Ist High-ISO an der physikalischen Grenze?

Mir ist aufgefallen, dass fast alle aktuellen KB-Kameras mit 20~24 Pixel das gleiche Endergebnis im High-ISO-Bereich erzielen. Lediglich die Sony Alpha 7S (12MPixel) scheint auffallend besser abzuschneiden.

Ist die maximal mögliche ISO-Empfindlichkeit schon erreicht?

Zapilon schrieb:

Ist die maximal mögliche ISO-Empfindlichkeit schon erreicht?

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Im Sinne der Frage, ist die Antwort sicher "nein".

Wobei man zunächst mal sagen sollte, was man unter "maximal möglich"
versteht.

Es ist möglich ein Inputsignal beliebig weit zu verstärken ... daher ist
es auch möglich eine beliebig hohe Iso-Einstellung zu erreichen.

Ist das aber auch sinnvoll? Beim Verstärken des Inputsignals wird ja nicht nur
die echte Messgrösse verstärkt, sondern auch Rauschen des Sensors.
Möglicherweise kann ich das Sensorrauschen in gewissem Umfang
herausrechnen, wenn ich seine charakteristischen Eigenschaften kenne,
beliebig weit geht das aber nicht. Ich komme also irgentwann an den Punkt,
an dem das Rauschen (oder andere Störungen) das eigentliche Signal immer
mehr überdecken. Und ab dann ist keine weitere Steigerung der Iso-
Einstellung mehr sinnvoll (wohl aber möglich).

Erst durch eine rauschärmere Technologie ist dann auch eine weitere
sinnvolle Steigerung der Iso möglich.

Da auch Wärmerauschen ab einer gewissen Empfindlichkeit eine Rolle spielt,
landest du irgentwann bei gekühlten Sensoren. Vermutlich könnte man
angeben, bis wohin man die Iso-Empfindlichkeit steigern kann, wenn man
Sensoren bei Raumtemperatur annimmt.

RainerT schrieb:

Es ist möglich ein Inputsignal beliebig weit zu verstärken ... daher ist
es auch möglich eine beliebig hohe Iso-Einstellung zu erreichen.

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Es gibt definitiv eine Grenze. Licht sind Photonen, d.h. halbe Photonen gibt es nicht.

Zapilon schrieb:

Es gibt definitiv eine Grenze. Licht sind Photonen, d.h. halbe Photonen gibt es nicht.

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Eben. Irgendwann ist Schluss mit dem Photonenstrom; es sind dort, wo man höhere ISOs braucht, ja nur noch 'ne Handvoll Photonen pro Pixel. Und ein einzelnes Pixel kann man nicht entrauschen...

C.

Zapilon schrieb:

Es gibt definitiv eine Grenze. Licht sind Photonen, d.h. halbe Photonen gibt es nicht.

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Ja, aber ich kann die Existenz eines Photons auf der Inputseite auf der
Outputseite als 1, 10, 100, 1000, oder 1000000000000000000 darstellen.

Die halben Photonen zielen eigentlich nur auf die mit dem Sensor
erreichbare Dynamik.

CUA schrieb:

Und ein einzelnes Pixel kann man nicht entrauschen...

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...aber kühlen!

Zapilon schrieb:

Es gibt definitiv eine Grenze. Licht sind Photonen, d.h. halbe Photonen gibt es nicht.

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Auf der Analogseite ist es natürlich nicht sinnvoll, mehr zu verstärken, als dass ein einzelnes Photon pro Pixel schon volles Signal gibt. Digital kann man (unter Auflösungsverlust durch Skalieren oder Entrauschen) weiter verstärken und damit nominell auf höhere ISO-Werte kommen (zumindest bei passend gewählter Definition). Selbst wenn man 0,001 Photonen pro Pixel erwartet, bedeutet das ja, dass im Schnitt einer von 1000 Pixeln von einem Photon getroffen wird. Erst bei weniger als 1 erwartetem Photon auf dem gesamten Sensor wird's von der Theorie her sinnlos. Da wären wir mindestens bei ISO 1 000 000 000 000.

Fotografisch ist natürlich längst vorher Schluss. Wann genau, hängt von den fotografischen Ansprüchen (Auflösung, persönl. Rauschtoleranz, …) ab.

Für meinen Geschmack ist auch bei ISO 100000 im mittleren Tonbereich bei den modernen KB-Bayer-Sensoren das Photonenrauschen schon zu stark und insofern die physikalische Grenze überschritten. Je nach Anwendung muss das aber jeder selbst entscheiden.

