Was bringt die nächste Sensorgeneration?
Die Weiterentwicklung der Sensortechnologie erfolgt recht gemächlich, aber das noch neue Jahr könnte einige Neuerungen bringen. Was wäre hier möglich und was davon wäre erstrebenswert?
Zu Beginn des Jahrhunderts schaute man vor allem auf die Megapixel, denn die Auflösung der Sensoren blieb lange Zeit ungenügend. Man brauchte nie weit in die Bilder hinein zu zoomen, bevor sich hässliche Pixeltreppchen zeigten. Heutzutage ist das kein Problem mehr, und höhere Sensorauflösungen werden von vielen Fotografen eher skeptisch gesehen. Sony baut schon seit Jahren APS-C-Sensoren mit 40 Megapixeln, und würden sie Kleinbildsensoren auf Basis derselben Technologien anbieten, hätten diese mehr als 90 Megapixel. Im Mittelformat (44 mm × 33 mm) wären rund 160 Megapixel möglich. Und das ist noch gar nichts, verglichen mit den winzig kleinen Pixeln der Smartphone-Sensoren; würde man diese auf das Kleinbild- oder Mittelformat skalieren, landete man weit im Gigapixelbereich.
Aber während sich die die 40-MP-APS-C-Sensoren in Kameras wie Fujis X-T5 und X-E5 bewährt haben, bleibt der Praxisnutzen noch größerer Sensoren mit derselben Pixeldichte zweifelhaft. Die Zahl der Pixel steigt quadratisch mit der Sensordiagonalen, die der parallel digitalisierenden A/D-Wandler aber nur linear, und so würde die verlängerte Auslesezeit den Sensor ausbremsen. Wenn ein „rollender“ elektronischer Verschluss dann noch praktikabel bleiben soll, muss die Digitalisierung noch stärker parallelisiert werden, denn wenn man den A/D-Wandlern weniger Zeit dafür gäbe, würde das Rauschen zunehmen und der Dynamikumfang sinken. Höhere Sensorauflösungen werden früher oder später kommen, aber das ist einerseits an eine verbesserte Technologie für das Auslesen und Digitalisieren der Sensordaten gebunden und stößt andererseits auf eine nur geringe Nachfrage.
Vor Jahrzehnten wurde schon vorgerechnet, dass 6 Megapixel eigentlich für alle Zwecke ausreichten, denn wenn man ein Foto aus einem normalen Betrachtungsabstand anschaut, der der Bilddiagonalen entspricht, könnte man ohnehin keine noch feineren Details eines höher aufgelösten Bildes erkennen. Diese 6-Megapixel-Kampagne wird heute oft belächelt, aber die Rechnung war valide und die Argumentation korrekt. Man könnte nur einwenden, dass die effektive Auflösung eines mit Farbfiltern im Bayer-Muster aufgenommenen Bildes aufgrund der nötigen Interpolation fehlender Farbdaten geringer ist und nur etwa der halben Pixelzahl (nicht zufällig die Zahl grünempfindlicher Sensorpixel) entspricht. Für wirklich aufgelöste 6 Megapixel sollte man daher besser einen 12-Megapixel-Sensor nutzen. Oder gleich einen Sensor mit 20 bis 26 Megapixeln, was ja das im Systemkameramarkt verfügbare Minimum ist. Damit bleibt einem auch noch viel Spielraum, den Bildausschnitt so zu optimieren, wie es die Komposition oder ein vorgegebenes Seitenverhältnis erfordern. Selbst Billboards mit einer Diagonale von mehreren Metern benötigen im Grunde nicht mehr, da man sie normalerweise aus entsprechend größerem Abstand betrachtet, und wenn man selbst den Vorwitzigen, die näher herantreten, keine Pixel zeigen will, kann man das Bild per KI hochskalieren. Das Oversampling mit einem noch höher auflösenden Sensor bringt zwar noch ein Quäntchen mehr an Bildqualität, aber das bleibt auch erhalten, wenn man das Bild am Ende auf eine geringere Auflösung von beispielsweise 24 Megapixel herunterrechnet.
