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2025-12-24T07:54:50Z

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Ein {{lang|en|'''Active Pixel Sensor'''}} ('''APS'''; deutsch ''aktiver Pixelsensor'') ist ein [[Halbleiterdetektor]] zur Lichtmessung, der in [[CMOS]]-Technik gefertigt ist und deshalb oft als '''CMOS-Sensor''' bezeichnet wird. Im Gegensatz zum ebenfalls in CMOS-Technik hergestellten [[Passive Pixel Sensor]] enthält jedes Bildelement eine Verstärkerschaltung zum Auslesen von [[Signal]]en.

Durch die Verwendung der CMOS-Technik wird es möglich, weitere Funktionen in den Sensorchip zu integrieren, wie beispielsweise die Belichtungskontrolle, die Kontrastkorrektur oder die [[Analog-Digital-Umsetzer]].

CMOS-Sensoren findet man in [[Smartphone]]s und einigen [[Digitalkamera]]s, während die Konkurrenztechnologie, [[CCD-Sensor]]en, in [[Videokamera]]s und anderen Digitalkameras verbaut wird.
[[Datei:Active pixel sensor prototype.jpg|mini|Einer der ersten CMOS-APS, eine Entwicklung der [[NASA]]]]

== Funktionsprinzip ==
[[Datei:APS-Principle.svg|mini|Prinzipbild eines einzelnen Pixels in einem AP-Sensor]]
Die einfachste Realisierung eines integrierenden APS-Bildelementes besteht aus einer [[Photodiode]], die in Sperrrichtung betrieben wird, als [[Photosensitivität|photosensitives]] Element und drei n-Kanal-[[MOSFET]]s ([[Feldeffekttransistor]]en). Zu Beginn der Belichtungsmessung wird die [[Elektrische Spannung|Spannung]] über der Photodiode mittels des Rücksetz-Transistors auf einen definierten Anfangswert gesetzt, hier <math>\text{VDD}-U_\text{th}</math>, wobei <math>U_\mathrm{th}</math> die ''[[Schwellenspannung]]'' des [[Transistor]]s ist. Während der nachfolgenden Helligkeitsmessung wird die [[Sperrschichtkapazität]] der Photodiode durch den [[Photostrom]] entladen. Die Spannung über der Photodiode sinkt dabei [[Proportionalität|proportional]] zur [[Bestrahlungsstärke]] und zur [[Belichtungszeit]]. Nach Ablauf der Belichtungszeit wird dieser Spannungswert ausgelesen und einer analogen Nachverarbeitung oder sofort einem [[Analog-Digital-Wandler]] zugeführt. Dafür besitzt jedes Bildelement einen Verstärker-Transistor, der mittels des Auswahl-Transistors zumeist spaltenweise auf eine für alle Bildelemente einer Zeile gemeinsame Ausleseleitung geschaltet wird.

Gegenüber [[CCD-Sensor]]en besteht dabei der Vorteil, dass die [[Elektronik]] direkt das Spannungssignal jedes einzelnen [[Pixel]]s auslesen kann, ohne die [[Ladung (Physik)|Ladungen]] verschieben zu müssen, was eine deutlich geringere Neigung zum [[Blooming]] zur Folge hat. Der Nachteil ist, dass sich zwischen den lichtempfindlichen [[Photodiode]]n viel Elektronik befindet, die selbst nicht lichtempfindlich ist, was bei gleicher Chipfläche ursprünglich zu einer im Verhältnis zur CCD-Technik kleineren Lichtempfindlichkeit führte. Da die notwendige [[Integrationsdichte]], um mit CCD konkurrenzfähig zu sein, noch nicht erreicht war, war diese Technik in den 1970er und 1980er Jahren noch bedeutungslos.

