Wissen: 5 Unterschiede zwischen CCD- und CMOS-Sensoren

Der Sensor ist einer der wichtigsten – und oft missverstandenen – Bestandteile jeder Digitalkamera. Die große Mehrheit der Kameras verwendet entweder einen CCD- (Charge-Coupled Device) oder einen CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Mitte der 2000er Jahre begannen die Kamerahersteller, die CCD-Sensoren zugunsten von CMOS-Sensoren auslaufen zu lassen. Aber was ist der Unterschied zwischen CMOS- und CCD-Sensoren? Warum greifen manche Fotograf:innen auf ältere Kameras mit CCD-Sensoren zurück? In diesem Artikel erläutern wir die Geschichte der Sensoren, ihre Vor- und Nachteile und wie sie sich auf die Bilder auswirken – von Rolling Shutter und Video bis hin zu Belichtung und Farbwiedergabe.

Bis in die frühen 2000er Jahre hatten die meisten Kompaktkameras einen CCD-Sensor. Nicht nur digitale Kompaktkameras, sondern so gut wie jede Digitalkamera. Seitdem haben CMOS-Sensoren ihre CCD-Gegenstücke verdrängt. Einige Fotograf:innen, die an die Überlegenheit der mit dieser älteren Technologie erzeugten Bilder glauben, halten jedoch nach wie vor an CCD-Sensoren fest.

Die gängige Meinung ist, dass CCD-Sensoren eher filmische, organisch wirkende Bilder erzeugen, während CMOS-Bilder eher klinisch und charakterlos wirken. Aber wie viel Wahrheit steckt in dieser Theorie? 

Wir haben eine Reihe von Fotos in einer kontrollierten Studioumgebung aufgenommen, um die von beiden Sensoren erzeugten Bilder zu vergleichen. Wir haben Kameras wie die Fujifilm FinePix S5 Pro, Nikon D200 und Nikon D80 mit CCD-Sensoren sowie die Canon EOS 300D, die Canon EOS 400D und die Sony A7S III mit CMOS-Sensoren verwendet.

Über CCD- und CMOS-Sensoren

Schauen wir uns zunächst an, wie CCD- und CMOS-Sensoren unterschiedlich funktionieren. Zu Beginn ist die Aufnahme eines Fotos bei CMOS- und CCD-Sensoren gleich. Lichtteilchen treffen auf eine Reihe lichtempfindlicher Zellen und erzeugen elektrische Ladungen. Der Unterschied besteht darin, wie der Sensor die Daten liest und in ein digitales Signal umwandelt. Und jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. 

Smearing

Wenn ein CCD-Sensor ein Bild aufnimmt, wird die Ladung entlang einer Reihe von Pixeln – vertikal – durch eine Reihe von Kondensatoren übertragen. Sobald sie den Rand des Sensors erreichen, wird die Ladung ausgelesen. Wenn die Szene eine zu helle Lichtquelle enthält, wird die Ladung nicht abgeschlossen. Dies führt dazu, dass sich in den betroffenen Zeilen überschüssige Ladung ansammelt und helle Striche auf dem Bild erscheinen, das sogenannte “Smearing”. Ein Beispiel für dieses Problem siehst du unten. 

Bei CMOS-Sensoren hingegen wird jedes Pixel einzeln ausgelesen – die Ladung wird nicht entlang der Zeilen übertragen. Der Ausleseprozess ist auch schneller, so dass die Gefahr einer unvollständigen Ladungsübertragung geringer ist. Daher sind CMOS-Sensoren weit weniger anfällig für vertikales Smearing.

Rolling-Shutter-Effekt

Der "Rolling-Shutter-Effekt" sorgt dafür, dass bei sich schnell bewegenden Motiven Verzerrungen auftreten. Der Rolling-Shutter-Effekt wirkt sich sowohl auf Fotos als auch auf Videoaufnahmen aus – am deutlichsten bei längeren Verschlusszeiten von spiegellosen Kameras mit elektronischem Verschluss. Rolling Shutter kann auch bei mechanischen Verschlüssen auftreten, ist aber in der Regel weniger auffällig als bei elektronischen Verschlüssen.

Bei CMOS-Sensoren haben die Objekte im Bild ihre Position bereits verändert, bevor die Kamera die Sensorauslesung abgeschlossen hat. Dieser Effekt kann beim Filmen von sich schnell bewegenden Objekten, bei schnellen Schwenks oder beim Filmen von blinkenden Lichtern sichtbar werden.

Normalerweise verwenden CCD-Sensoren einen Global Shutter, der den gesamten Sensor in einem Durchgang belichtet. Auch das Auslesen erfolgt gleichzeitig (wenn auch zeilenweise). Diese beiden Faktoren tragen dazu bei, den Rolling-Shutter-Effekt in den fertigen Bildern zu verringern.

Heutzutage verfügen einige Kameras – wie die Sony PMW-F5, die Blackmagic Design Production Camera 4K EF und die Blackmagic Design Ursa Mini 4K EF – über CMOS-Sensoren mit Global Shutter. Die ersten CMOS-Sensoren mit Global Shutter im Vollformat finden jetzt ihren Weg in weit verbreitete Digitalkameras, wie die Sony A9 III.

