Vom CCD zum CMOS-Sensor: Wie Silicium die Fotografie veränderte

13.10.2026

1969 erfanden Willard Boyle und George Smith bei Bell Labs das CCD. Aus dem zunächst als elektronischer Speicher gedachten Halbleiterbauelement wurde der Bildsensor früher Digitalkameras. Erst CMOS-Pixel, neue Fotodioden und gestapelte Chips ermöglichten Milliarden winziger Kameras – und veränderten, wie die Welt fotografiert.

Vom CCD zum CMOS-Sensor: Wie Silicium die Fotografie veränderte

Bild: ChatGPT

Im Dezember 1975 stand in einem Labor von Eastman Kodak eine ungewöhnliche Kamera auf dem Tisch. Ihr Gehäuse war groß, die Elektronik provisorisch verdrahtet und eine gewöhnliche Kompaktkassette diente als Datenspeicher. Als der junge Ingenieur Steven Sasson ein Porträt aufnahm, benötigte die Kamera rund 23 Sekunden, um die Bilddaten auf das Magnetband zu schreiben. Die Aufnahme bestand aus nur 100 mal 100 Bildpunkten – 10.000 Pixeln, also gerade einmal 0,01 Megapixel. Auf einem Fernsehgerät ließ sich das Schwarzweißbild nach der Wiedergabe der gespeicherten Daten betrachten. Für ein Unternehmen, das mit fotografischem Film groß geworden war, wirkte dieses Experiment wie eine technische Kuriosität.

Heute entstehen mit einem Smartphone in Sekundenbruchteilen mehrere Aufnahmen, die anschließend zu einem einzigen Bild mit erstaunlichem Detailumfang und hohem Dynamikumfang verrechnet werden. Möglich wurde dieser Wandel nicht allein durch immer leistungsfähigere Prozessoren. Im Mittelpunkt steht ein Stück Silicium: der Bildsensor. Seine Entwicklung führt von den Bell Laboratories über japanische Elektronikhersteller und die amerikanische Raumfahrtforschung bis zu den hochintegrierten CMOS-Chips moderner Kameras. Die Geschichte zeigt, wie aus einer Methode zur Bewegung elektrischer Ladungen eine Technologie entstand, die Film, Fotolabore und schließlich ganze Formen visueller Kommunikation veränderte.

Vor dem Bildsensor: Fotofilm und elektronische Kameraröhren

Über viele Jahrzehnte beruhte Fotografie auf lichtempfindlichen chemischen Schichten. In einem Film verändern Photonen Silberhalogenidkristalle; erst die chemische Entwicklung macht daraus ein sichtbares, dauerhaftes Bild. Für Einzelaufnahmen war dieses Verfahren hervorragend geeignet. Es erlaubte hohe Auflösung und ausgereifte Farbwiedergabe, erforderte aber Filmmaterial, Entwicklung und oftmals den Umweg über Papierabzüge oder Dias. Eine unmittelbare elektrische Weiterverarbeitung der Aufnahme war nicht vorgesehen.

Für das Fernsehen entstanden dagegen elektronische Aufnahmeröhren. Bei einer Vidicon-Röhre erzeugt Licht eine veränderliche elektrische Eigenschaft in einer empfindlichen Schicht, die mit einem abtastenden Elektronenstrahl ausgelesen wird. Diese Röhren ermöglichten bewegte Bilder, benötigten aber Hochspannung, präzise Elektronenoptik und vergleichsweise viel Platz. Sie waren empfindlich gegenüber mechanischer Belastung und konnten Bildfehler oder Nachleuchten aufweisen.

Mit der Entwicklung der Halbleitertechnik lag eine Alternative nahe: Wenn sich Millionen gleichartiger lichtempfindlicher Elemente auf einer Siliciumoberfläche herstellen ließen, könnte ein Bild ohne bewegten Elektronenstrahl erfasst werden. Einzelne Halbleiter-Fotodioden waren längst bekannt. Die Schwierigkeit bestand darin, ihre winzigen elektrischen Signale in einer geordneten Folge auszulesen, ohne dass Leitungen und Verstärker für jedes einzelne Bildelement die gesamte Fläche belegten.