CMOS-Sensoren können kompakter und preiswerter produziert werden. Da jeder [[Pixel]] direkt [[Adressierung (Rechnerarchitektur)|adressierbar]] ist, ist das Pixel-[[Binning]] einfacher und das Auslesen wesentlich flexibler und schneller. Es können sogar Teilbilder partiell ausgelesen werden. Außerdem ist die [[Leistungsaufnahme]] wesentlich geringer und das [[Blooming]] begrenzt. In die in CMOS-Technologie gefertigten [[Bildsensor]]en können zudem weitere Funktionseinheiten wie Belichtungskontrolle und [[Analog-Digital-Umsetzer]] integriert werden. Vom Aufbau her besteht eine aktive CMOS-Zelle aus einer [[Photodiode]], einem kleinen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]] für die Ladungsaufnahme, einem Verstärkerelement und den Datenleitungen für das Auslesen und Rückstellen.

Eine solche aktive Zelle wird als Active Pixel Sensor (APS) bezeichnet. Die Fotozelle erzeugt mittels [[Photoeffekt]] eine [[Elektrische Spannung|Spannung]], die proportional zur [[Lichtmenge]] ist, also der [[Lichtintensität]] und der [[Belichtungszeit]]. Die Ladespannung wird im [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]] gespeichert und von dem nachgeschalteten [[MOSFET]] verstärkt. Ausgelesen wird die verstärkte Ladespannung durch einen Auslesepuls. Sie gelangt von dort als Analogspannung an den verarbeitenden [[Digitaler Signalprozessor|Signalprozessor]].

Wie andere [[Bildsensor]]en auch, kann der CMOS-Sensor nur hell und dunkel unterscheiden, nicht aber die Farben. Die Farberkennung kann nur über vorgeschaltete Farbfilter erfolgen, die das Licht in seine Primärfarben Rot, Grün und Blau aufteilen. Über einen solchen vorgeschaltetes [[Farbfilter]] wird jedem Pixel eines CMOS-Sensors nur [[Licht]] einer [[Grundfarbe]] zugeführt. Die dafür benutzten Farbfilter, die aus regelmäßig angeordneten roten, grünen und blauen Farbfiltern bestehen, können [[Bayer-Filter]] oder [[Interferenzfilter]] sein.<ref>Viktor Kuryan: [https://www.media-schmid.de/downloads/bildsensoren.pdf Bildsensoren]</ref>

== Geschichte ==
Active Pixel Sensors wurden in den 1990er Jahren von [[Eric Fossum]] am [[Jet Propulsion Laboratory]] erfunden. Er erhielt dafür 2017 den [[Queen Elizabeth Prize for Engineering]].

Mit Beginn der 2000er Jahre wurden CMOS-Sensoren immer günstiger und konnten den Nachteil gegenüber CCD-Sensoren immer besser ausgleichen oder sogar überbieten<ref>{{Internetquelle |autor=MPB |url=https://www.mpb.com/de-de/inhalt/ausrustungs-guide/unterschiede-zwischen-ccd-und-cmos-sensoren? |titel=Wissen: 5 Unterschiede zwischen CCD- und CMOS-Sensoren |werk=MPB.com |hrsg=MPB GmbH |datum=2024-11-27 |sprache=de |abruf=2025-02-06}}</ref>. [[Canon]] stellte im Jahr 2000 die [[Canon EOS D30|EOS D30]] vor, welche mit einem 3,25 Megapixel [[APS-C]] CMOS-Sensor ausgestattet war. Sie war neben der [[Canon EOS-1Ds|EOS 1Ds]] aus 2002, welche einen größeren [[Vollformatsensor]] verbaut hat, eine der ersten CMOS-Sensor Spiegelreflexkameras<ref>{{Internetquelle |url=https://global.canon/en/c-museum/product/dslr782.html |titel=EOS-1Ds - Canon Camera Museum |abruf=2025-02-06}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://global.canon/en/c-museum/product/dslr779.html |titel=EOS D30 - Canon Camera Museum |abruf=2025-02-06}}</ref>. Mit Ausnahme der EOS 1D-Serie hat jede Systemkamera von Canon seit dem Jahr 2000 einen CMOS-Sensor. Nikon verbaute in die [[Nikon D2X|D2X]] erstmals 2004 einen CMOS-Sensor in eine digitale Spiegelreflexkamera. Auch bei Nikon setzten alle folgenden Kameras auf die moderne CMOS Technologie.

