Größe von CCD-sensoren

[nidezky]

Guten Tag verehrte Pentaxforumgemeinde,

da ich mich seit einiger Zeit mit dem Gedanken einer Neuanschaffung einer DSLR befasse und die Wahl nach ausgiebiger
Recherche auf das bald erscheinende Pentax K100d Modell gefallen ist, möchte ich dies zum Anlaß nehmen in diesem
Teil des Forums eine Frage zu stellen, die eigentlich alle Digitalkamera Modelle betrifft.
Vorbemerkend möchte ich erwähnen, daß ich eher ein Fotografie-Laie bin (allerdings an der Technik der digitalen Fotografie
interessiert), der bis dato Erfahrungen mit einer analogen SLR Modell (Minolta X-300s) und einer Fuji FinePix s602 gemacht hat.

Nun die Frage:
Warum werden die Aufnahmesensoren (CCD bzw. CMOS) nicht generell bei allen Digitalkameramodellen in der Baugröße im
Kleinbild Format hergestellt und verbaut. Es wird ja immer behauptet, daß diese größeren Aufnahmesensorformate erheblich teurer (Fertigungsprozeß) seien als die Formate z.B. 1/1,8 oder 1/2,5.
In allen Bereichen der elektronischen Bauteilfertigung tragen verkleinerte Strukturen dazu bei, daß die Fertigung aufwendiger wird und somit der Preis steigt (CPU, RAM, Flashspeicher usw.).
Nur im Bereich der CCD- und CMOSsensoren soll dies anders sein? Größere Abstände der einzelnen Fotozellen verursachen höhere Kosten?
Im KB-Formatsensor kann bei gleicher Anzahl der Sensoren der Abstand erhöht werden, was dazu führt, daß das Bildrauschverhalten bei gleicher Sensoranzahl verbessert wird. Ganz abgesehen davon kann dann der Brennweitenverlängerungsfaktor (was für ein Wort) abgeschafft werden. Alte analoge SLR-Objektive würden viel besser zur neuen DSLR passen, da ja die Linsenberechnung auf dieses KB-format abgestimmt worden ist.
Aber vielleicht habe ich einen Denkfehler gemacht und es gibt einen physikalisch technischen Grund für die resolute Weigerung diese KB-format Sensoren zu verbauen.

MfG Nidezky

 

[Nightstalker]

was teuer ist ist immer die Fläche...sonst nichts.

Wenn man aus einem Wafer eine bestimmte Anzahl Sensoren A bekommt, dann sind diese vom Preis her doppelt so teuer, wie die Sensoren B des Wafers die genau halb so gross sind.. Der ganze Wafer kostet ja das gleiche

Da der Ausschuss auch steigt wenn man grössere Flächen haben will kommt noch ein Aufschlag dazu.

 

[-DaKo-]

[...] eine Frage zu stellen, die eigentlich alle Digitalkamera Modelle betrifft.

Kann ich nur zustimmen ....

 

[TommiP]

Nun die Frage:
Warum werden die Aufnahmesensoren (CCD bzw. CMOS) nicht generell bei allen Digitalkameramodellen in der Baugröße im Kleinbild Format hergestellt und verbaut.

Naja, zusätzlich kannst du bei den Minisensoren winzige, d.h. billige Objektive bauen. Du setzt das Objektiv nahe an den Sensor und baust einen Superweitwinkel (bei dieser Baugröße billig). Durch die Blendendefinition hast du super Blendenwerte. Schärfentiefe ist da extrem hoch, damit wirken die Bilder scharf, d.h. du sparst am AF-System.

Freistellen ist damit kaum möglich...

Sind das Gründe genug?

 

[entenpower]

Hm, und wie sieht das dann mit den analogen Kompaktkameras aus??
Diesen Punkt kann ich irgendwie nicht verstehen.
Die analogen Kompaktkameras sind auch sehr klein und haben bei weitem nicht die Größe einer SLR, aber warum? Welcher Trick steckt dahinter?? Ich mein, es wird dennoch ein ganz normaler KB-Film benutzt.

MfG
Philipp

 

[DSP]

Bei der Herstellung der Sensoren gibt es das Problem, das trotz Reinraum noch einige Staubkörnchen bei der Herstellung auf den Wafer fallen.