1969: Eine Erfindung bei Bell Labs, die eigentlich ein Speicher werden sollte

Willard S. Boyle und George E. Smith arbeiteten 1969 bei den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey. Ihre Überlegungen galten ursprünglich einem neuartigen Halbleiterspeicher, der Informationen nicht in einzelnen Transistor-Schaltungen ablegen, sondern als elektrische Ladung durch eine Folge benachbarter Potentialmulden transportieren sollte. Am 8. September 1969 hielten sie die Grundidee des Charge-Coupled Device (CCD), des ladungsgekoppelten Bauelements, in Skizzen fest.

Die Idee nutzte die damals rasch fortschreitende MOS-Technologie. Über einer dünnen Isolatorschicht auf Silicium befinden sich leitfähige Elektroden. Legt man geeignete Spannungen an, verändern sich die elektrischen Potentiale im Halbleiter darunter. Elektronen können sich dort sammeln. Werden die Spannungen der benachbarten Elektroden in einer abgestimmten Reihenfolge verändert, wandert das gespeicherte Ladungspaket von einer Stelle zur nächsten. Das funktioniert ähnlich wie eine Eimerkette – nur dass keine Flüssigkeit, sondern eine genau kontrollierte Menge elektrischer Ladung weitergereicht wird.

Ein solches Bauelement war zunächst als Speicher interessant. Doch es besaß eine Eigenschaft, die für die Bilderfassung noch wichtiger werden sollte: Licht erzeugt im Silicium Elektron-Loch-Paare. Ein Teil der dadurch freigesetzten Elektronen lässt sich in den Potentialmulden sammeln und anschließend geordnet abtransportieren. Somit konnten die einzelnen Stellen eines CCD nicht nur Information speichern, sondern auch die Helligkeit eines Bildes messen. Die ursprüngliche Speicheridee war zum Ausgangspunkt eines elektronischen Bildwandlers geworden.

1970–1973: Aus der Ladungskette wird eine Kamera

Die Erfindung eines Ladungstransportprinzips war noch nicht die Konstruktion einer vollständigen Kamera. Bei Bell Labs entwickelten weitere Wissenschaftler, insbesondere Michael F. Tompsett und die beteiligten Entwicklungsteams, das CCD gezielt zur Bilderfassung weiter. Es entstanden Sensoren mit lichtempfindlichen Flächen, geeigneten Ausleseregistern und Kameraschaltungen, die das elektrische Signal zu einem erkennbaren Bild zusammensetzten. Bell Labs demonstrierte in den frühen 1970er-Jahren erste Halbleiterkameras; bald folgten auch Farbbildversuche.

Die grundsätzliche Arbeitsweise eines CCD-Bildsensors ist bemerkenswert. Während der Belichtungszeit sammeln die einzelnen Pixel Ladung entsprechend der aufgenommenen Lichtmenge. Nach der Belichtung werden diese Ladungspakete mithilfe zeitlich aufeinander abgestimmter Taktsignale durch die Sensorstruktur verschoben. Bei einem Flächensensor gelangen die Ladungen über vertikale Register in ein horizontales Ausleseregister und schließlich zu einem Verstärker am Sensorausgang. Dort wird jedes Ladungspaket in ein Spannungssignal umgewandelt.

Der große Vorteil dieses Verfahrens war, dass nicht jedes Pixel seinen eigenen komplexen Verstärker benötigte. Die lichtempfindlichen Bereiche konnten einen hohen Anteil der Sensorfläche einnehmen, und die Signale wurden über vergleichsweise wenige, gut charakterisierbare Auslesestufen erfasst. Das ermöglichte eine für die damalige Zeit sehr gute Gleichförmigkeit und geringes Bildrauschen. Allerdings mussten die Ladungspakete über viele Übergänge hinweg nahezu verlustfrei transportiert werden. Defekte und Grenzflächenzustände im Silicium konnten Ladung einfangen, das Bild verschmieren oder die Auslesequalität beeinträchtigen.

Der spätere Nobelpreis für Physik von 2009 würdigte Boyle und Smith für die CCD-Erfindung. Die Entwicklung zum tatsächlich verwendbaren Bildsensor war jedoch eine Gemeinschaftsleistung, an der insbesondere Tompsett und zahlreiche weitere Ingenieure großen Anteil hatten. Dieser Unterschied zwischen Grundprinzip und gebrauchsfertigem Produkt zieht sich durch die gesamte Geschichte der Halbleiterindustrie.

