Effizienz der Photodioden

zzzip · 26 August 2008

Gerade ist es ja mal wieder so weit (50D), daß wieder ein Hersteller behauptet die Effizienz der Photodioden seines Sensors verbessert zu haben und argumentiert, daß es dadurch möglich wurde höhere ISO Empfindlichkeit bei niedrigem Rauschen zu realisieren.

Das will mir nicht in den Kopf. Wenn die Empfindlichkeit steigt, dann müßte doch die niedrigste ISO Einstellung, die ohne "Dämpfung" auf digitaler Seite arbeitet, steigen? Ok, man kann natürlich gleichzeitig die Pixel kleiner machen, und so effektiv die auf elektronischer Seite gewonnene Effizienz ausgleichen. Das würde aber wiederum bedeuten, daß bei gleichbleibendem Rauschen der Dioden das Rauschen bei hoher Empfindlichkeit steigt (weniger Signal + konstantes Rauschen = Murks). Eigentlich hat man also die Rauschquellen vermindert, oder Beides, oder?

2dhifi · 26 August 2008

bin kein physiker, aber solange kein anderes material als silizium verwendet wird, kochen alle nur mit wasser, solche argumente sind, gerade in der (semi)profi kategorie wichtig, um den pixelwahn voran zu treiben und garnicht erst einen Gedanken an mehr Rauschen aufkommen zu lassen.
Gerade in dem Segment kommen die Hersteller mit 12mp auf'm aps-c an eine Schwelle, wo ich mir lieber eine slr mit weniger pixeln, und weniger rauschen kaufen würde.

Das Argument, dass die neuste Generation noch lichtempfindlicher ist, und noch rauschärmer, kennt man von den kompakten ja seit jahren und die bilder werden immer rausch und detailärmer

- ich meine subjektiv beim umstieg von der 350d zur 400d schon mehr rauschen gehabt zu haben, und nun 15 auf der 50d - urgs

Timothy Truckle · 26 August 2008

Warten wir doch die ersten Ergebnisse ab - die ISO-Werte sind ja eh nicht genormt. Es könnte jeder Kamerahersteller bei seinen Kameras auch ISO400 als "Startwert" festlegen - ISO100 hat sich aber nun mal vom analogen her "eingebürgert".
Canon spricht ja in seiner Vorstellung auch von (Zitat Heise

....neuen CMOS-Sensors durch neu konzipierte Fotodioden mit effizienteren Mikrolinsen eine erheblich verbesserte Lichtempfindlichkeit ohne Kompromiss bei der Bildqualität....
Wenn man jetzt bei diesen verbesserten Dioden den Nullpunkt - sprich iSO100 runtersetzen kann, ist natürlich nach oben wieder mehr Platz.

bin kein physiker, aber solange kein anderes material als silizium verwendet wird, kochen alle nur mit wasser,

Leider 2x nicht ganz richtig - im Halbleiterbereich wird fast jedes Element des Periodensystems verwendet.
Ausserdem kochen da eh nicht alle mit Wasser; sonst wäre es ja das einfachste die entsprechenden tools zu kaufen und einfach mal mit paar Chips/Sensoren den Markt aufzumischen.

Tschüß tiny

Dande · 26 August 2008

Und selbst wenn Photodioden aus dem gleichen Materialien hergestellt werden, unterscheiden sich ihre Specs deutlich. Nur um mal ein auf die schnelle herangezogenes Beispiel zu nennen:
Schau mal unter http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=285
Da findest du Photodiode, jeweils verschiedene aus dem gleichen Material. Und wenn du dir da die Specs anschaust wirst du feststellen, das die sich tw. deutlich unterscheiden. Bleibt die frage nach dem warum. Hier kenne ich mich leider nicht so sehr aus, aber die Halbleiter werden mit Sicherheit mit irgendwas dotiert sein, und zwar mit mindestens zwei verschiedenen Elementen, sonst würden es keine Photodioden werden. Vermutlich sind es dutzende Elemente die da hinein dotiert werden und dass auch noch in komplizierten räumlichen Verteilungen. Und da ist das Ende der Optimierungen mit Sicherheit noch nicht erreicht. Insbesondere in dem Problem wie sich sowas kostengünstig produzieren lässt.

Deswegen denke ich zwar, dass die Kamerahersteller zwar immer mehr versprechen als wirklich passiert ist, aber es gibt mit Sicherheit verbesserungen am Sensor.