2005 veröffentlichte [[Sony]] den [[HDR-HC1 E|HDR-HC1]] Camcorder, einen [[High Definition Video|High-Definition-Video]]-Camcorder, der einen AP-Sensor verwendet. AP-Sensoren finden auch in vielen Industriekameras Verwendung. Die Münchener Firma [[Arnold & Richter Cine Technik|ARRI]] brachte 2004 mit der D-20 eine Videokamera heraus, die einen AP-Sensor mit einer [[Bildauflösung]] von {{*|2880|1620}} Pixel verwendet. Seine Größe entspricht der aktiven Bildfläche eines [[35-mm-Film]]s, was den Einsatz von generischen Filmkameraobjektiven erlauben und die [[Schärfentiefe]] der Bilder an die des Filmes angleichen soll.

Wegen der anfänglich nur schlecht verkleinerbaren Ausleseelektronik lag der Füllfaktor, also der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche eines Pixels, bei nur 30 Prozent, das heißt, die Ladungsausbeute war gering (somit auch die erzielbare Signalstärke), was zu einem schlechten [[Signal-Rausch-Verhältnis]] führte und sich in starkem [[Bildrauschen]] bei schlechter [[Filmempfindlichkeit|Lichtempfindlichkeit]] äußerte. Diese Nachteile wurden erst später durch intensive Weiterentwicklung in der Miniaturisierung der CMOS-Technik und durch den Einsatz von [[Mikrolinse (Optik)|Mikrolinsen]] über jedem Bildelement, die das gesamte einfallende Licht auf den lichtempfindlichen Teil lenken, reduziert.<ref>Bruce G. Batchelor: ''Cameras''. In ''Machine Vision Handbook'', [[Springer Science+Business Media|Springer]]-Verlag 2012, ISBN 978-1-84996-168-4, S. 383</ref>

== Anwendungsgebiete ==
AP-Sensoren werden als [[Bildsensor]]en in [[Digitalkamera|digitalen Fotoapparaten]] und [[Videokamera]]s eingesetzt. Sie kommen heute in nahezu allen [[Spiegelreflexkamera#Digitale Spiegelreflexkameras|digitalen Spiegelreflexkameras]] und [[Spiegellose Systemkameras|spiegellosen Kameras]] zum Einsatz. In [[Mobiltelefon|Smartphones]] kommen praktisch ausschließlich solche Sensoren zum Einsatz. CCD-Sensoren findet man nur mehr in sehr speziellen Kameras, zum Beispiel für Astrofotografie oder wissenschaftliche Beobachtungen.

Mitunter wird für jede Grundfarbe ein eigener CMOS-Sensor verbaut (sog. 3MOS-Sensor), sodass auch bei geringerer Helligkeit eine größere Farbsättigung erreicht wird.

Eine Spezialform der CMOS-Bildsensoren stellen die [[Photo Diode Array|Photodioden-Arrays]] dar, die quasi ein n×1-CMOS-Bildsensor sind. Sie werden in der Regel nur in [[eingebettetes System|Embedded]]-Anwendungen, das heißt, Anwendungen, bei denen das Bild nicht von Menschen betrachtet oder ausgewertet wird, verwendet. Beispiele dafür sind [[Barcodelesegerät]]e und Winkelsensoren.