1975: Kodaks erste Digitalkamera und der schwierige Blick in die Zukunft

Bei Kodak sollte Steven Sasson untersuchen, was sich mit dem neuartigen CCD-Bauelement von Fairchild Semiconductor anfangen ließ. Der verfügbare Sensor besaß eine Matrix von 100 × 100 Pixeln. Sasson kombinierte ihn mit einem Objektiv, einem Analog-Digital-Wandler, Halbleiterspeichern und einer magnetischen Kassettenaufzeichnung. Die Kamera war damit mehr als eine elektronische Fernsehkamera: Sie wandelte das vom Sensor kommende analoge Signal in digitale Zahlen um und speicherte eine Aufnahme als Daten.

Im Dezember 1975 gelang die erste Aufnahme mit diesem Prototyp. Die Kamera war schwer, lieferte ausschließlich Schwarzweißbilder und brauchte etwa 23 Sekunden zum Speichern eines einzelnen Fotos. Auch die Wiedergabe setzte eine separate Elektronikeinheit voraus. Es handelte sich nicht um ein serienreifes Produkt. Dennoch waren fast alle grundlegenden Schritte der späteren Digitalfotografie vorhanden: Licht fiel auf einen Halbleitersensor, dessen Signale wurden digitalisiert, gespeichert und anschließend elektronisch angezeigt.

Für die damals dominierende Filmindustrie war die Vorstellung schwer einzuordnen. Die Auflösung erschien gegenüber einem fotografischen Negativ lächerlich gering; digitale Speicher waren teuer, Bildschirme grob auflösend und leistungsfähige Computer noch selten. Doch Sassons Kamera zeigte erstmals besonders anschaulich, dass ein Foto nicht zwingend eine chemische Oberfläche benötigte. Es konnte auch eine Datei sein. Was aus heutiger Sicht selbstverständlich wirkt, war 1975 ein radikaler Wechsel des Mediums.

1976: Wie aus Schwarzweißpixeln Farbfotos werden

Ein Silicium-Pixel erkennt von sich aus keine Farbe im fotografischen Sinn. Es misst, vereinfacht gesagt, die Zahl der durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger. Für die Farbfotografie muss deshalb zusätzlich festgelegt werden, welche Bereiche des sichtbaren Spektrums die einzelnen Pixel erreichen. Frühe professionelle Farbkameras verwendeten zum Teil drei Bildsensoren, auf die rotes, grünes und blaues Licht über einen Strahlenteiler getrennt geleitet wurde. Diese Technik war leistungsfähig, aber aufwendig und teuer.

Bei Eastman Kodak entwickelte Bryce Bayer eine andere Lösung: Über dem Sensor befindet sich ein regelmäßiges Mosaik aus roten, grünen und blauen Farbfiltern. Das in einem 1976 erteilten Patent beschriebene Bayer-Muster verwendet typischerweise zwei grüne sowie je einen roten und einen blauen Filter pro Gruppe von vier Pixeln. Der größere Grünanteil trägt der Bedeutung der Helligkeitsinformation für die Wahrnehmung und Bildschärfe Rechnung.

Jedes Pixel misst zunächst nur den durch seinen Farbfilter gelangten Lichtanteil. Damit für jeden Bildpunkt vollständige Rot-, Grün- und Blauwerte entstehen, rekonstruiert ein Bildprozessor die fehlenden Farbanteile aus benachbarten Messungen. Dieser Schritt heißt Demosaicing. Er kann feine Details erhalten, aber auch Fehler wie falsche Farben und Moiré-Muster erzeugen. Schon damals zeigte sich also: Ein digitales Foto ist nicht einfach die direkte Ausgabe des Sensors, sondern das Ergebnis einer Kombination aus Halbleitertechnik, Optik und mathematischer Bildverarbeitung.

1980er-Jahre: CCDs erobern Videokameras und die Forschung

In den 1980er-Jahren nahm die industrielle Entwicklung der CCD-Technik Fahrt auf. Vor allem japanische Elektronikunternehmen wie Sony, NEC und Panasonic investierten in höhere Pixeldichten, zuverlässige Herstellungsverfahren und kleinere Kameras. Elektronische Videokameras ersetzten zunehmend die zuvor üblichen Kameraröhren durch Halbleiter-Bildsensoren. Sony präsentierte 1981 die Mavica als frühes elektronisches Stillbildkamerakonzept; die Bilder wurden in diesem Fall allerdings analog als Videosignale aufgezeichnet. Eine elektronische Kamera war also nicht automatisch eine Digitalkamera.