Bildrauschen

Der offensichtlichste Unterschied liegt für mich im Rauschmuster. Stark unterbelichtete Bereiche auf den frühen CMOS-Kameras haben ein starkes, festes Rauschmuster. Bei den CCD-Kameras sieht es viel angenehmer und organischer aus.

Belichtung

Die CCD-Kameras kamen auch etwas besser mit Überbelichtungen zurecht. Wir haben die Belichtung um zwei Stufen gesenkt. Man sieht zwar das Clipping der Glanzlichter in allen Bildern, aber es sieht bei den CCD-Kameras etwas besser aus. 

Aber wenn man sich ein Foto ansieht, das mit einem modernen CMOS-Sensor aufgenommen wurde, kommt er sowohl mit Unter- als auch mit Überbelichtung gut zurecht. Hier zeigt sich wirklich der Fortschritt in der CMOS-Technologie.

Farbwiedergabe

Neben den älteren Camcordern gibt es einige Filmkameras, die mit einem CCD-Sensor ausgestattet sind und für ihre "filmische" Bildqualität und "organische" Körnung gelobt werden. Zu diesen Kameras gehören die einzigartige Digital Bolex, die Ikonoskop A-Cam und die Sony F35.

Was die Farbwiedergabe betrifft, so ist sie mit modernen Kameras vergleichbar. Bilder von Canon sind etwas wärmer als die von Nikon. Bilder von CMOS-basierten Canon-Kameras erscheinen in RAW (mit Standardeinstellungen) und JPG gesättigter. Die Bearbeitung dauert nicht lange, so dass sie fast identisch aussehen. 

Es sieht so aus, als hätte es nichts mit dem Sensor in der Kamera zu tun. Stattdessen geht es um die Herangehensweise des Herstellers bei der Farbwiedergabe.

CCD-Sensoren in der technischen Bildgebung

Es gibt nur wenige Bereiche der wissenschaftlichen und technischen Bildgebung, in denen CCD-Sensoren bis vor kurzem einen Vorteil gegenüber CMOS-Sensoren hatten. CCD-Sensoren wurden zum Beispiel bei extrem schwachen Licht und Nahinfrarotaufnahmen verwendet. Dank des technischen Fortschritts können CMOS-Sensoren heute ähnliche oder sogar bessere Ergebnisse erzielen, aber die CCD-Technologie wird nach wie vor für die technische Bildgebung eingesetzt.

Fazit: Die Magie von CCD-Sensoren

Es gibt objektive und subjektive Unterschiede zwischen CCD- und CMOS-Sensoren. Bei diesen Unterschieden geht es nicht so sehr um die Farben – schließlich lassen sich diese in der Bearbeitung anpassen. 

Aufgrund des begrenzten Dynamikbereichs von CCD-Sensoren werden die Glanzlichter geschützt. Daher wirken CCD-Bilder dunkler und filmischer. Außerdem macht die geringere Auflösung die Bilder weicher, weniger steril und analogähnlicher. 

Bei der Verwendung von CCD- und CMOS-Sensoren besteht der Hauptunterschied jedoch in der Nostalgie und der Erfahrung, eine veraltete, weniger perfekte Technologie zu verwenden. Vielen CCD-Fotograf:innen ist der Sensor selbst egal. Stattdessen geht es ihnen um die Qualität der Bilder und die nostalgische Stimmung.

Warum erinnern CCD-Bilder noch an Analogaufnahmen? In den Anfängen der Digitalkameras versuchten die Hersteller, Digitalfotos wie Film aussehen zu lassen. Die frühen digitalen Leica-Kameras ahmten zum Beispiel das Aussehen von Kodak Kodachrome nach. Damals war Analogfotografie noch "überlegen" – und Fotograf:innen waren einfach an ein bestimmtes Aussehen gewöhnt.

Unabhängig davon hat es heute etwas Inspirierendes, ältere Technologie zu verwenden und all ihre Unvollkommenheiten zu akzeptieren.

Fotografierst du nur im JPEG-Format? Dann werden dir die Ergebnisse vieler CCD-Kameras vielleicht mehr zusagen. Aber mit vielen modernen CMOS-Kameras lassen sich großartige Bilder direkt aus der Kamera heraus machen, vor allem mit robusten JPG-Einstellungsoptionen wie bei Fujifilm oder Olympus.

Wenn du im RAW-Format fotografierst, kannst du deine Bilder leicht bearbeiten, um sie "filmischer" aussehen zu lassen – in diesem Fall bietet ein CCD-Sensor keinen rationalen Vorteil gegenüber CMOS.

Bei der Fotografie geht es nicht nur um die wissenschaftlichen Fakten. Wichtig ist, dass man Spaß hat. Wenn dich also eine CCD-Kamera inspiriert, schnapp dir eine und fang an zu fotografieren. Jede Kamera kann in den richtigen Händen ein großartiges Werkzeug sein. 

Möchtest du mehr über ältere Technik erfahren? Lies unseren Artikel über Hasselblad XPan Alternativen oder weitere Ratgeber auf dem MPB-Blog.