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Sensorgeflüster: (Nicht viel) Neues vom globalen elektronischen Verschluss

Das Warten auf den globalen elektronischen Verschluss ähnelt immer mehr dem Warten auf Godot – heute kommt er wieder einmal nicht, aber morgen ganz bestimmt. Sony wartet immerhin mit weiteren Details zu einem schon vor fast zwei Jahren vorgestellten Sensor auf.

Zugegeben: Ich bin ja selbst nicht unschuldig daran, die Vorfreude immer wieder angeheizt zu haben. Im Februar letzten Jahres hatte ich über zwei Ansätze in dieser Richtung berichtet, die Panasonic beziehungsweise Sony vorgestellt hatten, und bei dieser Gelegenheit auch die Vorteile eines globalen Verschlusses statt des üblichen Rolling Shutter beschrieben. Was Panasonic betrifft, so soll eine 8K-Videokamera mit einem (teilweise) organischen 36-Megapixel-Sensor im nächsten Jahr einsatzbereit sein, rechtzeitig zu den olympischen Spielen.

Neues vom globalen elektronischen Verschluss
Yusuke Oike von Sony erklärt die Vorteile der gestapelten Sensoren, die Sony entwickelt. (Quelle: Sony)

Sony dagegen setzt weiter darauf, die Zahl der parallel arbeitenden Analog/Digital-Wandler auf dem Sensor zu erhöhen – statt eines A/D-Wandlers pro Pixelspalte, wie es bei CMOS-Sensoren mittlerweile Standard ist, soll jedes einzelne Sensorpixel einen eigenen Wandler bekommen. Die Idee an sich ist alt und wurde schon in den 80er und 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts formuliert, wird aber erst jetzt praktisch einsetzbar. Die wesentliche Grundlage ist die Kombination mehrerer Schichten zu einem gestapelten (stacked) Sensorchip. Die oberste Schicht enthält die lichtempfindlichen Fotodioden, die Licht sammeln und Elektronen freisetzen, die in Ladungsspeichern gesammelt werden. Die A/D-Wandler finden ihren Platz in einer weiteren Schicht und eine dritte Schicht enthält einen Pufferspeicher für die digitalisierten Pixelwerte – die massiv parallele Digitalisierung aller Sensorpixel zur selben Zeit erzeugt mehr Daten, als sie der Prozessor der Kamera verarbeiten könnte, weshalb erst die Pufferung der Daten dieses Funktionsprinzip möglich macht.

Neues vom globalen elektronischen Verschluss
Der Aufbau eines Sensors mit drei Schichten (Quelle: Sony)

Der im Februar 2018 vorgestellte Sensor hat allerdings nur eine vergleichsweise bescheidene Auflösung von 1,46 Megapixeln, und auch der Vortrag von Yusuke Oike (Deputy Senior General Manager und Distinguished Engineer bei Sony) auf der diesjährigen VLSI-Konferenz bezieht sich weiterhin auf diesen Sensor – von den rund 50 Megapixeln, die bei Kleinbildsensoren Stand der Technik sind, ist das noch ein ganzes Stück entfernt und eher als proof of concept einzuschätzen.

Neues vom globalen elektronischen Verschluss
Mit einem A/D-Wandler pro Pixel steigt zwar der Stromverbrauch, aber die Zeit, in der der Sensor viel Strom zieht, wird reduziert. (Quelle: Sony)

Aber ein Punkt ist dann doch interessant: Yusuke Oike sagt, dass die Vervielfachung der Zahl der A/D-Wandler den Stromverbrauch und damit auch die Abwärme reduziert. Das scheint zunächst der Intuition zu widersprechen, denn die Digitalisierung ist für einen großen Teil des Energieverbrauchs eines Sensors verantwortlich und je mehr Wandler es gibt, desto mehr Strom wird benötigt. Tatsächlich ist es aber die Zahl der Sensorpixel, die hier relevant ist, und ein Sensor mit einem A/D-Wandler pro Spalte zieht zwar zu jedem Zeitpunkt weniger Strom, braucht aber viel länger, um alle Pixel zu digitalisieren. Ein Sensor mit einem A/D-Wandler pro Pixel zieht für Sekundenbruchteile deutlich mehr Strom, ist aber viel schneller fertig. Da sich Wärme relativ langsam ausbreitet, macht sie sich möglicherweise erst störend bemerkbar, nachdem die Belichtung längt beendet und der Sensor bereits ausgelesen ist. Zwischen den Aufnahmen bleibt dann genug Zeit, um die entstandene Wärme abzuführen.

Ein Drei-Schichten-Sensor mit einer zeitgemäßen Auflösung wäre sicherlich interessant, aber momentan setze ich eher auf Panasonics organischen Sensor, der neben einem globalen elektronischen Verschluss auch noch einen regelbaren ND-Filter realisiert. Das nächste Jahr sollte die Entscheidung bringen, welchem Konzept die Zukunft gehört.

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Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

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