektronische Verschluss verwendet wird (für einen vollständig geräuschlosen Betrieb).

  CMOS-Sensoren, die speziell für Videoaufnahmen mit hoher Bildrate (z. B. 120 fps oder mehr) entwickelt wurden, weisen einen geringeren Rolling-Shutter-Effekt auf. Wenn Sie einen Sensor mit einer niedrigeren Auflösung als der vollen Auflösung betreiben (z. B. 1080p statt 4K auf einem Sensor aufzeichnen), wird der Sensor möglicherweise schneller ausgelesen und hat daher einen geringeren Rolling-Shutter-Effekt.

  CCD leidet nicht unter dem Rolling-Shutter-Effekt.

• Lärm / Qualität im Allgemeinen

  Früher gab es bei CMOS einen Kompromiss zwischen Qualität, aber dieser ist jetzt vernachlässigbar und hat sich möglicherweise sogar umgekehrt. Sicherlich gibt es für große Sensoren (DX, 4/3, FF) keinen praktischen Unterschied, abgesehen von nur individuellen Unterschieden aufgrund des Aufbaus des Sensors. Die CMOS-Technologie entwickelt sich schnell und die Bildqualität hat sich verbessert, insbesondere bei kleinen Sensoren, wie sie in Smartphones verwendet werden.

  Bei sehr kleinen Sensoren, wie z. B. in Kompaktkameras und Smartphones, hatten CMOS-Sensoren eine geringere Empfindlichkeit, da die Pixel im Verhältnis zur Größe der Schaltkreise auf ihnen so klein waren. Verbesserungen der Herstellungsprozesse und eine neue Technologie namens "Back Side Illumination" (BSI) haben dem jedoch entgegengewirkt.

Professionelle Fotokameras verwenden heutzutage zunehmend CMOS-Sensoren, und die CMOS-Sensoren, die sie enthalten, sind mindestens genauso leistungsfähig wie ihre CCD-Verwandten. Es ist so, dass sich die CMOS-Technologie im Moment schnell entwickelt und viele der besten Sensoren heutzutage CMOS sind. Es gibt keinen Grund, eine Kamera mit einem CCD- oder CMOS-Sensor auszuwählen, es sei denn, Sie nehmen ein Video auf.

Kümmern Sie sich nicht um die Sensortechnologie, es ist wahrscheinlich die am wenigsten wichtige Sache, die Sie bei der Entscheidung für Ihr Ausrüstungsset berücksichtigen müssen. Es wäre, als würde man sich überlegen, ob ein Kodak- oder Fuji-Schwarzweißfilm "am besten" ist, ohne die Kamera zu berücksichtigen, in der Sie ihn verwenden, die Objektive, die Sie verwenden, oder Ihre Fähigkeiten als Fotograf.

Denken Sie an Glas, nicht an Sensor.

CCDs können "elektronische Verschlüsse" haben; Sie können elektronisch "ausgeschaltet" werden, bevor der mechanische Verschluss schließt.

Mit dieser Funktion können Sie höhere Blitzsynchronisationsgeschwindigkeiten erzielen. Zum Beispiel können die Nikon D70s und ihr elektronisch geschlossener CCD mit einer Geschwindigkeit von 1 / 500s synchronisiert werden.

CMOS-Sensoren können dies normalerweise nicht. Daher sind sie darauf beschränkt, wie schnell sich der mechanische Verschluss schließen kann. Die Nikon D90 zum Beispiel hat eine maximale Blitzsynchronisationsgeschwindigkeit von 1 / 250s.

Das Arbeitsprinzip ist in beiden Systemen gleich.

Licht lässt Elektronen in Silizium „wackeln“ und das Silizium wird so geätzt, dass sich diese Elektronen durch das Wackeln in dieselbe Richtung bewegen. Dieser Vorgang ist der gleiche wie bei Solarmodulen.

Wenn das Bild vom Sensor 'gelesen' wird, wird für jedes Pixel die Ladung mit einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) gemessen (dies ist von Fall zu Fall unterschiedlich). Diese Werte repräsentieren die Lichtpegel, aus denen das Bild besteht.

Was CCD und CMOS trennt, ist, dass sich Material und Aufbau unterscheiden. Das wirkt sich unmittelbar auf die Praxis der Fotografie aus. CMOS-Sensoren können in nahezu jeder Chipgießerei gebacken werden, in der CCDs einen maßgeschneiderten VLSI-Prozess erfordern, mit dem nur CCD-Chips hergestellt werden können.

Beide Systeme haben Eigenschaften, die ihnen einen Vorteil auf dem Papier verschaffen. Abgesehen von bestimmten Aufgaben (z. B. Astrofotografie) ist es schwer zu sagen, dass derzeit eine der beiden Aufgaben tatsächlich besser ist als die andere. CMOS-Sensoren sind billiger / einfacher herzustellen, profitieren leichter von anderen Fortschritten bei der Chipherstellung, ermöglichen das parallele Auslesen und verbrauchen weniger Strom. CCD lässt mehr Fläche für die Photosite und bessere Rauschmerkmale verfügbar, muss jedoch zeilenweise lesen, was die Verarbeitung verlangsamt. Derzeit bedeutet der Chip-Fortschritt, dass CMOS heutzutage den Vorsprung in der Fotografie hat und dies vorerst wahrscheinlich sein wird.

Es gibt weitere Unterschiede zwischen CMOS und CCD. CMOS-Sensoren sind viel billiger als CCD-Sensoren.
Es ist viel billiger, CMOS-Sensoren herzustellen, als schwierig, CCD-Sensoren herzustellen.
Der CMOS-Sensor verbraucht weniger Strom als der CCD-Sensor, was sich günstig auf die Lebensdauer der Batterie und auf die Überhitzung auswirkt.
Sie können auch viel mehr Funktionen in einen einzelnen CMOS-Chip integrieren, wodurch die Hersteller die Anzahl der Chips in ihren Kameras reduzieren können. Beispielsweise können Bilderfassung und -verarbeitung in einem Chip integriert werden, wodurch die Kosten gesenkt werden.