== Farbbildsensoren ==
Zur Aufnahme eines Farbbildes sind zumindest drei Wellenlängenbereiche des Lichtes separat aufzuzeichnen, üblicherweise den Grundfarben Rot, Grün und Blau zugeordnet. Dies geschieht bei Verwendung eines Sensors häufig durch ein den Pixeln überlagertes Farbfiltermosaik, wie dem [[Bayer-Sensor|Bayer-Muster]] (engl. ''Bayer Pattern''). Im Gegensatz zu CCD-Sensoren kann man bei CMOS-Sensoren diese Farbtrennung auch in demselben Pixel durchführen, indem drei Photodioden übereinander gestapelt werden, die aufgrund unterschiedlicher Eindringtiefe der verschiedenen Lichtwellenlängen von unterschiedlichen Farben erreicht werden. Kommerziell werden derartige Sensoren von der [[Sigma (Unternehmen)|Firma Sigma]] unter der Bezeichnung [[Foveon X3]] in [[Digitalkamera]]s eingesetzt. Eine alternative Bauform mit der Bezeichnung ''Transverse Field Detector'' wird erforscht.<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=BjAEHL1X1L8 YouTube: ''Transverse Field Detector'']</ref><ref>Eric R Fossum: [https://image-sensors-world.blogspot.de/2012/02/tunable-spectral-response-pixel.html?showComment=1329680846160#c6385804112458714658 ''Comment on Transverse Field Detector'']</ref>

== Unterschiede zu CCD-Sensoren ==

Anfangs erhoffte man sich eine günstige Produktion bei einem größeren Produktionsvolumen, unter der Annahme, dass die Sensoren ohne Umrüstung auf den für hohe Stückzahlen ausgelegten Fertigungsstraßen gefertigt werden könnten und so einen geringeren Fertigungsaufwand pro Chip verursachen würden. Dies hat sich nicht bestätigt (Stand 2001).<ref name=Litwiller>Dave Litwiller: ''{{Webarchiv|url=http://www.dalsa.com/public/corp/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf |wayback=20110408194525 |text=CCD vs. CMOS: Facts and Fiction}} (PDF; 395 kB).'' In: ''Photonics Spectra.'' Nr. 1, 2001, S. 154–158.</ref> Jedoch können und werden in Chips mit Active-Pixel-Sensoren häufig Teile der Peripherieschaltung, wie [[Analog-Digital-Wandler]], [[Oszillator|Takterzeugung]], zeitliche [[Ablaufsteuerung]] und Spannungspegelanpassung, integriert, was kompaktere und insgesamt kostengünstige Systeme erlaubt.<ref name=Litwiller />

Ein prinzipieller Vorteil von APS liegt in dem in jedem Pixel vorhandenen Verstärker, so dass nicht einzelne Verstärker wie bei CCD für mehrere Pixel genutzt werden müssen. Dadurch kann bei einer gegebenen Pixelrate jeder Verstärker mit einer geringeren Bandbreite und somit geringerem Eigenrauschen betrieben werden. So erreichen im Jahr 2013 AP-Sensoren ein Eingangsrauschen von 1–2 Photonen bei einer Bildabtastung von über vierhundert Megapixel pro Sekunde, wobei die Sensoren 4–10 MPixel umfassen und eine Quanteneffizienz von über 70 % aufweisen.<ref> Vu, Paul; Fowler, Boyd; Liu, Chiao; Mims, Steve; Balicki, Janusz; Bartkovjak, Peter; Do, Hung; Li, Wang: ''High-performance CMOS image sensors at BAE SYSTEMS Imaging Solutions'', {{bibcode|2012SPIE.8453E..0DV}}.</ref><ref>Junichi Nakamura: ''High-resolution, high-frame rate CMOS image sensors for high-end DSC/DVC applications'', Aptina (vgl.: Chipworks {{Webarchiv|text=''6th Annual Image Sensors Conference'' |url=http://www.chipworks.com/blog/technologyblog/2013/04/09/6th-annual-image-sensors-conference/ |wayback=20130506021214}}, Blog, 2013)</ref> Überwiegt nur ein Aspekt, können jedoch CCD vorteilhaft sein: Zur Detektion weniger Photonen mit sehr geringem Rauschen werden [[EMCCD]] verwendet; CCD können mit Quanteneffizienzen nahe hundert Prozent in einem begrenzten Spektralbereich hergestellt werden, und ihr geringer Dunkelstrom resultiert in einem kleinen Bildrauschen bei sehr langen Belichtungszeiten.

