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Buzzword-Lexikon: Dual Conversion Gain – DCG

Als DP Review jüngst die Bildqualität von Sonys Alpha 9 analysierte – und dabei den Schwachpunkt des neuen Modells identifizierte, nämlich seinen mit rund 12 EV mäßigen Dynamikumfang –, wurde mal wieder der Begriff des Dual Conversion Gain (DCG) ins Spiel gebracht. Aber was ist das überhaupt und wozu ist es gut?

DCG ist eine Technologie, die in mehreren aktuellen CMOS-Sensoren genutzt wird, aber wenn davon die Rede ist, bleibt es meist bei der Nennung des Schlagworts. DP Review (deren ausführliche Analyse von Dynamikumfang und ISO-Invarianz der Sony Alpha 9 Sie hier nachlesen können) verweist auf ein älteres Whitepaper des Sensorherstellers Aptina, das DCG ausführlich erklärt, aber ich bezweifle, dass Fotografen und Bildbearbeiter viel damit anfangen können. Also versuche ich einmal, die Idee dahinter anschaulich zu machen.

mjh im Pool mit einer Blondine (zirka 1965). Keine Ahnung, warum es nicht zum James Bond gereicht hat. Buzzword-Lexikon: Dual Conversion Gain – DCGArchimedes soll sein „Eureka!“-Erlebnis in der Badewanne gehabt haben, und auch dem Verständnis der DCG-Technik hilft es, das Badewasser einzulassen. Wenn die Wanne voll ist, steigen Sie ein, und da Sie Wasser verdrängen, steigt nun der Wasserspiegel – falls die Wanne schon zu voll war, läuft das Wasser über. Generell gilt: Je weniger Platz in der Wanne bleibt, desto höher ist – bei gleicher Wassermenge – der Wasserspiegel. Am Ende des Bades machen Sie es vielleicht wie ich – Sie steigen aus der Wanne, ziehen den Stöpsel und überlassen es der Schwerkraft, für den Abfluss des Wassers zu sorgen. Probieren Sie beim nächsten Bad doch einmal etwas anderes: Ziehen Sie den Stöpsel, während Sie noch in der Wanne sitzen, und bleiben Sie sitzen, bis das Wasser vollständig abgelaufen ist. Auf diese Weise leert sich die Wanne deutlich schneller. Der Grund dafür ist, dass Sie mit Ihrem Körper Wasser verdrängen, das folglich steigen muss, und der höhere Wasserspiegel erhöht den Druck, mit dem das Wasser durch den Abfluss gepresst wird. Also: Je kleiner der Platz in der Wanne, desto höher der Druck und desto schneller entleert sich die Wanne.

Sobald Sie sich diese Zusammenhänge praktisch (beim nächsten Wannenbad) oder zumindest theoretisch klar gemacht haben, verfügen Sie auch über alle nötigen Grundlagen, um DCG zu verstehen.

Im Bildsensor und seinen Pixeln geht es nicht um Wasser, sondern um Licht und elektrische Ladungen, doch verhalten sich diese ganz ähnlich. Während einer Aufnahme treffen Lichtteilchen (Photonen) auf die Pixel, und die Energie der absorbierten Photonen setzt Elektronen-Loch-Paare frei. Die Elektronen werden in den Pixeln gesammelt und die Zahl der gesammelten Elektronen (die elektrische Ladung) ist ein Maß für das Licht. (Übrigens könnte man – kein Scherz! – statt der Elektronen auch die Löcher sammeln. Man könnte auch Elektronen und Löcher sammeln, aber üblicherweise beschränkt man sich eben auf die Elektronen.) Die Ladungsspeicher der Pixel haben eine begrenzte Kapazität für Elektronen, die als Full well capacity bezeichnet wird.

Wenn die Sensorpixel nach dem Ende der Belichtung ausgelesen werden, misst und digitalisiert man nicht die gesammelte Ladung, sondern die elektrische Spannung. Zur Veranschaulichung können wir uns auf die Badewannen-Analogie beziehen: Je voller die Wanne und je höher der Wasserspiegel, desto größer ist der Wasserdruck am Abfluss, und wenn die elektrische Ladung der Wassermenge entspricht, dann entspricht der Wasserdruck der Spannung.

Traditionell gilt es als erstrebenswert, Sensorpixel mit einem möglichst großen Ladungsspeicher zu bauen, die möglichst viele Elektronen aufnehmen können. Solche Sensorpixel müssen dafür entsprechend große Abmessungen haben, und wenn man nicht zugunsten großer Pixel auf eine hohe Auflösung verzichten will, erfordern sie große Sensoren. Die Attraktivität großer Pixel mit großen Ladungsspeichern beruht darauf, dass sie das Photonenrauschen minimieren, also das Rauschen des Lichts. Dessen Anteil am Signal hängt von der Zahl absorbierter Photonen und gesammelter Elektronen ab, und die einzige Chance, es zu verringern, besteht darin, möglichst viel Licht zu sammeln, was wiederum große Ladungsspeicher erfordert. Ein Teil der Attraktivität von Kleinbild- und Mittelformatsensoren gegenüber solchen im APS-C- oder FourThirds-Formfaktor rührt eben daher, dass die größeren Sensoren größere Sensorpixel möglich machen.