Die Unterschiede zwischen den CCD-Architekturen waren erheblich. Bei Full-Frame-CCDs dient fast die gesamte Fläche der Belichtung; zum störungsfreien Auslesen wird häufig ein mechanischer Verschluss benötigt. Bei Frame-Transfer-CCDs lässt sich das Bild rasch in einen lichtgeschützten Speicherbereich übertragen. Interline-CCDs ordnen Ausleseregister neben den lichtempfindlichen Bereichen an, wodurch sich bewegte Bilder leichter erfassen lassen. Jede Lösung verlangte einen Kompromiss zwischen lichtempfindlicher Fläche, Geschwindigkeit, Pixelgröße und Fertigungsaufwand.

Jenseits der Fotografie profitierten auch Astronomie und wissenschaftliche Messtechnik. CCDs ermöglichten die präzise Erfassung sehr schwacher Lichtsignale über lange Belichtungszeiten. Kameras für Teleskope, Spektrometer und Mikroskope konnten Licht mit hoher Empfindlichkeit und guter Linearität in elektrische Messwerte verwandeln. Anders als beim Konsumgerät war dort der Preis eines Sensors oft nebensächlich, solange Bildqualität, Stabilität und Messgenauigkeit überzeugten.

1982: Die Pinned Photodiode senkt Rauschen und Bildfehler

Bei lichtempfindlichen Halbleiterflächen entstehen nicht nur durch Photonen Elektronen. Auch thermische Prozesse und Defekte an Grenzflächen erzeugen unerwünschte Signale. Besonders die Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid kann problematisch sein: Elektrische Zustände dort fangen Ladungsträger ein oder tragen zum Dunkelstrom bei. Zudem können nach einer Aufnahme Ladungsreste zurückbleiben und als schwache Geisterbilder sichtbar werden.

Ein entscheidender Fortschritt war die Pinned Photodiode (PPD). Der japanische Ingenieur Nobukazu Teranishi und seine Kollegen bei NEC beschrieben Anfang der 1980er-Jahre, unter anderem 1982, eine Fotodiodenstruktur, deren oberflächennahe Dotierung den lichtempfindlichen Speicherbereich von störenden Grenzflächenzuständen weitgehend abschirmt. Bei geeignetem Aufbau kann die gespeicherte Ladung über ein Transfergate nahezu vollständig zum Ausleseknoten übertragen werden.

Das Ergebnis waren geringerer Dunkelstrom, weniger Bildnachlauf und bessere Bildqualität. Die Technik war nicht nur für CCD-Sensoren bedeutsam. Jahrzehnte später bildete die Pinned Photodiode auch das Herzstück der meisten hochwertigen CMOS-Bildsensoren. Ihre Entwicklung zeigt, dass der spätere Wettbewerb zwischen CCD und CMOS kein vollständiger technischer Neubeginn war: Beide profitierten von denselben Fortschritten in der Silicium-Fotodiode und der Beherrschung der Grenzflächen.

1991: Digitale Spiegelreflexkameras werden zum Werkzeug von Profis

Während CCDs in Videotechnik und Forschung längst etabliert waren, blieb die digitale Fotografie zunächst eine Nische. Sensoren mit genügend Bildpunkten für hochwertige Einzelbilder waren teuer und schwierig herzustellen. Dazu kamen die Kosten für Speicher, Bildprozessoren und elektronische Schnittstellen. Trotzdem entstanden am Ende der 1980er-Jahre erste Spezialkameras, bei denen ein elektronischer Bildsensor fotografischen Film ersetzte.

1991 brachte Kodak mit der DCS 100 eine frühe kommerzielle digitale Spiegelreflexlösung auf den Markt. Sie basierte auf einem modifizierten Nikon-F3-Kameragehäuse und einem CCD-Sensor mit rund 1,3 Megapixeln. Die Bilddaten wurden in einer separaten, großen Speichereinheit verwaltet. Für Pressefotografen und andere professionelle Anwender war die Anschaffung äußerst teuer, doch die direkte elektronische Weitergabe von Bildern versprach einen enormen Vorteil: Aufnahmen mussten nicht mehr entwickelt, eingescannt und anschließend übertragen werden.

Der Wettbewerb verlagerte sich damit allmählich von der Frage, ob ein Bild elektronisch aufgenommen werden kann, zur Frage, welche Qualität und welchen Bedienkomfort eine digitale Kamera erreicht. Höhere Auflösung allein reichte nicht. Die Sensoren mussten bei wenig Licht arbeiten, bei langen Belichtungen wenig rauschen und über viele Jahre zuverlässig gefertigt werden können. Genau hier hatte der CCD zunächst einen Vorsprung – und genau hier begann der Aufstieg seines späteren Konkurrenten.

