Schneller, heller, smarter: Wie BSI-Sensoren die Digicams revolutionieren

von Stefan Möllenhoff am , 17:54 Uhr

Wer sich eine Digicam kauft, wird von mäßig aussagekräftigen Begriffen überschüttet. Ein neuer Stern am Himmel der Marketing-Ausdrücke ist der BSI-Sensor. Bei diesen rückseitig belichteten CMOS-Chips liegt die Elektronik zum Auslesen der Daten nicht mehr wie bislang vor, sondern hinter den Fotozellen. Wir zeigen, was es mit der Technologie auf sich hat, worin die Vorteile liegen und welche Kameras die Technik einsetzen.

Starkes Bildrauschen, niedrige Geschwindigkeit und eingeschränkter Funktionsumfang – da können Digitalkameras nur neidisch zu ihren DSLR-Verwandten herüberschielen. In einem kompakten Gehäuse ist einfach kein Platz für einen großen Bildsensor, für schnelle Ausleseelektroniken und tonnenweise Extras. Mit den backside illuminated Chips (BSI) soll alles besser werden, versprechen die Hersteller. Ein Blick in die Datenblätter aktueller Kompaktkameras lässt hoffen: Full-HD-Videofunktion, 1000-fps-Bildrate, Nachtaufnahmemodus, Schwenkpanoramafunktion und, und, und – trotz superschlankem Gehäuse.

Technologie

Ein „gewöhnlicher“ Bildsensor besteht aus mehreren Schichten. Ganz oben auf dem Chip sitzen Mikrolinsen, die das einfallende Licht für eine maximale Ausbeute bündeln. Dadurch ist gewährleistet, dass auch schräg auf den Sensor eintreffende Photonen auf die weiter unten liegenden Fotozellen fallen.


Beim konventionellen Sensor (links) ist auf dem Schema deutlich zu erkennen, wie die Verdrahtung des Bildsensors etliches an Photonen daran hindert, zur lichtempfindlichen Photodiode durchzudringen. (Bild: Sony [1])

Hinter der Schicht mit den Linsen befindet sich die sogenannte Bayer-Maske. Da die einzelnen Lichtfänger auf dem Bildsensor keine Farben „sehen“, sondern nur eintreffende Photonen zählen, liefern sie lediglich eine Helligkeitsverteilung. Der Bayer-Filter sorgt dafür, dass jeder Pixel nur eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau abbekommt. Mittels Interpolation errechnet die Elektronik der Kamera schließlich die korrekten Farben.


Da Menschen aus evolutionären Gründen Grüntöne differenzierter wahrnehmen [2], gibt es in der Bayer-Maske ebensoviele für Grün zuständige Fotozellen wie für Rot und Blau zusammen. (Bild: Wikipedia)

Unter der Bayer-Maske sitzen allerdings noch nicht direkt die lichtempfindlichen Zellen. Hier ist bei konventionellen Sensoren erst noch die Ausleseelektronik untergebracht, die die von den Photonenfallen gezählten Lichtteilchen in Form von Elektronen an den bildverarbeitenden Prozessor der Kamera weiterleitet. Da Leiterbahnen ähnlich gute optische Eigenschaften wie Stahlbeton bieten, geht hier eine Menge Licht verloren. Ganz zuletzt, hinter der Elektronik, kommen die Fotozellen.


Das linke Bild zeigt Mikroskopaufnahmen von einem konventionellen und einem rückseitig belichteten Sensor. Hier ist deutlich zu erkennen, wie die Verdrahtung des Sensors einen Teil der lichtempfindlichen Silizium-Schicht verdeckt. Rechts ist nochmal ein BSI-Chip im Detail zu sehen. (linkes Bild: Samsung [3], rechtes Bild: Sony)

Bei rückseitig belichteten Sensoren ist die Ausleseelektronik mit der Fotozellen-Schicht vertauscht. Dadurch steht dem einfallenden Licht bei gleicher Sensorgröße mehr Fläche zur Verfügung. Außerdem ist der Weg, den die Photonen durch den Chip nehmen, kürzer. Damit ist auch der maximale mögliche Einfallswinkel der Lichtteilchen größer, was wiederum kompaktere Optiken und insgesamt schlankere Kameras ermöglicht.


Der schwarze Pfeil im linken Bild veranschaulicht, wie ein zu flach eintreffender Lichtstrahl beim vorderseitig belichteten Sensor (FSI) den weiten Weg bis zum Lichtsensor nicht schafft. Beim BSI-Pixel rechts erreicht er die Silizium-Fläche problemlos.