2dhifi · 27 August 2008

Die sensoren die in den kameras verwendung finden, werden wohl auf maximale empfindlichkeit getrimmt sein, außerdem haben die dioden alle unterschiedliche flächen

.

Das mit dem Silizium war mindestens so vereinfacht ausgedrückt, wie dein periodensystem

-

Ausserdem kochen da eh nicht alle mit Wasser; sonst wäre es ja das einfachste die entsprechenden tools zu kaufen und einfach mal mit paar Chips/Sensoren den Markt aufzumischen.

Na klar, aber statt paar Milliarden für ne eigene Fabrik auszugeben, lieber eine eine beauftragen

und wenn ein hersteller den stein der weisen gefunden hätte, um sich eindeutig abzugrenzen, hätte er seit jahren ein Monopol, sicherlich gibt's immer verbesserungen, aber scheinbar nicht so schnell wie die pixelzahlen steigen..

aber mal abwarten, bis die ersten iso 400 bilder kommen, und wenn die cam für ein iso 400 bild so lange belichten muss wie eine 40d mit iso 100, dann wird das auch auffallen

LGW · 27 August 2008

Das will mir nicht in den Kopf. Wenn die Empfindlichkeit steigt, dann müßte doch die niedrigste ISO Einstellung, die ohne "Dämpfung" auf digitaler Seite arbeitet, steigen?

Nein, denn die "höhere Empfindlichkeit" bezieht sich ja letztlich auf eine bestimmte Fläche (ein Pixel der Größe 0,2*0,2 mm ist jetzt um Faktor 1,5 empfindlicher).

Diese höhere Empfindlichkeit (eigentlich ein besserer Rauschabstand) wird dann ja direkt umgesetzt in eine höhere Auflösung, der Pixel schrumpft also, und damit verringert sich natürlich der "Output" des Pixels entsprechend. Unterm Strich bleibt es dann, wenn man einen einzelnen Pixel betrachtet (und damit nicht mehr Empfindlichkeit pro Fläche, sondern eben Empfindlichkeit pro Pixel), eine ziemliche "Nullnummer".

Was genau dabei rausspringt - warten wir's mal ab.

zzzip · 27 August 2008

LGW schrieb:
Nein, denn die "höhere Empfindlichkeit" bezieht sich ja letztlich auf eine bestimmte Fläche...

Das schrieb ich ja schon. Aber der Zoo der Rauschquellen ist nicht überwiegend von der Pixelgröße abhängig. Außerdem sinkt die Full-Well-Kapazität mit der Größe der Pixel. Das ergibt doch im Ganzen weniger Signal bei ungefähr gleichem Rauschen, also Murks. Wenn man es auf die Spitze treibt, wie bei den Digicams, ist der Effekt ja offensichtlich.

Daher die Frage: Eigentlich sollten die Anstrengungen doch (auch) in Richtung weniger Rauschen gehen, oder?

LGW · 27 August 2008

Geht sie ja auch. Die D300 rauscht zum Beispiel trotz 12MP "weniger" als die D50 mit 6MP. Letzthin noch wieder reichlich Bilder bei ISO 2000 gemacht - stimmt wirklich, sie rauscht weniger (und zeichnet selbst dann noch mehr Details, es wird also nicht nur "gebügelt".

Bei der 50D soll es ja wohl so sein, dass die "Größe" der Sensorzellen letztlich verbessert werden konnte, so wie ich das verstanden habe, indem die Mikrolinsen nahtlos(er) aneinander anschliessen. Damit kommt mehr Licht auf die einzelnen Detektoren, und die Singalstärke ist damit relativ größer als bei einem "herkömmlichen" Sensoraufbau, der einfach auf 15MP "verkleinert" worden wäre. Somit ist natürlich der Signal/Rauschabstand auch besser.

So hab' ich das bei dpreview verstanden - wie gut das Ergebnis ist, muss man natürlich erstmal sehen.

zzzip · 27 August 2008

LGW schrieb:
..., indem die Mikrolinsen nahtlos(er) aneinander anschliessen.

Das will ich auch hoffen, unabhängig vom Rauschen, denn jede Lücke in der "Abtastung" versaut Dir die MTF.