Warum CCDs nicht automatisch die Sensoren der Zukunft blieben

Ein CCD transportiert die Ladung fast aller Pixel nacheinander über gemeinsame Auslesestrukturen. Das ermöglicht ein einheitliches Signalverhalten, stellt aber hohe Anforderungen an die Taktspannungen und die Übertragungseffizienz. Mit steigender Pixelzahl und höheren Bildraten muss die Elektronik sehr viele Ladungspakete schnell und verlustarm verschieben. Zudem benötigen klassische CCD-Systeme oft zusätzliche Schaltungen für Takterzeugung, Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung.

Die Herstellung solcher Sensoren nutzte spezialisierte Fertigungsprozesse, die für besonders gute Ladungsspeicherung und -übertragung optimiert waren. Hingegen entwickelte die Halbleiterindustrie parallel die CMOS-Technik für Mikroprozessoren, Speicher und andere integrierte Schaltkreise. CMOS, kurz für Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, ermöglicht komplexe Logikschaltungen mit niedriger statischer Leistungsaufnahme und einem hohen Integrationsgrad.

Die naheliegende Idee, aus CMOS-Schaltungen einen Bildsensor aufzubauen, war keineswegs neu. Frühere aktive und passive Pixelschaltungen waren schon Jahrzehnte zuvor vorgeschlagen worden. Doch bei den frühen CMOS-Sensoren waren die Signale oft stärker verrauscht, und kleine Unterschiede zwischen den Verstärkern verschiedener Pixel führten zu sichtbaren Mustern. CCDs blieben deshalb lange die bevorzugte Wahl für anspruchsvolle Bildqualität. Der entscheidende Durchbruch musste die Vorteile der integrierten CMOS-Elektronik mit einer wirklich guten Fotodiode verbinden.

1992–1995: Das NASA-JPL macht den CMOS-Pixel konkurrenzfähig

Im Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA suchte Eric Fossum Anfang der 1990er-Jahre nach kleineren, leichteren und energiesparenderen Kameras für Raumsonden. CCDs boten zwar hervorragende Bilder, benötigten aber relativ aufwendige Ansteuer- und Ausleseschaltungen. Fossum und sein Team entwickelten den CMOS Active-Pixel Sensor (APS) weiter, bei dem die elektrische Ladung nicht wie beim CCD über die gesamte Bildfläche zu einem zentralen Verstärker wandern muss.

Bei einem aktiven CMOS-Pixel wird die im lichtempfindlichen Bereich gesammelte Ladung in der Nähe des Pixels in ein Spannungssignal umgesetzt. Zeilen- und Spaltenleitungen wählen die auszulesenden Pixel aus; zusätzliche Schaltungen auf demselben Chip verarbeiten die Signale. Dadurch lassen sich Ausleseverstärker, Timing, Bildausschnittsteuerung und später auch Analog-Digital-Wandler deutlich stärker in den Sensor integrieren. Die Anordnung ähnelt mehr einer elektronisch adressierbaren Matrix als einer seriellen Eimerkette.

Ein wichtiger Schlüssel war die Kombination von pixelnaher Verstärkung mit rauscharmen Ausleseverfahren. Das Correlated Double Sampling (CDS) erfasst geeignete Referenz- und Signalwerte und kann dadurch einen Teil der unerwünschten Offset- und Rücksetzsignale unterdrücken. Zusammen mit verbesserten Fotodioden und Fertigungsprozessen näherte sich die Bildqualität moderner CMOS-Sensoren der CCD-Technik an, während Stromverbrauch, Baugröße und Integration überzeugende Vorteile boten.

1995 gründeten Fossum, Sabrina Kemeny und weitere Beteiligte das Unternehmen Photobit, um die Technologie industriell zu vermarkten. Die Entwicklung war ein Beispiel für einen zunächst ungewöhnlichen Technologietransfer: Forschungsarbeiten für kleine Raumfahrtkameras schufen die Grundlage für Sensoren, die bald in Webcams, Industrieanlagen und schließlich Mobiltelefonen eingesetzt wurden.