Vorteile

Je mehr Fläche zur Verfügung steht, desto mehr Licht trifft auf dem Sensor ein. Dadurch ist es möglich, den Chip mit einer geringeren Empfindlichkeit zu betreiben, was wiederum für weniger Bildrauschen und Störungen sorgt. Soweit die Theorie – in der Praxis lieferten die bislang von uns getesteten zwei Sony-Kameras DSC-WX1 und DSC-TX1 zwar eine ordentliche, aber nicht die erhoffte, revolutionäre Bildqualität.

Ein deutlicher Vorteil von den CMOS-Sensoren gegenüber ihren CCD-Kollegen stellt allerdings die Geschwindigkeit dar. Aufgrund des technischen Aufbaus lassen sich die Pixel von CMOS-Chips einzeln auslesen, während CCD-Lichtfänger die eingefangenen Informationen nur zeilenweise ausspucken. Das ermöglicht in der Praxis deutlich schnellere Serienbildraten und hochauflösendere Videomodi. Die derzeit erhältlichen beziehungsweise angekündigten BSI-Kameras stemmen im Dauerfeuer bis zu 1000 Bilder pro Sekunde mit reduzierter und 10 Fotos pro Sekunde mit voller Auflösung. Auch Full-HD mit 1920 mal 1080 Pixeln stellt für etliche Modelle kein Problem dar.

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Der Clip zeigt ein paar Highspeed-Beispiele, die wir mit Bildraten zwischen 210 und 1200 fps aufgezeichnet haben.

Um die Bildqualität bei schlechten Lichtverhältnissen zu verbessern, machen sich etliche Hersteller ebenfalls die Geschwindigkeit zu Nutze: Die Kameras schießen anstelle eines verwacklungsgefährdeten Fotos mit langer Verschlusszeit einfach einen ganzen Haufen kurz belichteter Aufnahmen und kombinieren diese anschließend zu einem ausreichend ausgeleuchteten Bild. Mit diesem Feature haben wir uns bereits im Artikel Kompaktkameras für Nachtfotografie: Exmor- gegen EXR-Sensor [4] intensiv beschäftigt.

Eine weitere interessante Funktion ist der sogenannte Schwenkpanoramamodus. Dabei bewegt der Fotograf die Kamera einfach in einer beliebigen Richtung über das Motiv, und der Bildprozessor der Digicam spuckt ein Panorama aus. Fujifilms FinePix HS-10 nutzt die Geschwindigkeit, um bewegte Objekte aus einem Foto zu verbannen. Die Bridgekamera analysiert einen Serienbildstapel auf Veränderungen hin und löscht störende Touristen vom idyllischen Traumstrand.

Nachteile

Bis sich eine neue Technologie im Markt etabliert hat, braucht es Zeit. Gleiches gilt auch für die rückseitig belichteten Chips – bislang hält sich die Anzahl an verfügbaren Kameras noch in Grenzen. Zudem sind die BSI-Digicams tendenziell noch teurer als die Alternativen mit konventionellen Sensoren. Es dürfte allerdings nur eine Frage der Zeit sein, bis sich diese beiden Aspekte relativiert haben.

Verfügbare Kameras

Sony, Samsung, Fujifilm, Nikon, Ricoh und Casio haben insgesamt zehn Kameras im Portfolio, die über BSI-Chips verfügen. Die Sensorgröße bewegt sich bei allen Kameras zwischen 1/2,3 und 1/2,4 Zoll, die Auflösung beträgt durch die Bank 10 Millionen Bildpunkte – mehr geht derzeit noch nicht. Megapixel-Fanatiker können allerdings hoffen: Toshiba hat erst vor wenigen Wochen angekündigt, einen rückseitig belichteten Sensor mit 14,6 Megapixeln zu entwickeln. Die Serienproduktion soll im Herbst diesen Jahres beginnen. Welche Kameras mit BSI-Chips derzeit oder zeitnah in den Regalen stehen, zeigt die folgende Übersicht.

Tabelle anzeigen: Digitalkameras mit rückseitig belichteten Sensoren im Vergleich [5]

Digitalkameras mit rückseitig belichteten Sensoren im Vergleich [5]