Ronald_Stenzel · 27 August 2008

beeinflusst die mikrolinsengrösse wirklich die mtf? sie erhöhen doch nur die effektivität, aber nicht die pixeldichte. und wie sieht es denn bei den nahtlosen mikrolinsen mit "geister"licht zwischen benachbarten linsen aus? ich zumindest bin mal wieder gespannt wie lange nicht mehr, wie sich die neue canon so schlagen wird

cs

zzzip · 27 August 2008

Ronald_Stenzel schrieb:
beeinflusst die mikrolinsengrösse wirklich die mtf?

Die Linsen nicht, aber die Lücken dazwischen. Wenn die Ortfrequenz nur hoch genug ist, finden Details, die bei lückenloser Abtastung noch erfasst würden, Platz in den Zwischenräumen. Das qualitativ selbe Argument gilt für die Bayer-Matrix: Zwischen 2 gleichfarbige Pixel passen halt noch Details, die letztlich verloren gehen, auch wenn geschickte Interpolation den vollen Effekt abmildern kann.

Wackypedia nennt es fill factor.

Frank Klemm · 27 August 2008

zzzip schrieb:
Die Linsen nicht, aber die Lücken dazwischen. Wenn die Ortfrequenz nur hoch genug ist, finden Details, die bei lückenloser Abtastung noch erfasst würden, Platz in den Zwischenräumen.

Sorry, ist aber genau umgedreht.

Vollständig überdeckende Mikrolinsen ergeben die geringste Ortsauflösung (-4 dB an der Nyquistgrenze), eine punktförmige Abtastung die beste Ortsauflösung (0 dB an der Nyquistgrenze).

Auch der ganze andere Rest, der hier diskutiert wird, ist in guter Näherung einfach nur falsch. Zum Trost: Mit dem Marketinggeschreibe von Canon sieht es aber auch nicht sonderlich besser aus.

Eine seriöse Beschreibung fängt mit folgenden Grundbegriffen an:

Quanteneffizienz (max. 100% bei monochromen Sensoren möglich, bei Farbsensoren gibt es schon einen Zielkonflikt)
Quantenrauschen (Eigenschaft von elektromagnetischer Strahlung)
Ausleserauschen (min. 0)
Dunkelstrom (spielt bei Kurzzeitbelichtungen kaum eine Rolle)
optimale Signalverarbeitung

Für hohe Empfindlichkeiten (ISO-Werte) ist wichtig (in dieser Reihenfolge):

patternarmes Ausleserauschen
niedriges Ausleserauschen
optimale Signalverarbeitung
hohe Quanteneffizienz

Bekommt man das Ausleserauschen unter 0,1 Photonen (5 Sigma < 0,5), spielt die Auflösung des Sensors für das Rauschen keinerlei(!) Rolle mehr. Es gibt Sensoren, die das erfüllen, aktuelle DSLR-Sensoren (2006) lagen zwischen 6 und 16 Photonen.
Für niedrige ISO-Werte ist dies heutzutage schon der Fall (dunkelste Bildpassage >= 70...500 Photonen/Site).

Christian Miersch · 27 August 2008

Frank Klemm schrieb:
Für niedrige ISO-Werte ist dies heutzutage schon der Fall (dunkelste Bildpassage >= 70...500 Photonen/Site).

Das finde ich sehr interessant... ich hätte nicht gedacht das heutige Sensoren auf derartig geringe Photonenmengen ansprechen, hätte gedacht wir sind selbst in dunklen Bildbereichen immer noch bei Millionen bis Milliarden Photonen... das heisst auch das menschliche Auge reagiert auf relativ niedrige Photonenreize...

RSM · 27 August 2008

Frank Klemm schrieb:
Für hohe Empfindlichkeiten (ISO-Werte) ist wichtig (in dieser Reihenfolge):

patternarmes Ausleserauschen

niedriges Ausleserauschen

optimale Signalverarbeitung

hohe Quanteneffizienz

Das lässt sich ganz gut anhand der aktuellen Angebote von Nikon und Sony beurteilen; einfach mal RAWs von Kameras mit dem gleichen Sensor durch den gleichen Konverter schicken.

Das menschliche Auge hat in erster Linie einen genialen Entrauschalgorythmus.
Was du da siehst setzt sich zu einem grossen Teil aus deinen Vorstellungen davon, was dazusein hat, zusammen; ein paar eingesammelte Photonen bestätigen deine Erwartungen dann.

zzzip · 28 August 2008

Frank Klemm schrieb:
Sorry, ist aber genau umgedreht.