CMOS-Bildsensoren besitzen oft eine höhere Empfindlichkeit im NIR-Bereich (engl. {{lang|en|''near infra-red''}}, kurzwellige [[Infrarotstrahlung#Einteilung des Spektralbereichs|Infrarotstrahlung]]) als CCD-Sensoren. Bei vielen CMOS-Sensoren liegt das Empfindlichkeitsmaximum im [[nahes Infrarot|NIR]]-Bereich (> 650 nm), während CCD-Sensoren das Maximum im sichtbaren Bereich (grünes Licht, 550 nm) besitzen.

Die nachfolgende Auflistung der Vor- und Nachteile von CMOS-Sensoren im Vergleich zu CCD-Sensoren bezieht sich auf allgemeine Aussagen von Standardbauelementen. Spezialisierte Sensoren können in beiden Techniken deutlich abweichende Eigenschaften aufweisen.

Vorteile (der CMOS-Sensoren im Vergleich zu CCD-Sensoren):
* Geringerer Stromverbrauch
* Geringere (Geräte-)Baugröße, durch Integration der Auswertelogik auf demselben Chip ([[System on a Chip]])
* Manche Verarbeitungsschritte können gleich im Pixelverstärker vorgenommen werden, z. B. Logarithmierung beim [[HDRC]]-Sensor (engl. {{lang|en|''high dynamic range CMOS''}}).
* Durch separate Verarbeitung jedes Pixels (Umwandlung von Ladungen in Spannungen):
** Sehr hohe Bildraten im Vergleich zu einem CCD gleicher Größe (schnelle Vorschau-Ansicht, Videofunktion)
** Flexibler auszulesen durch direkte Adressierung ([[Binning]], mehrfaches Auslesen, gleichzeitiges Auslesen mehrerer Pixel)
** Stark begrenzter [[Blooming]]-Effekt

Nachteile:
* separate Umwandlung der Ladung in Spannung für jedes Pixel und Integration der Auswertelogik führt zu:
** größeren Empfindlichkeitsunterschieden zwischen den Pixeln ([[Uniformität]]) durch Fertigungstoleranzen, was bei [[Bayer-Sensor]]en zu einem stärkeren Farbrauschen führt, und
** einem geringeren [[Füllfaktor]] (Verhältnis der lichtempfindlichen zur gesamten Pixelfläche), mit der Folge einer insgesamt schlechteren Lichtempfindlichkeit.

== Siehe auch ==
* [[Rolling-Shutter-Effekt]]
* [[Digital-Pixel-Sensor]] (DPS)
* [[Rückwärtige Belichtung]]

== Weblinks ==
{{commonscat|CMOS sensors}}
* [https://www.walterpreiss.de/d/slomoinf.html Sensortechnik]
* Daniel Göhring: ''[https://www.drgoehring.de/uni/papers/CCD-CMOS_08122002.pdf Digitalkameratechnologien: Eine vergleichende Betrachtung CCD kontra CMOS].'' Humboldt-Universität zu Berlin, 2002 (Seminararbeit; [[PDF]]; 1,60 MB)
* [http://fhotolab.fherb.de/2016/09/10/laboratorium-warum-die-fotodiode-im-sensor-keine-ladung-sammelt-sondern-vernichtet/ Warum die Fotodiode im Sensor keine Ladung sammelt, sondern vernichtet]. Eine populärwissenschaftliche (aber exakte) Beschreibung der Vorgänge im CMOS-Pixel für Nicht-Elektroniker.

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Bildsensor]]
[[Kategorie:Halbleiterbauelement]]
[[Kategorie:Videotechnik]]

Active Pixel Sensor - Versionsgeschichte

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