Hersteller Casio Fujifilm Nikon Rioch Samsung Sony Sony Sony Sony Sony Hersteller
Modell EX-FH100 FinePix HS10 Coolpix P100 CX3 WB2000 Cyber-shot DSC-HX5V Cyber-shot DSC-TX1 Cyber-shot DSC-TX5 Cyber-shot DSC-TX7 Cyber-shot DSC-WX1 Modell
Preis 300 Euro (Marktpreis) 410 Euro (Marktpreis) 345 Euro (Marktpreis) 300 Euro (Marktpreis) 399 Euro (UVP, ab Mai erhältlich) 300 Euro (Marktpreis) 225 Euro (Marktpreis) 310 Euro (Marktpreis) 300 Euro (Marktpreis) 220 Euro (Marktpreis) Preis
Bildsensor 1/2,3-Zoll-BSI-CMOS 1/2,3-Zoll-BSI-CMOS 1/2,3-Zoll-BSI-CMOS 1/2,3-Zoll-BSI-CMOS 1/2,33-Zoll-BSI-CMOS 1/2,4-Zoll-BSI-Sensor 1/2,4-Zoll-BSI-Sensor 1/2,4-Zoll-BSI-Sensor 1/2,4-Zoll-BSI-Sensor 1/2,4-Zoll-BSI-Sensor Bildsensor
Auflösung 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel 10 Megapixel Auflösung
Optischer Zoom 10-fach 30-fach 26-fach 10,7-fach 5-fach 10-fach 4-fach 4-fach 4-fach 5-fach Optischer Zoom
Brennweitenbereich 24 – 240 mm 24 – 720 mm 26 – 678 mm 28 – 300 mm 24 – 120 mm 25 – 250 mm 35 – 140 mm 25 – 100 mm 25 – 100 mm 24 – 120 mm Brennweitenbereich
Lichtstärke F3,2 – F5,7 F2,8 – F5,6 F2,8 – F5,0 F3,5 – F5,6 F2,8 – F5,8 F3,5 – F5,5 F3,5 – F4,6 F3,5 – F4,6 F3,5 – F4,6 F2,4 – F5,9 Lichtstärke
Bildstabilisator mechanisch mechanisch mechanisch mechanisch optisch optisch optisch optisch optisch optisch Bildstabilisator
Empfindlichkeiten (volle Auflösung) ISO 100 – 3200 ISO 100 – 3200 ISO 160 – 3200 ISO 80 – 3200 ISO 80 – 3200 ISO 125 – 3200 ISO 125 – 3200 ISO 125 – 3200 ISO 125 – 3200 ISO 160 – 3200 Empfindlichkeiten (volle Auflösung)
Max. Fotoauflösung 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel 3648 x 2736 Pixel Max. Fotoauflösung
Serienbildgeschwindigkeit (volle Auflösung) 40 fps (9 MP) 10 fps 10 fps 5 fps 10 fps 10 fps 10 fps 10 fps 10 fps 10 fps Serienbildgeschwindigkeit (volle Auflösung)
Max. Videoauflösung 1280 x 720 Pixel @ 30 fps 1920 x 1080 Pixel @ 30 fps 1920 x 1080 Pixel @ 30 fps 1280 x 720 Pixel @ 30 fps 1920 x 1080 Pixel @ 30 fps 1920 x 1080 Pixel @ 50 fps, Interlaced 1280 x 720 Pixel @ 30 fps 1280 x 720 Pixel @ 30 fps 1920 x 1080 Pixel @ 50 fps, Interlaced 1280 x 720 Pixel @ 30 fps Max. Videoauflösung
Max. Videobildrate 1000 fps @ 224 x 64 Pixel 1000 fps @ 224 x 64 Pixel 240 fps @ 320 x 240 Pixel 1000 fps @ 138 x 78 Pixel 50 fps @ 1920 x 1080 Pixel 30 fps @ 1280 x 720 Pixel 30 fps @ 1280 x 720 Pixel 50 fps @ 1920 x 1080 Pixel 30 fps @ 1280 x 720 Pixel Max. Videobildrate
Manuelle Einstellungen P, A, S, M P, A, S, M P, A, S, M P P, A, S, M P, M P P P P Manuelle Einstellungen
Schwenkpanorama nein ja nein k. A. ja ja ja ja ja ja Schwenkpanorama
Serienbildnachtaufnahme ja ja ja k. A. k. A. ja ja ja ja ja Serienbildnachtaufnahme
RAW-Aufnahme ja ja ja nein ja nein nein nein nein nein RAW-Aufnahme
HDR-Automatik ja ja ja k. A. k. A. ja ja ja ja ja HDR-Automatik
Display 3 Zoll, fest, LCD 3 Zoll, schwenkbar, LCD 3 Zoll, neigbar; LCD 3 Zoll, fest, LCD 3 Zoll, fest, AMOLED 3 Zoll, fest, LCD 3 Zoll, fest, LCD 3 Zoll, fest, LCD 3,5 Zoll, fest, LCD 2,7 Zoll, fest, LCD Display
Sucher nein elektronisch elektronisch nein nein nein nein nein nein nein Sucher
Speichermedien SD, SDHC SD, SDHC SD, SDHC SD, SDHC SD, SDHC Memory Stick, SD, SDHC Memory Stick Memory Stick, SD, SDHC Memory Stick, SD, SDHC Memory Stick Speichermedien
Akkulaufzeit (CIPA) 520 Fotos 700 Fotos 250 Fotos 310 Fotos k. A. 310 Fotos 250 Fotos 250 Fotos 230 Fotos 350 Fotos Akkulaufzeit (CIPA)
Abmessungen 10,5 x 6,3 x 3,0 cm 13,1 x 12,6 x 9,1 cm 11,4 x 9,9 x 8,3 cm 10,2 x 5,8 x 2,9 cm 10,0 x 5,9 x 2,2 cm 10,3 x 5,8 x 2,9 cm 9,4 x 5,8 x 1,7 cm 9,4 x 5,7 x 1,8 cm 9,8 x 6,0 x 1,8 cm 9,1 x 5,2 x 2,0 cm Abmessungen
Gewicht 183 g 636 g 481 g 185 g 175 g 170 g 119 g 128 g 133 g 120 g Gewicht
Besonderheiten GPS Touchscreen bis 3 m wasserdicht, stoßfest, Touchscreen Touchscreen Besonderheiten

