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Grundlagen : Einfach erklärt: Der CMOS-Bildwandler und seine Sensel

von Di, 30.September 2014


Jeder Kamera-Sensor (egal ob CMOS oder CCD) besteht aus vielen kleinen Photodioden, die messen können, wie viel Licht auf sie trifft. Diese PixelPixel im Glossar erklärt nennt man eigentlich korrekt und eindeutig Sensel. Für die weiteren Erklärungen darf man sich diese einzelnen Sensel wie quadratische Eimer vorstellen, die nebeneinander zu einer Fläche angeordnet sind:



Auf diese Eimerfläche trifft Licht in Form von Lichtteilchen (Quanten oder Photonen, aber das geht an dieser Stelle zu weit). Im Sensel werden aufgrund eines photoelektrischen Effekts negativ geladene Elektronen in dem Verhältnis abgegeben (gelöst), in dem Photonen aufgenommen (absorbiert) werden. Bildlicher dargestellt: Je mehr Lichtteilchen sich im Sensel-Eimer sammeln, desto mehr Strom gibt der Sensel-Eimer ab:



Das Verhältnis von Photonen zu abgegebenen Elektronen ist weitgehend linear. Es wird jedoch nicht jedes Teilchen in ein Elektron (e-) umgewandelt, sondern nur ein bestimmter Prozentsatz. Der Begriff Quanteneffizienz beschreibt nichts anderes, als wie viel Prozent der Lichtteilchen vom Sensor in Elektronen umgewandelt werden können. Eine Quanteneffizienz von 33% sagt, dass nur jedes dritte Teilchen tatsächlich ein Elektron losstößt. Eine Effizienz von 100% sagt dagegen, dass wirklich jedes Lichtteilchen auch ein Elektron auslöst. Typische Sensoren haben eine Quanteneffizienz von 30-60%. Für unsere weiteren Überlegungen ignorieren wir die Quanteneffizienz, bzw. nehmen an, dass sie bei unserem Sensor immer 100 Prozent beträgt.

Je größer die offene Fläche eines Sensel-Eimers ist, desto mehr Lichtteilchen kann er einfangen. Nehmen wir an, in einen Eimer passen maximal 255 Lichtteilchen bei hundertprozentiger Quanteneffizienz. Kommt in der Zeit, in der der ShutterShutter im Glossar erklärt offen ist, kein Lichtteilchen in den Eimer so fließt kein Strom und das Sensel bleibt dunkel. Können dagegen Lichtteilchen eingesammelt werden, so kann der Sensor 255 verschiedene Helligkeitszustände unterscheiden, je nachdem wie viele Lichtteilchen er in der Zeit des Shutters einsammeln konnte. Ist das Motiv an dieser Stelle aber sehr hell, so können auch mehr als 255 Lichtteilchen in dem Eimer fallen. Da der Eimer voll ist, kann er diese nicht mehr aufnehmen und somit auch nicht zusätzlich zählen und in Strom umwandeln. Diesen Zustand des Sensels nennt man gesättigt. Der Wert, bei dem der gesättigte Zustand eintritt wird Full Well Kapazität bezeichnet. Er kann in der Menge der Elektronen e- angegeben werden, die ein Sensel maximal abgeben kann.

Wird die Full Well Kapazität überschritten, clippt das Sensel. Bei unserem einfachen Sensormodell können als "Stromwert" also nur maximal 255 e- ausgeben werden, auch wenn für eine realistische Abbildung noch mehr Lichtteilchen hinzugezählt werden müssten. Wie wir ja früher erklärt haben, könnte unser Sensel mit einer Full Well Kapazität von 255 e- in der Theorie also maximal 8 Blendenstufen erfassen.

Eine schöne Schätzung über die Full Well Kapazität diverser Sensoren findet sich hier: Auch wenn man über Exaktheit dieses Modells streiten kann, sieht man dass der typische Full Well-Bereich (Max Saturation capacity (e-)) eines Sensels zwischen ca. 5.000 e- und 100.000 e- liegt. Dieser Wert korreliert sehr stark mit der Größe des Sensels. Also je größer die Sensel-Fläche desto größer dieser Full Well/Sättigungs-Wert.

Die Ströme des Sensels müssen natürlich nach jeder Belichtung in digitale Werte gewandelt werden, dafür ist der ADC (Analog-to-Digital-Converter)  zuständig. Er wandelt die Elektronen in der Regel linear ein einen digitalen Wert um. Sieht man sich unter diesem Aspekt die Full Well-Werte der Sensel noch einmal an, so würde für alle aktuellen Sensoren maximal ein 18 BitBit im Glossar erklärt ADC Wandler ausreichen. Denn dieser könnte bis zu 218 = 262.144 Helligkeitswerte darstellen, mehr als alle Sensoren in der obigen Aufstellung von Sensorgen. Hiermit könnte man selbst bei einer Sony A7s Full-Frame-Kamera tatsächlich jedes Elektron in jedem Sensel exakt zählen und digital speichern.