Die Kunden der Kamerahersteller fragen ohnehin seltener nach einer höheren Auflösung als nach Verbesserungen bei Dynamikumfang und Rauschabstand. Beide Parameter hängen zusammen, denn es ist das Rauschen, das den Dynamikumfang zu den Schatten hin begrenzt. Was könnte sich in diesem Bereich künftig noch tun? Fangen wir damit an, was sich bereits getan hat, um klarzustellen, wo die Sensortechnologie derzeit steht.
Der zweite Faktor, der den Dynamikumfang begrenzt (diesmal zu den hellsten Lichtern hin), ist die Speicherkapazität der Sensorpixel für elektrische Ladungen. Wenn diese Full-Well Capacity erreicht ist, nützt es nichts, wenn noch mehr Licht auf das Pixel trifft, denn die davon freigesetzten Elektronen finden keinen Platz mehr.
Den höchsten Dynamikumfang zeigt ein Sensor, wenn man seine Kapazität maximal ausnutzt, ihn also mit seiner Grundempfindlichkeit belichtet. Diese liegt durchweg zwischen ISO 80 und 200. Versuchte man, mit einer niedrigeren ISO-Empfindlichkeit noch mehr Licht zu sammeln, würden die Ladungsspeicher überfließen und die Lichter ausfressen. Mit einer höheren ISO-Empfindlichkeit dagegen werden weniger Photonen und Elektronen gesammelt, als es möglich wäre, und der Dynamikumfang schrumpft bei den Schatten, die immer stärker von Rauschen überlagert werden. Davor kann einen keine Sensortechnologie bewahren, da ja schon das Licht selbst verrauscht ist (das sogenannte Photonenrauschen), und bei höheren ISO-Werten ist das die wichtigste Quelle von Rauschen. Die Illustration oben zeigt den typischen Verlauf des Dynamikumfangs in Abhängigkeit vom ISO-Wert, wie er sich auch in den Messwerten bei Photons to Photos spiegelt: Oberhalb der Grundempfindlichkeit fällt der Dynamikumfang stetig ab; darunter nimmt er nicht weiter zu, da zwar das Rauschen in den Schatten abnimmt, dafür aber bildwichtige Lichter abgeschnitten werden.
Bei neueren Sensoren sieht diese Kurve noch etwas anders aus, denn bei einem mittleren ISO-Wert zwischen ISO 500 und 800 zeigt sich ein charakteristischer Knick, der auf eine Umschaltung des Conversion Gain hinweist: Da die Speicherkapazität der Sensorpixel bei diesen ISO-Stufen ohnehin nur zu einem Bruchteil ausgenutzt würde, werden die Ladungsspeicher dann künstlich verkleinert. Je kleiner die Kapazität, desto höher ist die gemessene elektrische Spannung bei gleicher Ladung, und diese „Verstärkung“ verringert das Rauschen. Fast alle aktuellen Kameras nutzen Sensoren mit einem solchen Dual Conversion Gain (DCG), wie sie ursprünglich Aptina entwickelt und dann an andere Hersteller lizenziert hat. Sie bieten mit einer hohen Full-Well Capacity einen großen Dynamikumfang im niedrigen ISO-Bereich, der dank der Umschaltung auf eine verringerte Kapazität bei höheren ISO-Werten nicht mehr so stark abfällt. Das ist der aktuelle Stand der Technik, hinter dem kaum ein Hersteller zurückbleibt.