Der Vier-Transistor-Pixel: Kleine Schaltungen, große Wirkung

Der hochwertige CMOS-Bildsensor verwendet heute häufig eine Pixelarchitektur aus einer Pinned Photodiode, einem Transfergate und mehreren Transistoren zur Rücksetzung, Verstärkung und Auswahl. In einer typischen 4T-Pixelstruktur speichert die Fotodiode während der Belichtung Elektronen. Über das Transfergate werden diese zum sogenannten Floating Diffusion-Knoten übertragen, dessen Spannung sich mit der Ladungsmenge ändert. Ein Source-Follower-Transistor puffert das Signal; Auswahl- und Rücksetztransistoren vervollständigen die Ausleseschaltung.

Entscheidend ist der nahezu vollständige Ladungstransfer aus der Pinned Photodiode. So lässt sich der Ausleseknoten zunächst rücksetzen und ein Referenzwert erfassen, bevor die Ladung übertragen und das eigentliche Pixelsignal gemessen wird. Das verbessert die Unterdrückung von Rücksetzrauschen gegenüber einfacheren Schaltungen. Die Technik vereinigt damit eine Erkenntnis der CCD-Ära – die besondere Fotodiodenstruktur – mit dem Vorteil der adressierbaren CMOS-Elektronik.

Allerdings ist auch dieses Pixel kein perfekter Lichtzähler. Bei schwacher Beleuchtung begrenzt das Ausleserauschen die Erkennbarkeit kleinster Signale; bei großen Lichtmengen füllt sich die Ladungsspeicherkapazität und das Pixel sättigt. Das Photonen-Schrotrauschen entsteht aus der statistischen Verteilung der ankommenden Photonen und lässt sich durch Elektronik nicht einfach wegfiltern. Moderne Sensoren verbessern daher nicht nur die Transistoren, sondern optimieren gezielt den Lichtfang, die Ladungskapazität, die Verstärkung und die Auslesegeschwindigkeit.

2000: CMOS erreicht die Spiegelreflexkamera und das Mobiltelefon

Um die Jahrtausendwende wurde sichtbar, dass CMOS nicht auf einfache Webcams beschränkt bleiben würde. Canon führte 2000 die EOS D30 mit einem selbst entwickelten großflächigen CMOS-Sensor ein. Die Kamera lieferte rund 3,25 Megapixel und zeigte, dass sich diese Technologie auch für anspruchsvolle Fotografie einsetzen ließ. Der Schritt war wichtig, weil CMOS zuvor häufig als günstiger, aber qualitativ unterlegener Ersatz für CCD galt.

Im selben Jahr stellte Sharp in Japan das Mobiltelefon J-SH04 mit einer integrierten CMOS-Kamera vor. Ihr Sensor besaß nur etwa 110.000 Bildpunkte, doch die Kamera war klein, energiesparend und dauerhaft im Telefon verfügbar. Vor allem konnten Bilder unmittelbar über das Mobilfunknetz verschickt werden. Damit veränderte sich die Rolle der Fotografie: Die Kamera war nicht länger ein Gerät, das man für besondere Anlässe mitnahm, sondern wurde zunehmend zum alltäglichen Kommunikationswerkzeug.

Während Digitalkameras an Auflösung, Autofokus und Objektivqualität gewannen, stellten Mobiltelefone völlig andere Anforderungen. Der Sensor sollte hinter eine winzige Linse passen, wenig Wärme erzeugen, sparsam mit dem Akku umgehen und möglichst viele Funktionen selbst übernehmen. Diese Vorgaben passten hervorragend zu CMOS. Hersteller wie Sony, Samsung, Canon, OmniVision und andere investierten deshalb in immer dichtere Pixelstrukturen und leistungsfähigere Ausleseschaltungen.

2008–2009: Rückseitenbelichtung nutzt jeden Lichtstrahl besser

Mit schrumpfenden Pixeln wurde ein Problem immer drängender: Auf einem konventionellen CMOS-Sensor trifft das Licht zunächst auf die Vorderseite des Chips, auf der auch Metallleitungen und Teile der Transistorstruktur liegen. Diese Bauteile können Licht abschatten oder den nutzbaren optischen Weg einschränken. Mikrolinsen über den Pixeln lenken die Strahlen zwar gezielt zur Fotodiode, doch bei sehr kleinen Pixelabständen stößt diese Optimierung an Grenzen.

Die rückseitige Belichtung, englisch Back-Side Illumination (BSI), kehrt den Lichteintritt um. Der Wafer wird von der Rückseite stark gedünnt und so verarbeitet, dass das Licht durch die nun freiliegende Rückseite in den aktiven Siliciumbereich gelangt. Die Metallleitungen befinden sich aus Sicht der einfallenden Strahlen hinter der Fotodiode. Dadurch lässt sich insbesondere bei kleinen Pixeln mehr Licht wirksam nutzen.

