Sensorgeflüster: LOFIC
Nein, LOFIC ist nicht nur etwas für Erwachsene, und es handelt sich auch nicht um das Sofa eines schwedischen Möbelhauses – es ist die neueste Technologie, die aktuell auf dem Sensormarkt ist.
LOFIC-Sensoren versprechen, den Dynamikumfang insbesonderer kleiner Sensoren (um ein Zoll) deutlich zu verbessern. Die Osmo Pocket 4P von DJI verwendet einen 1-Zoll-Sensor mit LOFIC-Technologie und Sony hat jüngst den 1/1,28-Zoll-Sensor Lytia L910 angekündigt, den man künftig wohl in diversen Smartphone-Kameramodulen finden wird.
Die Abkürzung LOFIC steht für Lateral OverFlow Integration Capacitor, also etwa Kondensator für die seitliche Überlaufintegration. Falls es noch nicht sonnenklar ist: Gemeint ist, dass dann, wenn der Ladungsspeicher eines Sensorpixels überzulaufen droht, die von den auftreffenden Photonen freigesetzten Elektronen zu einem weiteren Ladungsspeicher daneben umgeleitet werden. Auf den ersten Blick erscheint das plausibel, denn es ist ja der Überlauf der Ladungsspeicher, der die hellsten Bereiche im Bild ausfressen lässt: Wenn es so hell ist, dass der Speicher die gesammelten Elektronen nicht mehr fassen kann, werden noch hellere Tonwerte nicht mehr aufgelöst. Ein zusätzlicher Ladungsspeicher macht aber genau das möglich und erweitert so den Dynamikumfang zu den Lichtern hin.
Doch dann stutzt man: Die Kapazität der Ladungsspeicher ist ja begrenzt, weil eine höhere Kapazität auch einen größeren Platzbedarf nach sich zieht. Je kleiner die Sensorpixel, desto geringer ist der Platz für Ladungsspeicher, die also eine niedrige Kapazität haben und schnell überlaufen. Wo aber sollte es da noch Platz für einen zweiten Ladungsspeicher geben, um den Überlauf aufzufangen? Muss man nicht davon ausgehen, dass der Platz erst dadurch geschaffen wird, dass man den ersten Ladungsspeicher verkleinert?
Anders gefragt: Wenn es unverhofft viel Platz für einen zweiten Ladungsspeicher gibt, warum vergrößert man nicht stattdessen den ersten Speicher, der dann von vornherein nicht so schnell überlaufen würde? Diese Frage zumindest lässt sich einfach beantworten: Weil das bei hohen ISO-Werten Nachteile beim Conversion Gain brächte, also dem Verhältnis von elektrischer Ladung zu elektrischer Spannung. Größere Ladungsspeicher haben den Vorteil, mehr Elektronen speichern zu können und daher die Lichter besser zu differenzieren, dafür aber den Nachteil eines proportional kleineren Conversion Gain: Je größer die Kapazität eines Kondensators, desto niedriger ist die Spannung, die bei einer bestimmten Ladung gemessen und digitalisiert wird. Wenn man mit einem hohen ISO-Wert arbeitet und daher ohnehin wenig Licht auf den Sensor trifft, sind kleine Ladungsspeicher im Vorteil, weil sie eine höhere Spannung erzeugen, die dann mit geringerem Rauschen digitalisiert wird.
Schon vor Jahren haben sich deshalb Sensoren mit Dual Conversion Gain (DCG) durchgesetzt, die zwei Ladungsspeicher pro Pixel haben, einen kleineren und einen größeren. Damit lässt sich der Conversion Gain umschalten. Bei niedrigen ISO-Werten, mit denen viel Licht gesammelt wird, wählt man den großen Ladungsspeicher, der eine möglichst große Ladung fasst, ohne überzulaufen. Bei niedrigen ISO-Werten verwenden die Sensoren nur den kleinen Ladungsspeicher – für die ohnehin kleinen gesammelten Ladungen reicht er aus, und man hat den Vorteil einer höheren Spannung. Übrigens ist Sonys neuer LOFIC-Sensor vom Triple-Conversion-Gain-Typ, kann also zwischen drei Kapazitäten und damit auch drei Stufen des Conversion Gain umschalten.
Als Verfeinerung dieser Technologie beginnt sich derzeit der Dual Gain Output (DGO) durchzusetzen: Im niedrigen ISO-Bereich werden beide Ladungsspeicher genutzt und ausgelesen, womit man bei Empfindlichkeitsstufen nahe der Grundempfindlichkeit noch etwa eine Blendenstufe an Dynamikumfang gewinnen kann; im höheren ISO-Bereich ist aber weiterhin nur der kleine Ladungsspeicher im Spiel, so dass DGO dort keinen Unterschied macht.
Dass Sensorpixel zwei oder mehr Ladungsspeicher haben, zwischen denen je nach Bedarf umgeschaltet wird, ist also schon länger Stand der Technik, aber was machen LOFIC-Sensoren dann anders? Bei Sensoren mit Dual oder Triple Conversion Gain wird vor der Aufnahme zwischen den Ladungsspeichern umgeschaltet, und zwar für alle Sensorpixel einheitlich. Wenn dagegen der Ladungsspeicher eines einzelnen LOFIC-Pixels überzulaufen droht, wird nur in diesem Sensorpixel auf einen anderen Ladungsspeicher umgeschaltet, unabhängig davon, was bei den anderen Pixeln passiert. So ist eine individuelle Anpassung an die jeweilige Helligkeit in einzelnen Bildbereichen möglich. Relevant ist das natürlich nur, wenn den Sensor zumindest in einigen Teilen des Bildes so viel Licht trifft, dass ein Ladungsspeicher überzulaufen droht, was durchweg nur bei niedrigen ISO-Werten passieren kann. Das haben LOFIC- mit DGO-Sensoren gemein, die gegenüber DCG-Sensoren nur nahe der Grundempfindlichkeit überlegen sind, dann aber um eine ganze Blendenstufe.
Ob LOFIC-Sensoren einen Vorteil gegenüber DGO-Sensoren haben, ist eine offene Frage. Bei hohen ISO-Werten ist ein Überlauf von Ladungsspeichern ohnehin kein Thema, und bei niedrigen ISO-Werten bringt die individuelle Behandlung unterschiedlich belichteter Pixel von LOFIC-Sensoren im Vergleich wenig, da DGO-Sensoren ohnehin beide Ladungsspeicher auslesen und daher gar keine Entscheidung zu treffen ist. Vielleicht bringt Sonys Lytia L910 dennoch einen Vorteil – nicht wegen seiner LOFIC-Technologie, sondern weil er zwischen drei statt nur zwei Conversion Gains unterscheiden und seine Pixel daher noch präziser den Lichtverhältnissen anpassen kann. Aktuell beschränkt sich DGO auf das Kleinbildformat und LOFIC auf Sensoren mit 1 Zoll und kleiner; bei Formaten wie APS-C und Mittelformat halte ich derzeit DGO für die gegenüber LOFIC aussichtsreichere Technologie.
