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Hallo zusammen,
ich möchte den technikinteressierten unter euch an dieser Stelle einmal einige Technologien der α-Kameras im Detail vorstellen.
Solltet ihr spezielles Interesse an einer bestimmten Technologie aus den DSLR-Kameras von Sony haben, so lasst es mich wissen - ich werde versuchen die gewünschten Informationen zu liefern. Gerne könnt ihr im Tech-Treff auch eure eigenen Themen einstellen.
So, und nun geht's los mit dem ersten Thema:
(Bild 1)*Der "Exmor" CMOS-Sensor*
Sony entwickelte den "Exmor" CMOS Sensor mit einer speziellen Analog/Digital-Wandlertechnologie, um Bilder mit einer hervorragenden Detailgenauigkeit und geringem Rauschen zu realisieren. Der Sensor kombiniert die Geschwindigkeit des CMOS-Sensors mit den fortschrittlichen, qualitativ hochwertigen Technologien, die während der Entwicklung der CCD-Sensoren gesammelt wurden. Als Ergebnis zeigt sich eine verbesserte Leistung in Bezug auf Auflösung und Geschwindigkeit.
Ein Hochleistungs-Bildsensor muss neben einer hohen Empfindlichkeit auch ein geringes Rauschverhalten aufweisen. In einem "Exmor" CMOS-Sensor, werden die Pixel, die Signal-Ausleseprozesse, die Analog-Digital-Wandlung und die Steuerung in einem einzigen Chip zusammengefasst. Durch die Optimierung der einzelnen Prozesse und dem Zusammenspiel der Schaltkreise, konnten bisher unvereinbare Ziele bezüglich Geschwindigkeit und Bildqualität erreicht werden.
*Optimiertes Pixel-Design für hohe Empfindlichkeit*
Wenn sichtbares Licht auf einen Bildsensor fällt, werden Elektronen durch einen photoelektrischen Effekt erzeugt, die sich im Silizium der Photozelle sammeln. Die Empfindlichkeit wird durch verlustfreie Erfassung des Lichts und dessen effiziente Umwandlung in Elektronen erhöht. Pixel in einem Bild-Sensor müssen über eine Photodiode und zahlreiche Funktionen verfügen, wie Beispiel Start und Ende der Signalerfassung, Auslesen einer Pixelauswahl und selektives Pixelauslesen. Jedes Pixel besteht aus einer Photodiode und Transistoren, um die verschiedenen Aufgaben zu erfüllen. Die Empfindlichkeit kann durch Änderung der Transistor-Struktur und deren Anordnung sowie dem Vergrößern der Photodiodenfläche verbessert werden. Höchste Priorität bei der Entwicklung des "Exmor" CMOS-Sensors war das Optimieren der Pixel.
Neben der Verwendung von größeren Photodioden zur Erhöhung der Empfindlichkeit war es wichtig ein System zur präzisen Lichtführung zu entwickeln, um das Licht möglichst genau und verlustfrei auf die Photodiode zu leiten. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines Pixels. Von oben nach unten, besteht jedes Pixel aus einer On-Chip-Mikro-Linse, einem On-Chip-Farbfilter, einer inneren Linse, der Verdrahtung und der Photodiode. Die On-Chip-Mikro-Linse und die innere Linse lenken das Licht exakt auf die Photodiode eines einzelnen Pixels mit einem Durchmesser von weniger als 2 µm. Der dazwischen liegende Farbfilter schränkt die Übertragung des Lichts auf das rote, grüne oder blaue Farbspektrum ein. Zwischen innerer Linse und Fotodiode liegt die Verdrahtungsebene. Ist diese zu dick, kann sie das Licht abschwächen oder zerstreuen, wodurch ein Teil des Lichts die empfindliche Fläche der Fotodiode nicht mehr erreicht. Durch die Verwendung von Kupfer (Cu), war Sony in der Lage, die Dicke der Verdrahtungsebene zu reduzieren, sodass das Licht effektiver und verlustfreier zur Photodiode weitergeleitet wird.