Die Idee war in spezialisierten wissenschaftlichen Sensoren schon zuvor bekannt. Für die Massenfertigung winziger CMOS-Pixel erforderte sie jedoch präzise Waferdünnung, eine wirksame Passivierung der Rückseite und eine mechanisch stabile Verbindung zu einem Träger. Sony kündigte 2008 einen entsprechenden CMOS-Sensor an und brachte 2009 Produkte mit Exmor R-Technologie auf den Markt. Damit wurde eine ursprünglich aufwendige Halbleiterarchitektur zu einem der wichtigsten Schritte für lichtempfindliche Kompakt- und Smartphonekameras.

2012: Der gestapelte Bildsensor wird zum mehrteiligen Chip

Die nächste Herausforderung bestand darin, Millionen lichtempfindlicher Pixel und immer umfangreichere Verarbeitungselektronik auf derselben Chipfläche unterzubringen. Für die Pixel sind eine hohe Quantenausbeute und geringe Defektdichte wichtig; für die digitale Logik dagegen schnelle Transistoren und dichte Verdrahtung. Beide Bereiche auf einem einzigen Wafer optimal herzustellen, verlangt zahlreiche Kompromisse.

Eine Lösung ist die gestapelte Sensorarchitektur. Hier liegt der lichtempfindliche Chip über einem zweiten Chip, der Auslese- und Signalverarbeitungsschaltungen enthält. Beide werden mittels Wafer- oder Chip-Bonding elektrisch verbunden. Sony stellte 2012 mit Exmor RS einen kommerziell angebotenen gestapelten CMOS-Bildsensor für Mobilgeräte vor. Dadurch konnten Pixel und Logik stärker unabhängig voneinander entwickelt werden, ohne dass das Kameramodul größer werden musste.

Spätere Generationen verwendeten immer feinere Verbindungen zwischen den Chiplagen und zusätzliche schnelle Speicherstrukturen. Dies erlaubte höhere Auslesegeschwindigkeiten, größere Datenmengen und neue Funktionen direkt im Sensor. Für die Halbleiterfertigung war der Bildsensor damit auch ein Beispiel dafür, wie sich funktionale Spezialisierung und dreidimensionale Integration ergänzen: Nicht jede Schaltung muss auf derselben Ebene entstehen, damit sie am Ende wie ein einziges Bauelement funktioniert.

Vom RAW-Signal zum fertigen Foto: Die zweite Revolution

Mit dem Siegeszug des Smartphones änderte sich nicht nur die Sensortechnik, sondern auch die Bedeutung des fotografischen Bildes. Ein Sensor liefert zunächst Messwerte für die einzelnen Pixel – das sogenannte RAW-Signal. Farbfilter und Demosaicing machen daraus ein Farbbild. Hinzu kommen die Korrektur störender Pixel, Weißabgleich, Rauschunterdrückung, Schärfung, Objektivkorrekturen und die Umsetzung in einen darstellbaren Helligkeitsbereich. Der Bildprozessor ist damit ein unverzichtbarer Teil der Kamera.

Weil moderne CMOS-Sensoren sehr schnell ausgelesen werden können, entstehen in kurzer Folge mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten oder Verstärkungen. Die Kamera fügt sie zu einem Bild mit größerem Dynamikumfang zusammen. In dunklen Bereichen werden Bildinformationen aus mehreren Messungen kombiniert, während helle Bildteile vor dem Ausbrennen geschützt werden. Die sogenannte computergestützte Fotografie kann auf diese Weise Grenzen kleiner Optiken teilweise kompensieren.

Allerdings lässt sich fehlendes Licht nicht beliebig durch Algorithmen ersetzen. Eine kleinere Fotodiode sammelt bei gleichen Bedingungen im Allgemeinen weniger Photonen, und die statistischen Schwankungen dieser Photonenzahl begrenzen die erreichbare Bildqualität. Sensorgröße, Pixelgröße, Objektiv, Belichtungszeit und Signalverarbeitung bleiben miteinander verknüpft. Die Fortschritte der Software beruhen daher auch auf physikalischen Verbesserungen der Halbleiterhardware: weniger Ausleserauschen, höhere Quantenausbeute, schnellere Datenwege und genauere Bildwandlung.