Sagen wir es mal mit Fiktiven Zahlen:

Auf einen 300mm (Kosten 10.000EU inkl. Bearbeitung - Wie gesagt fiktive zahlen) Wafer kann man entweder 30 KB Format Sensoren erzeugen oder 60 in APS-C oder 200 Sensoren für eine Kompaktknipse.

Jetzt lass da 10 Staubkörnchen gut verteilt drauffallen.

Bei 30KB Sensoren sind 10 Stück Hinüber macht über 30% Ausschuß.
Bei 60 APS-C Sensoren sind 10 Stück hinüber macht unter 20% Ausschuß
Bei 200 Knipssensoren sind 10 Stück hinüber macht 5% Ausschuß

Herstellung hat 10.000EU gekostet

MAcht bei 20 KB-Sensoren 500EU pro Sensor (Herstellungskosten)
Bei 50 APS-C Sensoren 200EU pro Sensor und
bei 190 Knipssensoren ca. 52EU pro Sensor.

@entenpower

Kleinbild analog Kameras haben
keinen Monitor,
keinen SD Schacht und das ganze Digitalgeraffel nicht.
Ausserdem müssen die Teile nicht wegen des Spiegels in Retrofokus (Wird doch so geschrieben?) Bauweise hergestellt werden.

Und die preisgünsteigen Analogteile hatten meist eine atemberaubend schlechte Qualität für eine Festbrennweite (35mm war da gang und gäbe).

Eine Olympus myu mit 35mm Festbrennweite (vor kanpp 15 Jahren eine sehr gute Kompakte) hat aber dann auch schon soviel wie eine einfache Analoge SLR gekostet (ich glaube um die DM349,- eine F55 oder EOS 3000 war auch nicht teurer).

Dirk

 

[nac]

Es wird ja immer behauptet, daß diese größeren Aufnahmesensorformate erheblich teurer (Fertigungsprozeß) seien als die Formate z.B. 1/1,8 oder 1/2,5.

richtig, ist um einiges teurer.

Nur im Bereich der CCD- und CMOSsensoren soll dies anders sein? Größere Abstände der einzelnen Fotozellen verursachen höhere Kosten?

Nein, das ist nicht der Kostenfaktor. Aber lies mal bei deinem TFT die Garantiebestimmungen. Üblicherweise werden bspw. 10 Fehlerpixel (sofern sie nicht gerade an einer Stelle sind) als "normal" bezeichnet und das Display kann nicht umgetauscht werden. Warum? Ganz einfach, es ist nahezu unmöglich so grosse fehlerfreie Flächen zu bauen. Zum Teil werden dafür extra zusätzliche Leuchtpunkte eingebaut, welche im Fehlerfall anstelle der eigentlichen Leuchtpunkte aktiviert werden können um die Fehlerquote zu minimieren.
Was für die TFT im grossen, gilt für die CCD im kleinen. Die Ausschussquote steigt rapide (nicht nur linear) an, wenn die CCD grösser gemacht werden. Daher sinkt die Anzahl nutzbaren CCD pro Platte in der Herstellung entsprechend schnell.
Ob dies nun in dem Rahmen liegt, in dem die Preisdifferenz zwischen den Vollformat und den anderen DSLR sich bewegen darf gerätselt werden. Ist nunmal aktuell ein Alleinstellungsmerkmal von Canon was entsprechend auch preislich vermarktet wird.
Aber Vollformat hat ja nicht nur Vorteile... Wirf mal die Suche an und lies dich durch Berge von Threads, wo dieses Thema ausführlich behandelt wird.

 

[nidezky]

was teuer ist ist immer die Fläche...sonst nichts.

Wenn man aus einem Wafer eine bestimmte Anzahl Sensoren A bekommt, dann sind diese vom Preis her doppelt so teuer, wie die Sensoren B des Wafers die genau halb so gross sind.. Der ganze Wafer kostet ja das gleiche

Da der Ausschuss auch steigt wenn man grössere Flächen haben will kommt noch ein Aufschlag dazu.