Abhilfe würde in diesem Bereich nur eine höhere Photoneneinfangquote (also im Endeffekt Erhöhung der Basis-Empfindlichkeit der Sensoren) etwas bringen. Da scheint sich allerdings nicht viel zu tun. Hier wird es außerdem noch schwieriger, eine physikalische Grenze zu definieren, denn eine Erhöhung der Empfindlichkeit lässt sich relativ leicht durch eine schlechtere Farbwiedergabe erreichen (Bayer-Filter weglassen).

L.G.

Burkhard.

burkhard2 schrieb:

Abhilfe würde in diesem Bereich nur eine höhere Photoneneinfangquote (also im Endeffekt Erhöhung der Basis-Empfindlichkeit der Sensoren) etwas bringen. Da scheint sich allerdings nicht viel zu tun. Hier wird es außerdem noch schwieriger, eine physikalische Grenze zu definieren, denn eine Erhöhung der Empfindlichkeit lässt sich relativ leicht durch eine schlechtere Farbwiedergabe erreichen (Bayer-Filter weglassen).

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Ohne Bayer-Filter liegt die Quanteneffizienz aktueller, Mikrolinsen-bestückter Sensoren im Luminanz-relevantesten, grünen Spektralbereich bei ca. 40-70%. Mit Farbmaske liegt sie in den "Grünpixeln" nicht allzu weit darunter. Es wäre also physikalisch maximal noch eine Verdopplung des Photoneneinfangs denkbar. Dies würde bei sonst identischen Parametern (insbes. einer unveränderten full well capacity) in der Tat eine Erhöhung des basis-ISO um Faktor 2 bedeuten. Wenn man die Farbauszüge jeweils einzeln auf drei Sensoren registrieren könnte, dann käme nochmals die Flächenverdopplung für Grünpixel zum Tragen, was wiederum Faktor 2 beim nutzbaren Photoneneinfang bedeuten würde - in diesem Fall jedoch ohne Einfluss auf den basis-ISO.

Sony verbaut seit der A7s "dual gain"-Technologie in ihre Sensoren; bei der A7s-Serie wird bei ISO2000 die Signalverstärkung geändert, bei A7rII und A9 bei ISO640. Wie sich das im Vergleich äußert, kann man z.B. bei DPReview anschauen, wobei man da vor allem auf das Schwarz (bzw. nicht mehr so wirklich Schwarz) achten sollte.

Balaleica schrieb:

Sony verbaut seit der A7s "dual gain"-Technologie in ihre Sensoren ...

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Das ist ja nichts Außergewöhnliches. Alle nicht ISO-less arbeitende Sensoren haben "multi-gain"-Ausleseelektroniken, bei denen das Ausleserauschen mit steigendem ISO typischerweise abnimmt.

Wenn man z.B. hier (http://www.photonstophotos.net/Charts/RN_e.htm) mal die Canon 5D Mark III klickt, dann erkennt man sehr gut, dass alle drei Drittelstufen ein anderer Gain eingesetzt wird, um einerseits bei niedrigem ISO die nachfolgende Ausleseelektronik (A/D-Wandler oder eine zweite Gainstufe) nicht zu sättigen und anderer seits bei hohem ISO auf ein geringst mögliches Ausleserauschen zu kommen. Dies ergibt so lange hinreichend saubere Bilder, wie man nicht extreme Schatten stark aufhellt. Das klare Gegenteil ist die Nikon D7100, die mit ihrem Toshiba-Sensor nahezu perfekt ISO-less, also ohne Änderung des Gain-Verhaltens arbeitet und dabei dennoch ein erstaunlich geringes Ausleserauschen - und damit die hervorragende Dynamik bei niedrigem ISO - erzielt.

Bei Sony hatte man in einigen Modellen (z.B. a6000, a7r) ebenfalls halbwegs ISO-less gearbeitet, parallel dazu (a7s) bzw. bei Nachfolgemodellen (a6300, a7rII) aber auch die zweistufige Variante gezückt. Eine dritte Stufe bei "synthetischen ISO-Werten" (bzw. die einzige Stufe bei der D7100) dürfte einer digitalen Rauschfilterung anzulasten sein und kann erst mal ignoriert werden. BTW: Fuji hat bei W-Pro2, X-T2, X-T20 eine ganz ähnliche Charakteristik.