Aha, dann bauen wir doch einfach eine kleine Sensorzelle in jede Ecke des Sensors. Damit würden die Lücken maximiert und wir hätten die höchste Auflösung. Ich bin sicher Du meinst etwas anderes.

crizmess · 28 August 2008

zzzip schrieb:
Aha, dann bauen wir doch einfach eine kleine Sensorzelle in jede Ecke des Sensors. Damit würden die Lücken maximiert und wir hätten die höchste Auflösung. Ich bin sicher Du meinst etwas anderes.

Ja. Ich bin mir sicher er meint die Breite der Abtastung und nicht das Intervall zwischen den Abtastungen, welches du auf Sensorbreite vergrößert hast.

criz.

morid · 28 August 2008

zzzip schrieb:
Aha, dann bauen wir doch einfach eine kleine Sensorzelle in jede Ecke des Sensors. Damit würden die Lücken maximiert und wir hätten die höchste Auflösung. Ich bin sicher Du meinst etwas anderes.

In der tat, das ist nicht was er meinte. Es ging ihm nicht um die Reduzierung der Anzahl der Abtastungen, sondern um die Reduzierung der Größe der Abtastungen.

Die maximal sauber abtastbare Frequenz ist durch die Anzahl der Abtastungen gegeben (Nyquist).

Theoretisch erreicht man bei gegebener Anzahl von Photozellen eine bessere Auflösung je kleiner der Ausschnitt ist den jede Photozelle "misst".
Wenn man größere Ausschnitte misst, dann misst man quasi den Durchschnitt der Helligkeitsverteilung im Ausschnitt. Und das wirkt wie ein Tiefpass, es gehen also hohe Frequenzen verloren.

Praktisch ist das Problem mit Rauschen bei wenig Licht nicht wirklich ein Problem der Abtastungsauflösung, sondern die Photozellen sind nicht empfindlich genug und man ist froh überhaupt was zu messen was nicht im allgemeinen Rauschen untergeht.

Angenommen Licht ist optimal, dann würde eine Kamera mit kleinen Linsen höher auflösen als eine mit großen Linsen.
Gleichzeitig hat eine Kamera mit größeren Linsen bei nicht optimalem Licht ein besseres Signal zu Rausch Verhältnis.
Und da muss man jetzt einen geeigneten Kompromiss finden.

zzzip · 28 August 2008

morid schrieb:
Die maximal sauber abtastbare Frequenz ist durch die Anzahl der Abtastungen gegeben (Nyquist).

Ganz genau, aber wie der Begriff Frequenz schon andeutet, Abtastung pro was? Das höhere Pixeldichten eine bessere Abtastung bedeuten, ist klar. Das höhere Pixeldichten kleinere Pixel bedeuten auch. Kleinere Pixel implizieren aber keine höhere Pixeldichte und genau das ist mit dem Füllfaktor gemeint. Die Lücken zwischen zwei Pixeln können als weitere Pixel aufgefasst werden, die leider kaputt sind. Wenn ein Hersteller also die seiner Meinung nach richtige Balance zwischen Empfindlichkeit, Pixelgröße, Rauschabstand, Produktionskosten, etc gefunden hat, dann sollte er tunlichst keine Zwischenräume verschenken, um mit der gewählten Pixelgröße die maximale Auflösung zu ereichen.

P.S.: Übrigens ist die Idee nicht von mir. Deswegen habe ich den Link gepostet.

morid · 29 August 2008

Abtastung pro Flaeche in diesem Fall.
Das natuerlich moeglichst viele Pixel auf den Sensor sollen ist klar. Deswegen habe ich ja auch nur von der Groesse der Linsen vor den Photozellen gesprochen

Wenn der Sensor ganz voll mit Photozellen ist, dann wird die Aufloesung durch grosse (konvexe) Linsen vor den Zellen etwas herabgesetz. Grosse Linsen fuehren aber auch zu weniger Rauschen, da mehr Licht auf jede Photozelle gelangt.

Jetzt sind wir aber auch schoen vom Anfangsthema abgekommen...

zzzip · 29 August 2008

morid schrieb:
Wenn der Sensor ganz voll mit Photozellen ist, dann wird die Aufloesung durch grosse (konvexe) Linsen vor den Zellen etwas herabgesetz.

Das würde ich zu gerne mal erklärt haben.