In der Praxis bringen jedoch zusätzliche Datenleitungen im Sensor auch Signal-Probleme mit sich, weshalb man als Hersteller immer einen Mittelweg zwischen Datenleitungen und Bildqualität finden muss. Im professionellen Bereich besitzen Sensoren meistens 12 BitBit im Glossar erklärt oder 14 BitBit im Glossar erklärt ADCs. Diese Werte limitieren somit logischerweise die maximal mögliche Dynamik eines Sensors. Ein 12 BitBit im Glossar erklärt ADC kann maximal 12 Blendenstufen linear abbilden, ein 14 BitBit im Glossar erklärt ADC eben maximal 14. Aktuell sind Sensoren mit mehr als 14 BitBit im Glossar erklärt ADCs in handelsüblichen Kameras kaum zu finden. Diese 12Bit- oder 14Bit-Sensel-Daten sind übrigens auch schon exakt die Werte, die man in einer RAW-Datei wiederfindet. Wenn eine Kamera also nur 12 Bit-RAW-Dateien schreiben kann, kann diese nicht mehr als 12 Blendenstufen speichern. (Darauf werden wir u.a. im nächsten Artikel noch einmal eingehen).

Doch es gibt noch andere wichtige Effekte. Auch wenn gar kein Lichtteilchen in den Eimer fällt lösen sich gelegentlich ein paar Elektronen. Dies kann mehrere Ursachen haben, die wir an dieser Stelle nicht näher erläutern wollen. Relevante Begriffe sind hier Dunkelrauschen, Ausleserauschen, Schrotrauschen oder auch das Photonenrauschen. Wichtig ist eigentlich nur, dass eben nicht immer Lichtteilchen im festen Verhältnis zu Elektronen umgewandelt werden, sondern es finden sich immer ein paar Teilchen mehr oder weniger im Eimer. Diese zusätzlichen oder fehlenden Teilchen nennt man NoiseNoise im Glossar erklärt, bzw. das Rauschen. Und dieses Rauschen verfälscht natürlich die Messung.

Nehmen wir an, unser Sensel "verzählt" sich durch das Rauschen zwischen 0 und 8 Lichtteilchen. Wenn das Sensel nur insgesamt 255(= 8 Bit) Lichtteilchen aufnehmen kann, wäre der Rauschanteil am gesamten Signal somit ziemlich hoch. Wenn das Sensel jedoch größer ist und z.B. 16.383 (= 14 Bit) Lichtteilchen bis zur Sättigung fassen kann, so sind 8 Teilchen Unterschied in Relation zum Gesamtsignal vergleichsweise gering.

Für das weitere Verständnis wollen wir annehmen, dass wir das Rauschen genau bestimmen könnten, nämlich in Elektronen, die maximal zu viel oder zu wenig im Eimer landen und dadurch das Ergebnis verfälschen. Angenommen wir hätten einen Full Well Wert von 16.384 e- und 8 e- Rauschen, dann könnten wir aus dem Sensor 2.048 brauchbare Werte auslesen/gewinnen. Dieser Bereich wird auch als das nutzbare Signal, bzw. kurz Nutzsignal bezeichnet.

Die Formel für das Nutzsignal wäre in unserem theoretischen Fall einfach



Dies würde dann 11 BitBit im Glossar erklärt bzw. 11 Blendenstufen Dynamik bedeuten, da der Sensor um das Rauschen reduzierte 2048 Helligkeitsunterschiede unverfälscht ausgeben kann.

Der Full Well Wert korreliert stark mit der Senselgröße. Das Rauschen ist dagegen stark vom Sensordesign abhängig. Um also mehr Dynamik aus einem Sensor zu bekommen, kann man entweder die Sensel vergrößern, oder versuchen, das Rauschen zu verringern. Und damit nicht auch noch euer Kopf rauscht, belassen wir es für heute hierbei. Im nächsten Artikel werden wir sehen, warum es trotzdem oft Probleme gibt, wenn man versucht die Dynamik als vergleichbare Zahl zu schreiben.


  

[4 Leserkommentare] [Kommentar schreiben]   Letzte Kommentare:
Frank B.    11:10 am 2.10.2014
Ich finde es gut, wenn man als Amateurfilmer auch mal ein wenig an die Hand genommen wird und in einfachen Worten Zusammenhänge erklärt bekommt, die dem Nichtfachmann nicht klar...weiterlesen
rudi    10:56 am 2.10.2014
Geboren ist die Idee eigentlich aus dem Versuch einen wirklich verständlichen Log-Artikel zu schreiben. Dabei fiel mir auf, dass man wirklich bei Adam und Eva anfangen muss um...weiterlesen
Frank B.    09:15 am 2.10.2014
Ich schließe mich an. Danke für diesen Artikel. Wenn man kein Physiker oder Elektroniker ist, sind einem diese Zusammenhänge ja nicht klar, dennoch aber wissenswert für jeden...weiterlesen
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