Casio hat in den USA zwei weitere Modelle mit rückseitig belichteten Sensoren vorgestellt – die Exilim EX-FH25 und die EX-FC150. Allerdings wird sich die Verfügbarkeit der beiden Kameras in Deutschland noch auf unbestimmte Zeit verzögern. Fujifilm überrascht uns etwas mit der FinePix HS-10. Schließlich hat der Hersteller mit dem Super-CCD-EXR-Chip einen direkten Konkurrenten zu den BSI-Sensoren entwickelt. Im Gespräch mit CNET Singapur nannte der Konzern die Geschwindigkeit als Grund – das eigene EXR-System werde aber in Zukunft weiter zum Einsatz kommen.

Ausblick

Derzeit ist Sony in Sachen BSI-Kameras am stärksten auf dem Markt vertreten. Dieses Jahr rechnen wir allerdings mit einem ganzen Haufen weiterer Digicams, die einen rückseitig belichteten Sensor einsetzen. Außerdem hoffen wir, dass sich die diversen Hersteller die Geschwindigkeit zu Nutze machen und freuen uns auf zahlreiche interessante Features à la Night-Shot-Modus und Touristen-Radiergummi.


Sonys auf der PMA gezeigter Alpha-DSLR-A700-Ersatz ist ein heißer Kandidat für die erste BSI-Spiegelreflex.

Auch für Spiegelreflexkameras ist die Technologie interessant. Hier ist der Flächengewinn auf dem Sensor aufgrund der größeren Pixel allerdings nicht so relevant wie bei Kompakten. Doch von der kürzeren Strecke, die Photonen durch den Chip zurücklegen müssen, profitieren auch DSLRs. Die Abkürzung dürfte Farbfehler und Empfindlichkeitsverluste am Bildrand, die durch schräg eintreffendes Licht verursacht werden, reduzieren.

Fazit

Gegenwärtig hält sich die Auswahl an Kameras mit BSI-Sensoren noch stark in Grenzen. Die wenigen verfügbaren Modelle haben allerdings einiges in Petto. Full-HD- oder 1000-fps-Videomodus, 10 Bilder pro Sekunde mit voller Auflösung, Schwenkpanoramafunktion, Nachtschussmodus und Touristenverbannfunktion – was wir bislang gesehen haben, macht mächtig Lust auf mehr.

Steht gerade ein Digicamkauf ins Haus, so sollte man sich definitiv die BSI-Kameras näher ansehen. Mit dem neuen Sensortyp bieten diese Möglichkeiten, die deutlich über die Fähigkeiten bisheriger Kompakter hinauswachsen. Ist im Moment das passende Gerät oder die budgetkompatible Preisklasse nicht verfügbar, so hilft nur eines: warten. Denn die Technologie wird sich durchsetzen.

Artikel von CNET.de: http://www.cnet.de

URL zum Artikel: http://www.cnet.de/41529195/schneller-heller-smarter-wie-bsi-sensoren-die-digicams-revolutionieren/

URLs in this post:

[1] Sony: http://www.cnet.de/unternehmen/sony/

[2] evolutionären Gründen Grüntöne differenzierter wahrnehmen: http://de.wikipedia.org/wiki/Zapfen_(Auge)#Spektrale_Absorptionskurven

[3] Samsung: http://www.cnet.de/unternehmen/samsung/

[4] Kompaktkameras für Nachtfotografie: Exmor- gegen EXR-Sensor: http://www.cnet.de/praxis/specials/41522974/kompaktkameras+fuer+nachtfotografie+exmor_+gegen+exr_sensor.htm

[5] Tabelle anzeigen: Digitalkameras mit rückseitig belichteten Sensoren im Vergleich: #