CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ist die dominierende Bildsensortechnologie in modernen Kameras: Jeder Pixel trägt einen eigenen Verstärker, was hohe Bildrate, geringen Stromverbrauch und kostengünstige Integration von Autofokus und Bildstabilisator direkt auf dem Chip ermöglicht. Seit den 2000er-Jahren hat CMOS den CCD-Sensor in nahezu allen Kamerakategorien abgelöst.
| Vollständig | Complementary Metal-Oxide-Semiconductor |
|---|---|
| Funktion | Photodioden wandeln Photonen in elektrische Ladung um; On-Chip-Verstärker lesen pixelweise aus |
| Vorteil vs. CCD | geringer Stromverbrauch, hohe Bildrate, On-Chip-ADC und AF möglich |
| Nachteil | früher mehr Rauschen; heute durch BSI- und Stacked-CMOS praktisch überwunden |
| Typische Varianten | Standard-CMOS, BSI (Back-Side Illuminated), Stacked CMOS |
| Rolling Shutter | zeilenweises Auslesen kann bei schneller Bewegung zu Verformungen führen |
| Sensorgrössenrange | von 1/4″ (Smartphone) bis Grossformat (54 × 40 mm) |
In einem CMOS-Sensor ist jeder Pixel mit einer Photodiode und einem Transistorverstärker ausgestattet. Das Licht erzeugt in der Photodiode eine elektrische Ladung proportional zur Intensität. Der Transistor liest diese Ladung direkt am Pixel aus – ohne sie erst über eine Schieberegisterkette zu transportieren, wie es beim CCD-Sensor nötig war. Das ermöglicht schnelleres Auslesen, geringeren Energieverbrauch und die Integration von Zusatzfunktionen auf demselben Chip.
CMOS-Varianten und ihr Einfluss auf die Bildqualität
Standard-CMOS (FSI)
Beim klassischen Front-Side Illuminated CMOS sitzt die Schaltung auf der Vorderseite des Wafers, also auf derselben Seite wie das Licht. Leiterbahnen blockieren dabei einen Teil der Photodiodenfläche (Fill Factor). Mikrolinsenarrays über den Pixeln helfen, das Licht trotzdem optimal auf die Photodiode zu lenken.
BSI-CMOS (Back-Side Illuminated)
Beim BSI-Sensor sitzt die Schaltung auf der Rückseite, das Licht trifft direkt auf die Photodiode. Das erhöht den Fill Factor dramatisch und verbessert die Lichtausbeute – besonders sichtbar bei kleinen Pixeln in Smartphones und kompakten Kameras. Die meisten modernen Vollformatkameras und Smartphones nutzen BSI.
Stacked CMOS
Beim gestapelten CMOS-Sensor liegen Bildsensorschicht und Signalprozessor-Schicht übereinander. Das ermöglicht extrem schnelles Auslesen (z. B. 120 Bilder/Sekunde), minimalen Rolling-Shutter-Effekt und leistungsstarke On-Chip-Verarbeitung für KI-basierte Autofokus-Algorithmen.
Rolling Shutter: das Bewegungsartefakt
CMOS-Sensoren lesen die Zeilen sequenziell aus – nicht alle Pixel gleichzeitig wie beim globalen Verschluss (Global Shutter). Bei sehr schnellen Kameraschwenks oder bei sich schnell bewegenden Objekten entsteht dadurch der «Jello-Effekt» oder Schräg-Verzerrung. Neuere Stacked-CMOS-Sensoren lesen so schnell aus (unter 1/300 s), dass der Effekt in der Praxis kaum noch sichtbar ist.
CMOS-Sensorgrössen im Vergleich
| Format | Typische Grösse | Anwendung |
|---|---|---|
| 1/4 Zoll | 3,2 × 2,4 mm | Smartphones |
| 1 Zoll | 13,2 × 8,8 mm | Kompaktkameras, Drones |
| APS-C | 23,5 × 15,6 mm | Einsteiger/Halbprofi DSLR/DSLM |
| Vollformat (KB) | 36 × 24 mm | Profi-DSLR/DSLM |
| Mittelformat | 53,7 × 40 mm | Werbefotografie, Sinar X |
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen CMOS und CCD?
CCD liest Ladungen über ein Schieberegister seriell aus; CMOS hat pro Pixel einen eigenen Verstärker. CMOS ist schneller, stromsparender und günstiger zu fertigen. CCD hatte früher Vorteile bei Rauschen und Gleichmässigkeit – moderne BSI-CMOS-Sensoren übertreffen CCDs heute in fast allen Kategorien.
Was bedeutet BSI beim Sensor?
Back-Side Illuminated: Die Photodiode liegt oben, Leiterbahnen und Verstärker darunter. Mehr Licht trifft auf die aktive Fläche, was die Lichtempfindlichkeit und das Rauschverhalten verbessert.
Was ist der Rolling-Shutter-Effekt?
Da CMOS-Sensoren zeilenweise auslesen, erscheinen bei schneller Bewegung schiefe Linien oder «Wackeln». Stacked-CMOS-Sensoren mit sehr hoher Auslesegeschwindigkeit reduzieren diesen Effekt auf ein Minimum.
Hat die Pixelgrösse Einfluss auf die Qualität?
Fazit
CMOS ist die Grundtechnologie moderner Fotografie. BSI- und Stacked-CMOS-Sensoren haben die letzten Nachteile gegenüber CCD überwunden und ermöglichen heute rauscharme Bilder bei hohem ISO, rasante Bildserien und schnelle Videoaufnahmen. Wer die Sensortechnologie seiner Kamera versteht, nutzt sie bewusster.
Quellen
- Eric R. Fossum: «CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip», IEEE Transactions on Electron Devices (1997) – Grundlagenarbeit zur CMOS-Bildgebung.
- Sony Semiconductor: Technical Paper on BSI CMOS (2023) – BSI-Architektur und Stacked-Design.
- ISO 12232 – Photographische Systeme: Bestimmung der ISO-Empfindlichkeit bei digitalen Fotokameras.
Redaktioneller Glossar-Beitrag von sinar.ch · zuletzt geprüft 2026.