Bildwandler sind das Herzstück einer Kamera und gehören ohne Frage zu den wichtigsten Teilen einer Digitalkamera. Während sie bei älteren Modellen fast nur für die Bildqualität verantwortlich waren, beeinflussen sie bei modernen Kameras wesentlich mehr. In diesem Artikel wollen wir auf einen immer noch recht selten anzutreffenden Sensortyp eingehen: den Stacked-CMOS-Sensor. Davon bekommen Kamera-Interessierte immer wieder zu hören, die tatsächliche Bedeutung dürfte aber nur recht wenigen Fotografen bekannt sein.
Stacked-CMOS-Sensoren sind natürlich schon länger in der Entwicklung. Bereits 2012 verkündete Sony, eine Milliarde Euro in den Ausbau der Fertigung von Stacked-CMOS-Sensoren zu investieren. Wie üblich wurde die neue Technik zunächst nicht bei größeren Sensoren genutzt, sondern bei kleineren Bildwandlern. 2014 stellte Sony mit dem IMX230 (21 Megapixel, 1/2,4 Zoll) den ersten Stacked-CMOS-Sensor für Smartphones vor. Erst 2015 führte Sony die Technik bei den Kameramodellen Cyber-shot DSC-RX100 IV und Cyber-shot DSC-RX10 IV ein. Die Sensoren der RX100 IV und der RX10 IV gehören zur 1,0-Zoll-Klasse und messen 13,2 x 8,8mm. Im Vergleich zu Vollformatsensoren fallen sie trotzdem noch wesentlich kleiner aus, ihre Fläche ist etwa 1/7 so groß.
Schon damals ließ die gestapelte Bauweise aufhorchen, denn die neuen Sensoren konnten nicht nur mit sehr hohen Bildraten bei voller Auflösung punkten, sondern auch einem bei bewegten Motiven sinnvoll einsetzbaren elektronischen Verschluss. Zwei Jahre später brachte Sony mit der Alpha 9 die erste Vollformatkamera mit Stacked-CMOS-Sensor auf den Markt, 2021 folgte die Alpha 1. Zudem erweiterte Sony im Laufe der Zeit die RX100-Reihe um neue Modelle, die einen Stacked-CMOS-Sensor besitzen. Auch andere Hersteller setzen mittlerweile auf gestapelte Sensoren, die 2021 vorgestellten Nikon Z 9 und Canon EOS R3 sowie die 2022 angekündigten FujiFilm X-H2S und OM System OM-1 sind ebenfalls mit Stacked-CMOS-Sensoren ausgerüstet. Fast alle Kameras mit Stacked-CMOS-Sensoren heben sich von der breiten Masse durch höhere Preise ab, diese sollte auch auf den wesentlich teureren Sensor zurückzuführen sein.
Was ist ein Stacked CMOS Sensor? Der technische Aufbau
Technologisch ist ein „gestapelter Sensor“ anspruchsvoller in der Herstellung als ein herkömmlicher BSI-Sensor (Back-Side Illuminated). Der grundlegende Unterschied liegt in der Anordnung der verschiedenen Komponenten. Bei klassischen Sensoren liegen die Photodioden (die Licht einfangen) und die notwendigen Schaltkreise (wie z.B. die A/D-Wandler und Signalprozessoren) meist auf derselben Ebene oder die Schaltkreise sind direkt unter den Photodioden in einer einfachen Schicht angeordnet.
Bei einem Stacked-CMOS-Sensor, was wörtlich „gestapelt“ bedeutet, sind diese Komponenten auf mehreren Schichten übereinander angeordnet. Die Photodioden-Ebene liegt ganz oben, um das Licht optimal einzufangen. Darunter befinden sich eine oder mehrere Ebenen mit den Auslese-Schaltkreisen und anderen Verarbeitungslogiken. Dieser mehrschichtige Aufbau bringt entscheidende Vorteile mit sich.
