Active Pixel Sensor

Ein Active Pixel Sensor (APS, deutsch: aktiver Pixelsensor) ist ein Halbleiterdetektor zur Lichtmessung, der in CMOS-Technologie gefertigt ist und deshalb oft als CMOS-Sensor bezeichnet wird.

Durch die Verwendung der CMOS-Technologie wird es möglich, weitere Funktionen in den Sensorchip zu integrieren, wie beispielsweise die Belichtungskontrolle, die Kontrastkorrektur oder die Analog-Digital-Wandlung. Active_pixel_sensor_prototype.jpg.]]

Funktionsprinzip

Der APS basiert – wie auch der CCD-Sensor – auf dem inneren fotoelektrischen Effekt. Im Gegensatz zu CCDs werden die bei der Belichtung angesammelten Elektronen nicht zu einem einzigen Ausleseverstärker verschoben, sondern in jedem einzelnen Bildelement ist ein Verstärker integriert, der das Ladungspaket, das auf der Fotodiode des Pixels gesammelt wird, in eine Spannung umwandelt und dem Analogsignalprozessor direkt zur Verfügung stellt.

Das bedeutet, dass jedes Bildelement zusätzlich zur Fotodiode eine Vielzahl von Transistoren enthält, die die gesammelte Ladung in eine messbare Spannung umwandeln. Der Vorteil ist, dass die Elektronik direkt das Spannungssignal jedes einzelnen Pixels auslesen kann, ohne die Ladungen verschieben zu müssen, was eine deutlich geringere Neigung zum Blooming zur Folge hat. Der Nachteil ist, dass sich zwischen den lichtempfindlichen Fotodioden viel Elektronik befindet, die selbst nicht lichtempfindlich ist, was bei gleicher Chipfläche ursprünglich zu einer im Verhältnis zur CCD-Technologie kleineren Lichtempfindlichkeit führte. Da die notwendige Integrationsdichte, um mit CCD konkurrenzfähig zu sein, noch nicht erreicht war, war diese Technologie in 70er und 80er Jahren noch bedeutungslos.

Geschichte

Wegen der anfänglich nur schlecht verkleinerbaren Ausleseelektronik lag der Füllfaktor, also der Anteil des lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche eines Pixels, bei nur 30%. D.h. die Ladungsausbeute war gering, damit die erzielbare Signalstärke, was zu einem schlechten Verhältnis von Signal zu Rauschen führte und sich in starkem Bildrauschen bei schlechter Lichtempfindlichkeit äußerte.

Diese Nachteile wurden erst später durch intensive Weiterentwicklung in der Miniaturisierung der CMOS-Technologie und durch den Einsatz von Mikrolinsen über jedem Bildelement, die das gesamte einfallende Licht auf den lichtempfindlichen Teil lenken, reduziert und schließlich mehr als ausgeglichen.

Anwendungsgebiete

In den DSLR-Spitzenmodellen von Canon, Nikon und Sigma kommen heute APS-Sensoren zum Einsatz und sie übertreffen die Lichtempfindlichkeit von CCD-Chips bei gleichzeitig geringerem Rauschen. In Mobiltelefonen mit Kamerafunktion kommen praktisch ausschließlich APS-Sensoren zum Einsatz.

In Camcordern werden momentan fast ausschließlich CCD-Sensoren eingesetzt, jedoch hat Sony 2005 den HDR-HC1 veröffentlicht, einen HDTV-Camcorder der einen APS verwendet. APS finden auch in vielen Industriekameras Verwendung.

Die Münchener Firma Arri brachte 2004 mit der D-20 eine Videokamera heraus, die einen APS mit 2880×1620 Pixeln verwendet. Seine Größe entspricht der aktiven Bildfläche eines 35-mm-Films, was den Einsatz von generischen Filmobjektiven erlauben und die Schärfentiefe der Bilder an die des Filmes angleichen soll.

Die CMOS-Technologie der APS weist gegenüber den MOS-basierten CCD-Sensoren auch einen deutlich geringeren Energieverbrauch auf (ca. 10 % der CCDs) und erlaubt bei einem größeren Produktionsvolumen eine günstige Produktion, da sie ohne Umrüstung auf den für hohe Stückzahlen ausgelegten Fertigungsstraßen gefertigt werden kann und so einen geringeren Fertigungsaufwand pro Chip verursacht.

Unterschiede zu CCD-Sensoren

geringere UV- und IR-Empfindlichkeit

Vorteile

Geringerer Stromverbrauch.
Bei großen Stückzahlen billiger herzustellen.
Es lassen sich mehrere Pixel gleichzeit auslesen.
Die Auslesesteuerung kann direkt auf dem Sensor integriert werden (System on Chip).
Kaum Blooming.
Flexibler auszulesen (schneller Preview, Video, Binning, mehrfaches Auslesen).
Mit entsprechenden Pixeln kann der Sensor gleichzeitig belichtet und ausgelesen werden.
Nicht-rechteckige Pixel (Bienenwaben) möglich (Hinweis: auch Fujifilm's Super-CCD-Sensor verwendet wabenförmige Pixel).
Verschiedene Pixelarten (Größe, Empfindlichkeit) kombinierbar.
Manche Verarbeitungsschritte können gleich im Pixel-Verstärker vorgenommen werden, z.B. Logarithmierung beim HDRC (High Dynamic Range CMOS) Sensor.
Sehr hohe Bildraten im Vergleich zu einem CCD selber Grösse.

Nachteile

geringerer Füllfaktor (Verhältnis der photoempfindlichen zur gesamten Pixelfläche)
größere Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln, was bei Bayer-Sensoren zu einem stärkeren Farbrauschen führt.

Siehe auch:

Weblinks

Wissenswertes zu Bildsensoren
Sensortechnik
Common Image Sensor Sizes
Digitalkameratechnologien: Eine vergleichende Betrachtung CCD kontra CMOS (PDF)
Zusammenhang zwischen Sensorgröße und Bildrauschen
CMOS-Bildwandler vor dem großen Leistungssprung? (Digitalkamera.de, 12. Dezember 2005)
APS in der Mikroskopie mit Bild eines APS-Dies
Digitalkameratechnologien: Eine vergleichende Betrachtung CCD kontra CMOS (PDF)
Diplomarbeit von J. Anhofer (PDF – Seite 49 bis 53, mit sehr gutem 3D-Schnittbildern)
Messen optischer Größen (PPT – Bilder zur Veranschaulichung)
Canon Deutschland zur Weiterentwicklung der CMOS-Technologie für die Canon EOS 350D

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