Streng vertraulich!

Hintergrundbericht "Sensor Roadmaps"

2006-07-18 Im vergangenen Monat Mai (2006) hat Sony die aktuelle DSC-T30 vorgestellt. Statt der 6 Megapixel des Vorgängermodells hat diese Kamera nun 7 Megapixel. An diese Art der Modellpflege haben wir uns mittlerweile schon gewöhnt; alle neun Monate wird noch ein Megapixel "draufgeklatscht", eine Ecke geändert und dem Gehäuse vielleicht eine neue Farbe verpasst. In diesem Fall ist es jedoch interessant, den Sony Super HAD CCD Sensor einmal etwas genauer unter die Lupe zu nehmen. Denn an seinem Beispiel lässt sich das unter Kamerakonstrukteuren und -herstellern geläufige, aber weithin unbekannte Prinzip der so genannten "Sensor Roadmaps" gut darstellen.  (Wilfried Bittner)

Größenvergleich Feinstaubpartikel (links) mit einem Pixel von 1,875 µm Seitenlänge [Foto: Wilfried Bittner]Der Sony Super HAD CCD Sensor ist nur 1/2.5“ groß und damit derzeit der kleinste 7- Megapixel-Sensor auf dem Markt. Das Datenblatt des Sensors liegt nicht vor, aber aus den Eckdaten lässt sich eine Pixelgröße von 1,875 µm Seitenlänge errechnen. Das ist ein neuer Rekord der Miniaturisierung. Zur besseren Veranschaulichung: Was im Bild 1 wie eine mittelalterliche Kanonenkugel und ein Stück Würfelzucker aussieht, das ist ein Größenvergleich zwischen einem mikroskopisch kleinen Feinstaubpartikel (10 µm Durchmesser) und einer vereinfachten Darstellung eines Pixels mit eben dieser Seitenlänge von 1,875 µm. Und wenn man dann auch noch bedenkt, wie so ein Pixel aufgebaut ist, dann kann man nur noch bewundernd den Kopf schütteln. Damit wird auch klar, warum Digitalkameras im Reinraum montiert werden müssen. Feinstaub, normaler Staub oder gar ein Haar auf dem Sensor wären eine kleine Katastrophe.

eine Gruppe von 100 Pixeln auf einem winzigen Stück Kopfhaar [Foto: Wilfried Bittner]Apropos Haar: Wenn man ein typisches Kopfhaar abschneidet, dann haben auf seiner Querschnittsfläche etliche dieser Pixel Platz. Wie viele – 50? 100? Falsch: 2200 Pixel kämen darauf unter! So verloren sieht z.B. eine Gruppe von 100 Pixeln auf einem winzigen Stück Kopfhaar aus. Nachdem wir also ein bisschen ein Gefühl für die winzigen Dimension haben, wollen wir doch einmal den Pixeln unter die "Motorhaube" schauen.

Block von 16 Pixeln, aufgeschnitten (Schema) [Foto: Wilfried Bittner]Die folgenden Grafik zeigt einen Block von 16 Pixeln, aufgeschnitten. Um das einfallende Licht so gut wie möglich auszunutzen, verwenden manche Sensoren (wie z. B. der Super HAD CCD Sensor von Sony) einen Doppelkondensor. Neben der üblichen Mikrolinse kommt hier noch eine zusätzliche innere Mikrolinse zum Einsatz.

Das Problem bei den Mikrolinsen sind dunkle Bildecken bei Weitwinkelobjektiven. Wenn die Strahlenbündel senkrecht einfallen, dann ist alles in Ordnung. Fallen aber die Strahlenbündel etwas schräg ein, dann verfehlt ein Teil des Lichts die Photodiode. Darum müssen digitale Objektive so weit wie möglich telezentrisch gerechnet werden.

Senkrecht einfallendes Strahlenbündel  [Grafik: Wilfried Bittner] Schräg einfallendes Strahlenbündel  [Grafik: Wilfried Bittner]


Chart verschiedener Digitalkameras [Grafik: Wilfried Bittner]Es sind im Wesentlichen drei Firmen, die CCD-Sensoren herstellen: Panasonic, Sharp und Sony. Für CMOS-Sensoren gibt es weit mehr Hersteller, da keine so spezialisierten Prozesse notwendig sind. Es herrscht ein ständiger Wettlauf um die meisten Megapixel auf der kleinsten Fläche, und das nach Möglichkeit auch noch mit dem geringsten Bildrauschen. Die folgende Grafik zeigt den fundamentalen Zusammenhang zwischen Sensorgröße, Pixelgröße und Anzahl von Megapixeln.

Zu der Grafik mit den Sensorgrößen ist noch eine Anmerkung nötig: Die gestrichelte rote waagerechte Gerade im unteren Bereich ist die physikalische Auflösungsgrenze optischer Systeme für sichtbares Licht. Es wäre also sinnlos, die Pixel kleiner als 0,6 µm zu machen, selbst wenn es technisch machbar wäre. Bei der Fotografie kann man halt nicht auf kurzwelliges Licht ausweichen (wie z. B. bei der Blue-Ray Disk oder bei der UV-Lithographie), denn die Kamera soll ja genau das aufzeichnen, was unser Auge sieht.

CCD "Sensor Roadmap" [Grafik: Wilfried Bittner]Um die Kamerahersteller früh genug darauf vorzubereiten, was demnächst zum Einbau erhältlich sein wird, gibt es die streng vertraulichen Sensor Roadmaps.

In der Grafik rechts ist eine fiktive Roadmap für Stehbildkamera-CCDs dargestellt, aber so sehen Sensor Roadmaps im Prinzip immer aus. Jede Sensorgröße hat ihren Entwicklungspfad, und es gibt auch separate Roadmaps für Camcorder und für CMOS-Sensoren.

Lassen wir uns überraschen, was die nächsten Sensorgenerationen bringen werden. Den Ingenieuren fallen zum Glück immer wieder neue Lösungen ein.

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