Die Aufteilung der Photodioden und der weiteren notwendigen Schaltkreise, die anders als bei herkömmlichen Sensoren nicht neben den Pixeln, sondern unterhalb davon liegen, erlaubt vielfältige Optimierungen. Dazu gehören unter anderem der Einsatz von mehr sowie besseren A/D-Wandlern, unterschiedliche Fertigungsgrößen der einzelnen Ebenen und die Integration eines zusätzlichen DRAM-Speichers. Dieser zusätzliche DRAM-Cache ist ein Schlüsselmerkmal vieler Stacked-Sensoren und ermöglicht die extrem schnelle Zwischenspeicherung und Verarbeitung der riesigen Datenmengen, die bei hohen Geschwindigkeiten anfallen.
Revolutionäre Leistung: Die Vorteile von Stacked Sensoren
Der mehrschichtige Aufbau eines Stacked-CMOS-Sensors erlaubt neben einem besseren Ausnutzen des Platzes wesentlich kürzere Auslesezeiten. Klassische Bildwandler lassen sich in vielen Fällen in Zeiträumen zwischen 1/10 und 1/30 Sekunde auslesen, bei Stacked-CMOS-Sensoren geht das in 1/150 Sekunde oder sogar noch schneller. Diese extrem schnelle Auslesegeschwindigkeit ist die Grundlage für die herausragenden Vorteile, die diese Sensoren bieten.
Vorteil 1: Höhere Bildraten
Die Auslesegeschwindigkeit eines Sensors hat natürlich einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Bildrate. Sofern ein Sensor nur zehn Mal pro Sekunde vollständig ausgelesen werden kann, sind (bei voller Auflösung) natürlich keine höheren Bildraten als zehn Bilder pro Sekunde möglich. Da Stacked-Sensoren deutlich schneller ausgelesen werden können, ermöglichen sie Serienaufnahmen mit Geschwindigkeiten, die mit traditionellen Sensoren undenkbar wären.
Grundsätzlich gilt, dass Kameras mit Stacked-CMOS-Sensor aktuell die höchsten Bildraten aller Kameras am Markt erreichen. Hier eine Übersicht einiger Modelle mit Stacked-Sensor und ihren maximalen Bildraten bei voller Auflösung (Stand 2022, basierend auf den uns vorliegenden Informationen):
| Kameramodell | Auflösung | Sensorgröße | Bildrate voller Auflösung |
|---|---|---|---|
| Sony Alpha 1 | 49,8 Megapixel | Vollformat | 30 Bilder pro Sekunde |
| Nikon Z 9 | 45,4 Megapixel | Vollformat | 30 Bilder pro Sekunde |
| Canon EOS R3 | 24 Megapixel | Vollformat | 30 Bilder pro Sekunde |
| Sony Alpha 9 / Alpha 9 II | 24 Megapixel | Vollformat | 20 Bilder pro Sekunde |
| FujiFilm X-H2S | 26 Megapixel | APS-C | 40 Bilder pro Sekunde |
| OM System OM-1 | 20,2 Megapixel | MFT | 120 Bilder pro Sekunde |
| Sony Cyber-shot RX100 VII | 20 Megapixel | 1,0 Zoll | 90 Bilder pro Sekunde |
Die Angabe der maximalen Bildrate kann allerdings verwirren, da sie von diversen weiteren Parametern abhängig ist. Neben der Auflösung spielt hier auch die Bit-Tiefe eine Rolle. Sensordatenblätter, die Konsumenten im Regelfall nicht zu Gesicht bekommen, enthalten daher meistens Informationen zu unterschiedlichen Readout-Modi. Als Beispiel sei hier der Sensor IMX472 von Sony erwähnt. Dieser kann bei voller Auflösung (5.280 x 3.956 Pixel) und 12-Bit Datentiefe 121,0 Bildern pro Sekunde ausgeben. Bei gleicher Auflösung und 10-Bit sind es schon 158,4 Bilder pro Sekunde und bei deutlich reduzierter Auflösung (2.640 x 1.318 Pixel) mit 10-Bit genau 469,8 Bilder pro Sekunde.