+(Bild 2)Abbildung 1: Querschnitt eines Pixels+
*Reduzierung von Rauschen*
Wie effektiv die Signale auch immer erzeugt werden, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis kann nicht erzielt werden, wenn es bereits in dieser Stufe zu Rauschen kommt. Fehler im Silizium können zu einer thermischen Anregung der Elektronen führen, die sich dann als Dunkelstromrauschen (Rauschen, das in auch in der Dunkelphase auftritt) bemerkbar macht. Unter bestimmten Bedingungen kann sogar das Rauschen eines einzelnen Elektrons im Bild sichtbar werden. Da sich Verunreinigungen im Silizium nicht ausschließen lassen, hat das Eliminieren des Dunkelstromrauschens eine extrem hohe Priorität bei der Entwicklung eines Bildsensors. Dies wird durch die Minimierung von Defekten und Verunreinigungen während der Produktion und durch das Abschirmen von Zonen, die anfällig für Defekte sind, erreicht.
*Optimierte Analog/Digital-Wandlung für verbesserte Geschwindigkeit*
Der Schlüssel zu mehr Geschwindigkeit liegt in der parallelen Signalverarbeitung. CMOS-Sensoren verfügen über Analog-Digital-Wandler, die die analogen Pixel-Signale in digitale Signale konvertieren (Abbildung 2). Die Geschwindigkeit wird durch die Anordnung Tausender dieser Schaltungen in einer horizontalen Matrix und deren gleichzeitigem Betrieb erhöht. Die A/D-Wandler der CMOS-Sensoren von Sony verfügen außerdem über einige wichtige Eigenschaften, wie zum Beispiel einer sehr geringen Größe der analogen Schaltkreise in denen Rauschen entstehen kann, sowie einer automatischen Rauschunterdrückung. Dank dieses Schaltungs-Designs kann eine hohe Geschwindigkeit mir reduziertem Rauschen ermöglicht werden.
*Arbeitsweise* *eines konventionellen CMOS Sensors:*
+(Bild 3)+
*Arbeitsweise* *des Exmor CMOS Sensors:(Bild 4)*+Abbildung 2: Parallele A/D-Wandlung+
Pixel-Signale werden von den zugeordneten Transistoren der Millionen Pixel ausgegeben. Diese können jedoch Unterschiede in Ihrer Schwellspannung aufweisen. Diese Unterschiede können eliminiert werden, indem man nur das Original-Pixel-Signal (VSIG) ausliest. Dies geschieht, indem man die Differenz zwischen dem ursprünglichen Wert (Reset Ebene, VRST) jedes Transistors und dem Signalpegel, der dem einfallenden Licht (VSIG + VRST) entspricht, durch korrelierte Doppelabtastung (Correlated Double Sampling > CDS) ausliest. Die CMOS-Sensoren von Sony führen diesen CDS-Prozess mittels digitaler Signalverarbeitung durch.
+(Bild 5)Abbildung 3: Zeitlicher Ablauf der A/D-Wandlung+
# Der Reset-Pegel (VRST) wird, während der Zähler nach unten zählt, ausgelesen (primäre digitale Abtastung).
# Nach dem Auslesen des Reset-Pegels wird der Signalpegel (VSIG + VRST) erfasst, indem der zuvor gespeicherten Wert des Zählers schrittweise erhöht wird (sekundäre digitale Abtastung).
# Die Netto-Signalwert (VSIG) wird durch Subtraktion des Reset-Pegels (VRST) von dem zuletzt ermittelten Wert (VSIG + VRST) ermittelt. Dieses digitale Subtraktion Verfahren kann auch verwendet werden, um unterschiedliche Eigenschaften der Komparatoren in jeder Spalte zu eliminieren. Hierdurch wird eine schnelle A/D-Wandlung mit minimalem Rauschen gewährleistet.