Tatsächlich zeigt sich der Vorteil großer Ladungsspeicher aber nur dann, wenn man entsprechend der Grundempfindlichkeit des Sensors belichtet, die typischerweise zwischen ISO 100 und 200 liegt. Die Ladungsspeicher werden dann während der Belichtung gut gefüllt, ohne dass Pixel an den hellsten Stellen im Bild bereits überlaufen. Anders sieht es jedoch aus, wenn Sie einen höheren ISO-Wert wählen. Die Kamera belichtet dann knapper und es werden entsprechend weniger Photonen eingefangen und Elektronen gesammelt. Ein geringes Photonenrauschen stellt sich nicht schon ein, weil man viele Elektronen sammeln kann, sondern nur dann, wenn man es auch tut – und bei hohen ISO-Werten tut man es eben nicht. Auch eine nachträgliche Verstärkung ändert nichts daran, denn sie verstärkt das Rauschen ebenso wie das Signal; deren Verhältnis bleibt im besten Fall dasselbe. Der Vorteil der großen Pixel beschränkt sich dann darauf, dass ihre größere Fläche von mehr Photonen getroffen wird.

Bei hohen ISO-Werten bringen große Ladungsspeicher nicht nur keinen Vorteil mehr; sie sind sogar von Nachteil. Erinnern wir uns an die Badewanne: Wenn in der Wanne weniger Platz ist, steigt bei gleicher Wassermenge der Druck am Abfluss. Entsprechend ist die Spannung bei gleicher Zahl von Elektronen höher, wenn der Ladungsspeicher kleiner ist und weniger Elektronen aufnehmen kann – kleinere Ladungsspeicher haben einen höheren Conversion Gain. Eine höhere Spannung verringert das Ausleserauschen, und damit haben kleine Ladungsspeicher einen Vorteil: Bei hohen ISO-Werten ist das Photonenrauschen ebenso stark wie bei großen Pixeln, aber da das Ausleserauschen kleiner Pixel wegen des höheren Conversion Gain niedriger ist, schneiden sie insgesamt besser ab.

Buzzword-Lexikon: Dual Conversion Gain – DCG

Bei einem kleineren Ladungsspeicher steigt die Spannung während der Belichtung schneller (blau) als bei einem größeren Ladungsspeicher (rot). Quelle: Aptina

Wenn man also viel Licht zur Verfügung hat und mit einem niedrigen ISO-Wert belichten kann, wünscht man sich Sensorpixel mit großen Ladungsspeichern, um das Photonenrauschen zu minimieren, bei hohen ISO-Werten dagegen kleinere Ladungsspeicher, die das Ausleserauschen reduzieren. Dual Conversion Gain bedeutet nun, dass man die Größe des Ladungsspeichers umschalten kann. Bei niedrigen ISO-Werten schaltet ein Transistor in jedem Pixel einen zusätzlichen Ladungsspeicher hinzu, der die Full well capacity vergrößert. Bei höheren ISO-Werten wird dieser Ladungsspeicher abgeschaltet und der Sensor damit auf einen hochempfindlichen High Conversion Gain umgeschaltet, der auch bei wenig Licht für hohe Spannungen und ein niedriges Ausleserauschen sorgt.

Die Sony Alpha 9 hat einen Sensor, bei dem die Umschaltung zwischen ISO 500 und 640 erfolgt. Wenn man mit ISO 400 arbeitet, obwohl man weiß, dass man die Schatten später im Raw-Konverter aufhellen muss, ist das Ergebnis suboptimal. Bei ISO 800 und einem höheren Conversion Gain bekäme man rauschärmere Bilder. Und das gilt nicht nur für dieses Modell. Auch die Alpha 6300 verwendet DCG (die Alpha 6000 dagegen nicht), und ebenso die Alpha 7S und Alpha 7 R Mark II. Die Umschaltung erfolgt dabei an unterschiedlichen Stellen, bei der Alpha 6300 zwischen ISO 320 und 400, bei der Alpha 7S zwischen ISO 1600 und 2000 und bei der Alpha 7R Mark II wiederum zwischen ISO 500 und 640. Sensoren mit DCG haben gewissermaßen zwei Grundempfindlichkeiten und bei schlechten Lichtverhältnissen wählen Sie zweckmäßigerweise den ISO-Wert, bei dem die Umschaltung in den High Conversion Gain-Modus erfolgt – mit diesem maximieren Sie den Dynamikumfang und minimieren das Rauschen.

Michael J. Hußmann

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  1. sunrisemoon

    Die Bezeichnung „Photonenrauschen“ ist mindestens so unglücklich wie die „Brennweitenverlängerung“. Photonen rauschen nicht. Rauschen ist ein Vorgang, der in jeder elektrischen bzw. elektronischen Schaltung, in allen dazugehörenden Bauteilen, passiert, ob man will oder nicht. Da die geringen Signale verstärkt werden müssen, wird dabei auch der Rauschanteil verstärkt. Bei Schaltungen wird versucht, den Abstand zwischen Rausch- und Nutzsignal möglichst groß zu halten, also den Rauschabstand.
    Photonen rauschen nicht, erst die in Bauteilen ausgelösten Ströme haben einen Rauschanteil. Der ist immer vorhanden, sein Anteil hängt von vielen Faktoren ab. Die Entwickler haben in den letzten Jahren einiges verbessert, doch wird, solange keine neue Sensortechnologie entwickelt wird, vermutlich keine signifikante Verbesserung zu erwarten sein.

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