Durch die unterschiedlichen Readout-Modi lassen sich die teilweise deutlich höheren Bildraten mancher Kameras bei Videos erklären. Als Beispiel sind hier die RX100-Kameras zu nennen. Die Sony Cyber-shot DSC RX100 V, die allerdings einen anderen Sensor als den oben genannten IMX472 verwendet, kommt bei voller Auflösung beispielsweise auf 24 Bilder pro Sekunde. Bei Videos sind mit reduzierter Auflösung 250, 500 oder 1.000 Bilder pro Sekunde möglich. Während bei 250 Bildern pro Sekunde 1.824 x 1.026 Pixel genutzt werden, sind es bei 500 Bildern pro Sekunde genau 1.824 x 616 Pixel und bei 1.000 Bildern pro Sekunde nur noch 1.244 x 420 Pixel. Diese Unterschiede machen sich bei der Bildqualität natürlich sehr deutlich bemerkbar, zeigen aber das Potenzial der schnellen Auslesung.
Vorteil 2: Der elektronische Verschluss ohne Kompromisse
Elektronische Verschlüsse gibt es bei Digitalkameras schon länger. Neben dem Vorteil des nicht vorhandenen Verschleißes und der lautlosen Aufnahme müssen bei vielen Kameras mit herkömmlichen Sensoren jedoch auch mehrere Nachteile in Kauf genommen werden. Dazu gehören das Auftreten von Artefakten (z.B. Flackern oder Streifen) bei Kunstlicht und Verzerrungen bei bewegten Motiven oder bei Bewegungen der Kamera (Rolling Shutter Effekt). Beide Probleme sind auf die relativ langsame Auslesegeschwindigkeit klassischer Sensoren zurückzuführen, bei der das Bild zeilenweise nacheinander ausgelesen wird.
Da Stacked-CMOS-Sensoren wesentlich schneller auslesbar sind – oft fast global (alle Pixel gleichzeitig) oder zumindest so schnell, dass der Effekt minimiert wird – treten die genannten Probleme bei Kameras mit mehrschichtigen Sensoren nicht oder nur sehr selten auf. Dies macht den elektronischen Verschluss bei diesen Kameras zu einem vollwertigen Ersatz für den mechanischen Verschluss, selbst bei schnellen Bewegungen oder unter flackerndem Licht.
Um die genannten Vorteile in der Praxis zu demonstrieren, wurde beispielsweise eine Sony Alpha 9 Mark II mit Stacked-CMOS-Sensor und eine Sony Alpha 7R III mit herkömmlichem Sensor bei zwei Motiven verglichen. Das erste Motiv war eine klassische Produktaufnahme mit künstlicher Beleuchtung. Bei einer Kamera mit normalem Sensor (wie der Sony Alpha 7R III) zeigten sich beim Einsatz des elektronischen Verschlusses und bestimmten Belichtungszeiten (abweichend von 1/50 Sekunde wegen der Netzfrequenz von 50Hz) deutliche Artefakte in Form von Streifen. Diese Problematik gab es bei der Sony Alpha 9 II nicht oder nur in sehr wenigen Ausnahmefällen.
Beim zweiten Motiv wurde die Kamera bei der Aufnahme von links nach rechts bewegt. Durch die zeilenweise Auslesung wurde bei Kameras mit herkömmlichem Sensor ein deutlicher Rolling-Shutter-Effekt beim Verwenden des elektronischen Verschlusses sichtbar. Dadurch kippte das gesamte Bild nicht nur zur Seite, Motive wurden als "weiteres" Problem deutlich verzerrt wiedergegeben. Daher erhielt man in diesem Fall statt des eigentlichen runden Objekts ein eiförmiges. Auch dieses Problem tritt bei einem Stacked Sensor aufgrund der schnellen Auslesung nicht oder nur geringfügig auf.
Vorteil 3: Präziser Autofokus und Belichtung
Ein weiterer Vorteil, der meistens etwas zu kurz kommt, ist die präzisere Belichtung und Fokussierung. Diesen Vorteil sollte man aber natürlich nicht verachten, für den Aufnahmeerfolg ist er schließlich sehr entscheidend. Auch für diesen Vorteil ist die höhere Auslesegeschwindigkeit verantwortlich. Dadurch stehen dem Bildprozessor und der weiteren Hardware einer Kamera wesentlich mehr Aufnahme-Informationen pro Sekunde zur Verfügung. Das System kann den Fokus und die Belichtung viel häufiger und schneller nachregeln.