*Zukünftige Herausforderungen*
Bildsensoren werden in Video- und Digitalkameras eingesetzt. Im Videokamera-Markt gibt es eine starke Verlagerung zu High Definition-Modelle, während im digitalen Fotokamera- sowie im Mobiltelefonmarkt die Auflösung der Sensoren weiterhin steigt, und digitale Spiegelreflexkameras immer beliebter werden. Sony wird diese Entwicklung weiterhin durch eine entsprechende Entwicklung der CCD- und CMOS-Sensoren unterstützen. Höherer Auflösungen bedeuten jedoch gleichzeitig kleinere Pixel. Die Empfindlichkeit ist jedoch in der Regel proportional zur Pixelfläche und nimmt ab, wenn die Pixelgröße reduziert wird. Dank der Kenntnisse und Erfahrungen aus der CCD- Entwicklung ist es Sony gelungen, die abnehmende Empfindlichkeit, die durch höhere Auflösungen der Sensoren auftritt, zu kompensieren. Das zukünftige Ziel ist, die Geschwindigkeit und Auflösung zu steigern, während die Empfindlichkeit gleichbleibt. Dies wird durch spezielle Verfahrenstechniken, Schaltungstechniken und Bildverarbeitungstechnologien erzielt.
Abbildung 4 zeigt eine Sequenz von Bildern, die mit dem „Exmor“ CMOS-Sensor aufgenommen wurden. Das Ziel von Sony ist, Technologien zu entwickeln, mit denen der Anwender Bilder oder Videos aufnehmen kann, ohne sich dabei Gedanken machen zu müssen, in welchem Modus sich die Kamera befindet.
+(Bild 6)Abbildung 4: Eine Bildsequenz, die einen platzenden Wasserballon zeigt+
Schöne Grüße aus Berlin
Peter
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Hallo Hans,
ein gewisses Grundrauschen bleibt bei jedem Sensor - die Frage ist nur, wie man im weiteren Verlauf der Signalverabeitung damit umgeht bzw. welche Prioritäten man bei der Signalverarbeitung setzt.
Um es einmal gan grob auszudrücken: Wenn ich das Rauschen auf Biegen und Brechen reduziere gehen mir die Details verloren - setze ich auf zu viele Details, habe ich Rauschen im Bild (wie gesagt, diese Darstellung ist sehr einfach). Der eigentliche Prozess ist eine difizile Gratwanderung findet in der Signalaufbereitung statt.
Meine Empfehlung: Immer im RAW & JPG-Modus arbeiten - so hat man später noch die Möglichkeit, die Sensordaten entsprechend am PC zu entwickeln und zu beeinflussen. Die JPG Bilder kann man vorweg schon mal Out-Of-Cam nutzen, sofern sie etwas geworden sind.
Schöne Grüße aus Berlin
Peter
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Habe ich das richtig verstanden, die technische Errungenschaft der Sensoren ist Kupferdraht?
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Hallo basa_one,
ja, genau - dies ist eine der technologischen Erungenschaften - die ist allerdings nicht ganz so trivial, da man sich das Ganze einmal im µm Bereich vorstellen muss - da gibt es ganz neue Gesetztmässigkeiten und Regeln, die man so gar nicht kennt. Eine Wissenschaft für sich.
Schöne Grüße aus Berlin
Peter
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Hallo Frederik,
ich habe Deine Fragen mal in einem neuen Thread beantwortet - ich hoffe sie helfen Dir bei Deiner Entscheidung 
https://club-sonus.sony.de/forum/thread.jspa?threadID=6931
Schöne Grüße aus Berlin
Peter
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Hi,
1000 Dank, Peter!
War auch für mich als Videografen sehr interessant. Noch schöner wäre ein ähnlicher Post im Bereich Camcorder für den Exmor R z.B. der FDR-AX100
Grüße
darkframe
0online
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