Vereinzelt sieht man aber bereits Kameras mit Sensoren der nächsten Entwicklungsstufe wie die Panasonic Lumix S1 II und die Sony Alpha 7 V mit 24 beziehungsweise 33 Megapixeln. Deren partiell gestapelte Sensoren lesen die Pixel bei ISO-Stufen unterhalb des Umschaltpunkts für den Conversion Gain zweimal aus, einmal mit niedrigem und dann noch einmal mit hohem Conversion Gain, und kombinieren beide Werte. Diese Technik des Dual Gain Output (DGO) verbessert den Dynamikumfang bei allen ISO-Werten, statt nur im höheren ISO-Bereich wie bei DCG-Sensoren. Wer allerdings auf bessere Bildergebnisse in Available-Light-Situationen hofft, wird enttäuscht, denn dabei hat DGO gegenüber DCG keinen Vorteil. Außerdem ist die doppelte Auslesung nur möglich, wenn man den mechanischen Schlitzverschluss benutzt; wer den lautlosen elektronischen Verschluss bevorzugt, muss darauf verzichten. Trotz dieser Einschränkungen kann man DGO-Sensoren generell empfehlen, denn unter geeigneten Bedingungen haben sie einen deutlich höheren und in anderen Situationen zumindest keinen geringeren Dynamikumfang als herkömmliche Sensoren. Die komplexere Ausleseelektronik macht eine zumindest teilweise gestapelte Sensorarchitektur nötig, was ihren Einsatz bislang auf wenige Kameramodelle beschränkt hat; das könnte sich aber noch in diesem Jahr ändern.
Aber ist das alles? Was fehlte noch, um den Dynamikumfang noch weiter zu vergrößern? Theoretisch wäre es denkbar, die Lichtempfindlichkeit der Sensorpixel zu verbessern, so dass bei gleicher Helligkeit mehr Elektronen gesammelt werden. Diesen Faktor bezeichnet man als Quanteneffizienz. Eine höhere Quanteneffizienz würde die Kurve nach rechts verschieben: Der maximale Dynamikumfang bei der entsprechend höheren Grundempfindlichkeit bliebe gleich, während er bei größeren ISO-Werten zunehmen würde.
Leider ist das Verbesserungspotential hier schon weitgehend ausgeschöpft. Wie viel Licht den einzelnen Pixeln und dem Sensor im Ganzen zur Verfügung steht, hängt ja von der lichtempfindlichen Fläche ab, und wir müssen mit den Photonen auskommen, die überhaupt auf den Sensor treffen – gegebenenfalls können wir uns für ein lichtstärkeres Objektiv entscheiden, das bei offener Blende mehr Licht auf den Sensor bringt. Der wichtigste Bremsklotz bei der Quanteneffizienz besteht in den roten, grünen und blauen Farbfiltern über den Sensorpixeln, wobei die blauen Filter am wenigsten Licht durchlassen. Ein monochromer Sensor mit klaren Filtern verbessert die Lichtempfindlichkeit um etwa eine Blendenstufe, aber eben um den Verlust der Farben. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, in jedem Sensorpixel alle Wellenlängen zu registrieren und trotzdem noch Farben zu unterscheiden, aber nur eine dieser Technologien hat die Marktreife erlangt, die mittlerweile von Sigma produzierten Foveon-Sensoren, und diese sind trotzdem nicht besonders lichtempfindlich und für hohe ISO-Werte eher schlechter geeignet als Sensoren mit Farbfiltern.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit bestünde in einer Vergrößerung der Full-Well Capacity, also größeren Ladungsspeichern in jedem Pixel. Der Effekt wäre eine niedrigere Grundempfindlichkeit, und bei diesem neuen, niedrigeren ISO-Wert würde der Dynamikumfang steigen. Allerdings nur an dieser Stelle, denn bei den höheren ISO-Stufen täte sich nichts. Trotzdem würde dies sicher von allen Studiofotografen begrüßt, die immer für genug Licht sorgen und dann die niedrigste verfügbare Empfindlichkeiten wählen können. Sony hatte schon vor Jahren gestapelte Sensoren vorgestellt, bei denen die Transistoren eines Pixels auf zwei Schichten verteilt sind. Damit wird auch mehr Platz für die Ladungsspeicher geschaffen, aber diese Technologie bleibt bislang kleinen Smartphone-Sensoren mit extrem kleinen Pixeln vorbehalten.
Ideal wäre natürlich ein Sensor, der sowohl eine verbesserte Quanteneffizienz als auch eine höhere Full-Well Capacity hätte und damit in jeder Situation mehr Dynamikumfang bieten könnte. Der wird aber wohl ein Traum bleiben.