Als Beispiel schauen wir uns hier die FujiFilm X-T4 ohne Stacked-CMOS-Sensor und die FujiFilm X-H2S mit Stacked-CMOS-Sensor an. Während erstere 20 Bilder pro Sekunde und 40 Fokusberechnungen pro Sekunde bietet, schafft die FujiFilm X-H2S 40 Bilder pro Sekunde und 120 Fokusberechnungen. Diese signifikante Steigerung der AF/AE-Berechnungsrate ermöglicht es der Kamera, bewegte Motive wesentlich besser zu verfolgen und die Belichtung auch bei schnellen Lichtwechseln präziser anzupassen.
Andere Kameras mit Stacked-CMOS-Sensoren kommen auf ähnliche Werte. Sony gibt für sein Flaggschiff Alpha 1 genau 120 AF/AE-Berechnungen pro Sekunde an, die Sony Alpha 9 bzw. Alpha 9 Mark II kommen auf 60 AF/AE-Berechnungen pro Sekunde. Nikon nennt für die Z 9 ebenfalls 120 Berechnungen pro Sekunde. Diese hohe Rate an Fokus- und Belichtungsberechnungen ist besonders für Sport-, Tier- und Actionfotografie von unschätzbarem Wert.
Welche Kameras nutzen Stacked Sensoren? Eine Übersicht
Stacked-CMOS-Sensoren kommen aktuell fast ausschließlich bei High-End-Kameras oder speziellen Kompaktkameras zum Einsatz. Die Technologie ist aufwendiger und teurer in der Herstellung, was sich im Preis der Kameras widerspiegelt. Hier sind einige der bekanntesten Modelle, die mit einem Stacked Sensor ausgestattet sind:
- Sony Alpha 1
- Sony Alpha 9
- Sony Alpha 9 II
- Sony Cyber-shot DSC-RX100 IV
- Sony Cyber-shot DSC-RX100 V
- Sony Cyber-shot DSC-RX100 VI
- Sony Cyber-shot DSC-RX100 VII
- Sony Cyber-shot DSC-RX10 IV
- Nikon Z 9
- Canon EOS R3
- FujiFilm X-H2S
- OM System OM-1
Diese Liste umfasst sowohl spiegellose Systemkameras für Profis als auch einige Premium-Kompaktkameras. Es zeigt, dass die Vorteile der schnellen Auslesung in verschiedenen Kameratypen genutzt werden können, um die Leistung deutlich zu steigern.
Die Zukunft der Stacked Sensor Technologie
Die Entwicklung steht nicht still, weitere Verbesserungen folgen. Die genannten Vorteile können sich bei der Aufnahme von Bildern und Videos erheblich auswirken, "ausentwickelt" ist die Technologie der mehrschichtigen Sensoren aber bei Weitem noch nicht. Zu Beginn des Jahres 2022 kündigte Sony unter anderen an, bereits an weiteren Verbesserungen zu arbeiten.
Konkret handelt es sich um Stacked-CMOS-Sensoren mit 2-Schichten-Transistor-Pixel. Bei herkömmlichen Sensoren befinden sich die Transistoren zur Signalverstärkung und -verarbeitung auf derselben Ebene wie die Photodioden (oder direkt darunter). Beim neuen 2-Schichten-Transistor-Pixel-Aufbau werden diese Transistoren auf eine separate, zweite Schicht unter der Photodioden-Schicht verlagert und vergrößert. Dadurch soll die maximale Elektronenspeicherkapazität eines einzelnen Pixels verdoppelt, der Dynamikbereich erweitert und das Rauschen reduziert werden können. Diese Vorteile resultieren aus den größeren Verstärkertransistoren im Vergleich zu herkömmlichen Stacked-CMOS-Sensoren, bei denen die Transistoren kleiner gehalten werden müssen, um Platz zu sparen.