Rolling Shutter und Global Shutter: Die Zeit wird Teil des Pixels

Viele CMOS-Bildsensoren lesen ihre Bildzeilen nacheinander aus. Dadurch beginnt oder endet die Aufnahme verschiedener Zeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Bei schnell bewegten Motiven oder Kameraschwenks können senkrechte Linien schräg erscheinen, Propeller verbogen werden oder Blitzlicht nur einen Teil des Bildes erfassen. Dieses Verhalten heißt Rolling Shutter. Es ist eine Folge der zeitlich versetzten Bildaufnahme beziehungsweise Auslese und kein Fehler der Optik.

Beim Global Shutter erhalten dagegen alle Pixel denselben definierten Aufnahmezeitraum. Dafür müssen die Ladungen oder die entsprechenden Signale gleichzeitig erfasst und lokal zwischengespeichert oder schnell in einen geeigneten Speicher übertragen werden. Zusätzliche Strukturen benötigen jedoch Platz und können Rauschen, Füllfaktor oder Fertigungsaufwand beeinflussen. Insbesondere in Industrieanwendungen, bei Messkameras und in der Robotik ist ein Global Shutter schon seit Langem wichtig.

2023 stellte Sony mit der Alpha 9 III eine spiegellose Vollformatkamera mit gestapeltem Global-Shutter-CMOS-Sensor vor, die 2024 auf den Markt kam. Der Schritt zeigte, dass eine Technik, die zuvor vor allem in kleineren Spezial- und Industriesensoren eingesetzt wurde, auch auf große fotografische Sensorflächen übertragen werden konnte. Die Kombination aus schnellen Speicherstrukturen und moderner Halbleiterfertigung eröffnete damit neue Möglichkeiten für Sport-, Presse- und Hochgeschwindigkeitsfotografie.

Heute und morgen: Kameras, die mehr als Farbe erfassen

Moderne Bildsensoren werden nicht mehr ausschließlich für klassische Fotografien gebaut. In Fahrzeugen überwachen CMOS-Kameras die Umgebung, in der Industrie prüfen sie Bauteile auf Defekte, in der Medizin ermöglichen sie miniaturisierte Endoskope und in der Forschung erfassen sie Licht, das mit älteren Verfahren kaum nachweisbar war. Manche Sensoren sind auf extreme Geschwindigkeit optimiert, andere auf geringen Energieverbrauch, sehr hohen Dynamikumfang oder die Zählung einzelner Photonen.

Zu den neueren Ansätzen gehören SPAD-Sensoren (Single-Photon Avalanche Diodes). Sie registrieren einzelne Photonenereignisse mithilfe einer lawinenartigen Ladungsverstärkung und eignen sich beispielsweise für präzise Laufzeitmessungen und spezielle wissenschaftliche Kameras. Andere Entwicklungen verbinden Bildaufnahme, Tiefenmessung und lokale Signalverarbeitung. Gleichzeitig werden Chipstapel immer komplexer: Der lichtempfindliche Bereich, schnelle Zwischenspeicher und Rechenschaltungen können auf getrennten Ebenen liegen und eng miteinander verbunden werden.

Trotz aller Fortschritte hat die CCD-Technik nicht einfach aufgehört zu existieren. In ausgewählten wissenschaftlichen Messsystemen werden CCDs weiterhin eingesetzt, weil ihre Eigenschaften für bestimmte Aufgaben besonders günstig sein können. Die meisten Kameras des Alltags verwenden heute jedoch CMOS-Sensoren. Ihr Erfolg beruht nicht allein auf einer höheren Bildqualität, sondern auf einer ungewöhnlich günstigen Kombination aus Bildqualität, Geschwindigkeit, Integrationsfähigkeit und Stromverbrauch.

Der Weg von Bell Labs bis zur Smartphonekamera zeigt schließlich, wie grundlegend Silicium die Fotografie verändert hat. Im Film entstand das Bild durch eine chemische Reaktion; beim CCD wurde es erstmals auf praktikable Weise als geordnete elektrische Ladung gespeichert und ausgelesen. CMOS machte daraus eine winzige, preiswert massenproduzierte und direkt mit digitaler Elektronik verbundene Bildmaschine. Die vielleicht größte Veränderung betrifft aber nicht den Sensor selbst: Fotografieren wurde von einem bewusst geplanten Vorgang zu einer allgegenwärtigen Form des Erinnerns, Messens und Kommunizierens.