Was noch betont werden sollte, ist das Absolutniveau des Ausleserauschens. Man ist mittlerweile zumindest in den höheren ISO-Bereichen bei 0,8-2 Elektronen Ausleserauschen angekommen - Werte, von denen man bei (sauteuren) wissenschaftlichen CCD-Kameras vor 15 Jahren nur träumen konnte. Dies hat zur Folge, dass zumindest bei normal kurzen Belichtungszeiten der "shot noise", also das stochastische Photonenrauschen, bis in hohe und höchste ISO-Werte die dominierende Rauschquelle bleibt und wir uns in Zusammenschau mit den ordentlichen Quanteneffizienzen den echten physikalischen Grenzen schon ziemlich weit angenähert haben. I.a.W.: so arg viel geht da bei einem gegebenen Sensorformat gar nicht mehr!

Mi67 schrieb:

Das ist ja nichts Außergewöhnliches. Alle nicht ISO-less arbeitende Sensoren haben "multi-gain"-Ausleseelektroniken, bei denen das Ausleserauschen mit steigendem ISO typischerweise abnimmt.

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Das dual-gain bei der A7s ist Teil der Pixeltechnologie. Üblicherweise ist die Signalverstärkung an der Stelle fix und wird dann erst für den ADC entsprechend aufbereitet. Aufgrund der Signalquellen-nahen Verarbeitung bekommt man dort eine deutlich sichtbare praktische Aufwertung; ich kann mit der A7s bei ISO6400 ca. 3 Blenden in den Schatten rumwühlen. Das kannst Du mal mit anderen KB-Kameras probieren. Soll heißen, wenn es schnell gehen muß oder die Lichtverhältnisse schnell variieren, kann ich eher mit Fokus auf die Lichter belichten und den Rest im Nachgang wieder hochziehen. Das kannst Du mal mit diversen 24MPix-Kameras probieren, von den 36MPixern ganz zu schweigen (aka kannste knicken). Ich hatte ja auch schon den Vergleichs-Link gepostet: Die A9 zeigt dort die kleinste Farbverschiebung in den dunklen Bildteilen. Es gibt also Unterschiede, die sich durchaus praktisch bemerkbar machen.

Vor den ADCs findet ja dann nochmal eine Verstärkung statt, schließlich möchte man den ADC möglichst vollumfänglich aussteuern. Bei der D810 ("ISO-less", aber bei genauerem Hinsehen auch nur in Grenzen) läuft die wohl in 2 Schritten; Bill Claff hat dazu irgendwas auf seinen Seiten hinterlegt. aber das findet eben nicht mehr im Pixel selbst statt.

Ihr könntet doch versuchen, ein sehr lichtschwaches Objekt in einem verdunkelten Raum zu fotographieren.
Dabei Grauglasfilter verwenden, um das auf den Kamerasensor fallende Licht
(Photonen) immer mehr zu reduzieren.
Nikon hat doch eine spezelle Astrokamera herausgebracht, die D810A.
Ihr könnt dann das Rauschen bzw. Nutzsignal Eurer Kamera mit dieser D810A vergleichen und dann könnte man noch den Sensor kühlen und wiederum das Signal-Rauschverhältnis bestimmen.
Am besten würde wohl funktionieren, wenn man lange Belichtungszeiten macht, ohne den Sensor zu übersteuern und dann immer das gleiche Objekt fotographiert,
und dann diese einzelnen Bilder übereinanderlegt (phasenrichtig aufaddiert).
Nachdem das Rauschen ja nicht korreliert ist, könnte man dadurch das Signal-Rauschverhältnis stark verbessern.
Soche Experimente könne einem dann leicht die Grenzen der derzeit verfügbaren Kamera - Sensoren aufzeigen.
Wenn man dann in naher Zukunft Kamerasensoren aus "Black Silicon" herstellt,
könnte ein "Quantensprung" in der Empfindlichkeit gegenüber heutiger Technologie erreicht werden.

RainerT schrieb:

Ja, aber ich kann die Existenz eines Photons auf der Inputseite auf der
Outputseite als 1, 10, 100, 1000, oder 1000000000000000000 darstellen.

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Das ändert ja aber nichts. Ich denke wenn die Frage gestellt wird, “ob ISO am Ende sei”, denn geht es darum, ob der erreichbare Signal/Rauschabstand nicht mehr weiter gesteigert werden kann.