Dies wirkt sich vor allem auf das Rauschen bei wenig Licht positiv aus. Vermutlich wird der neue Aufbau zunächst wieder bei Sensoren für Smartphones zu finden sein und erst später bei größeren Bildwandlern für Kameras. Dies zeigt jedoch, dass das Potenzial der Stacked-Technologie noch lange nicht ausgeschöpft ist und wir in Zukunft noch leistungsfähigere Sensoren erwarten können.
Häufig gestellte Fragen zu Stacked Sensoren
Was bedeutet "Stacked Sensor"?
"Stacked" bedeutet auf Englisch "gestapelt". Bei einem Stacked-Sensor sind die verschiedenen Funktionsebenen des Sensors, wie die Photodioden und die Auslese-Elektronik, in mehreren Schichten übereinander angeordnet, anstatt nebeneinander oder nur in einer einfachen Schicht.
Warum sind Kameras mit Stacked Sensor oft teurer?
Die Herstellung von Stacked-CMOS-Sensoren ist technologisch aufwendiger und komplexer als die Produktion traditioneller Sensoren. Dies führt zu höheren Produktionskosten, die sich im Endpreis der Kameras niederschlagen.
Welche Hauptvorteile bieten Stacked Sensoren für Fotografen?
Die Hauptvorteile sind die extrem hohe Auslesegeschwindigkeit, die sehr hohe Bildraten bei voller Auflösung ermöglicht, ein deutlich besser nutzbarer elektronischer Verschluss ohne störende Rolling-Shutter-Effekte oder Banding bei Kunstlicht sowie eine schnellere und präzisere Autofokus- und Belichtungsnachführung.
Sind Stacked Sensoren nur für Profis relevant?
Aktuell finden sich Stacked Sensoren hauptsächlich in Kameras im oberen Preissegment, die oft von Profis oder ambitionierten Enthusiasten genutzt werden. Die Vorteile wie hohe Serienbildgeschwindigkeit und der perfekte elektronische Verschluss sind besonders in Bereichen wie Sport- und Actionfotografie oder Reportage wichtig. Allerdings zeigen Modelle wie die Sony RX100-Serie, dass die Technologie auch in Premium-Kompaktkameras für anspruchsvolle Hobbyfotografen eingesetzt wird. Es ist wahrscheinlich, dass die Technologie in Zukunft auch in günstigere Kamerasegmente vordringen wird.
Fazit: Die Zukunft gehört der Schnelligkeit
Stacked-CMOS-Sensoren kommen bei immer mehr Digitalkameras zum Einsatz, die Gründe dafür sind einleuchtend. Der mehrschichtige Aufbau sorgt für diverse Vorteile und kann den Aufnahme-Erfolg deutlich verbessern. Die Vorteile einer spiegellosen Systemkamera, also die prinzipiell mögliche lautlose Aufnahme und die praktisch unbegrenzt hohe Bildrate (jeweils dank fehlendem Spiegel), lassen sich mit Stacked-CMOS-Sensoren noch besser ausnutzen.
Die extrem schnelle Auslesung revolutioniert die Leistung von Kameras. Sie ermöglicht nicht nur Serienbildgeschwindigkeiten, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren, sondern macht auch den elektronischen Verschluss zu einem echten Werkzeug, das bedenkenlos eingesetzt werden kann. Rolling Shutter und Banding gehören bei diesen Sensoren der Vergangenheit an. Auch die Präzision von Autofokus und Belichtung profitiert enorm von der schnellen Informationslieferung des Sensors.
Es stellt sich daher nur die Frage, wann Stacked-CMOS-Sensoren auch in Kameras unterhalb der absoluten Profi-Klasse (ausgenommen sind die 1,0-Zoll-Modelle wie die RX100) zum Einsatz kommen und nicht, ob dies der Fall sein wird. Die technologische Entwicklung, wie die angekündigten Sensoren mit 2-Schichten-Transistor-Pixel, zeigt, dass das Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft ist. Stacked Sensoren sind ein entscheidender Schritt in Richtung schnellerer, flexiblerer und leistungsfähigerer Kameras.
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