Wenn ich das richtig verstanden habe, bedeutet das, daß je mehr CCD-Sensorchips auf einen Wafer fertigungstechnisch Platz finden, desto günstiger ist der einzelne Preis/CCD-Sensorchip.
Ich dachte schon, daß die Hersteller von Digitalkameras nach dem Rückgang der Verkaufszahlen für analoge Objektive mit der prinzipiellen Größenänderung der Aufnahmefläche (bis auf die ganz teuren Kameras) den Objektivmarkt ankurbeln wollten.

Danke nochmal für die prompte Beantwortung und das tolle Echo

 

[TommiP]

Hm, und wie sieht das dann mit den analogen Kompaktkameras aus??
Diesen Punkt kann ich irgendwie nicht verstehen.
Die analogen Kompaktkameras sind auch sehr klein und haben bei weitem nicht die Größe einer SLR, aber warum? Welcher Trick steckt dahinter?? Ich mein, es wird dennoch ein ganz normaler KB-Film benutzt.

Bei den Analogen Kompakten werden die Objektive auch näher an die Filmebene plaziert. Im Gegensatz zu den (D)SLR braucht man keine Spiegel zwischen den Objektiv und dem Film/Sensor. Damit kann man die Objektive durch eine WW-Konstruktion verkleinern. Die Digi-Kompakt kann man durch den Minisensor und der zusätzlichen Verkleinerung der Objektive noch ne Dimension kleiner bauen. Früher gab es die Minox mit ähnlich kleinem Film, welche die heutigen Mini-Kompakten von der Größe her ermöglichen. Der einzige Grund, warum diese etwas größer als ne Minox sind, ist der TFT-Bildschirm, der nicht beliebig verkleinert werden kann...

Hilft das zum Verständnis?

 

[entenpower]

@entenpower

Kleinbild analog Kameras haben
keinen Monitor,
keinen SD Schacht und das ganze Digitalgeraffel nicht.
Ausserdem müssen die Teile nicht wegen des Spiegels in Retrofokus (Wird doch so geschrieben?) Bauweise hergestellt werden.

Und die preisgünsteigen Analogteile hatten meist eine atemberaubend schlechte Qualität für eine Festbrennweite (35mm war da gang und gäbe).

Eine Olympus myu mit 35mm Festbrennweite (vor kanpp 15 Jahren eine sehr gute Kompakte) hat aber dann auch schon soviel wie eine einfache Analoge SLR gekostet (ich glaube um die DM349,- eine F55 oder EOS 3000 war auch nicht teurer).

Dirk

Hm, ja, ok, dann wären aber rein theoretisch kompakte Digitalkameras mit Vollformatsensor möglich?
Ich mein die Sachen wie: SD-Schacht, LCD und der restliche Digitalgeraffel nimmt ja eigentlich garnicht so viel Platz weg.
Die von dir genannte Olympus kenne ich, meine Mutter hat die und die macht verdammt gute Bilder! Das stimmt.
Aber da sind noch so andere Sachen die ich komisch finde. Diese Zoomlinsen in den Kompakten waren klein. Meiner Meinung nach eigentlich kleiner als der KB-Film. Auch bei den Festbrennweiten ist das so gewesen. Ich glaub schon, dass da eigentlich viel mehr hintersteckt als die von dir genannten Punkte.
Aber wird langsam glaube ich zu stark offtopic, aber dennoch ein interessantes Thema.

MfG
Philipp

 

[DSP]

Theoretisch wären kompakte Digicams mit Vollformat möglich, nur würden die dann genauso viel oder mehr (da kompakter gebaut werden muß = höherer Entwicklungsaufwand und bessere Objektive) kosten wie eine DSLR + Objektiv.

Das würde dann aber kaum einer bezahlen (weil dafür bekommt er ja schon eine "richtige" Kamera.

Das die Kompaktkameras aus den Analogzeiten so kleine Objektive hatten lag daran, das sie nicht in retrofokus Bauweise gebaut werden musten und meist Objektive a la 35-70 5,6-6,3 (Kaum Lichtstärke) waren. Außerdem verzeiht Analogfilm mehr als eine Digitalsensor (Schräg einfallendes Licht ist dem Film egal, der Sensor mag das überhaupt nicht).

Dirk

 

[drm]

Aber da sind noch so andere Sachen die ich komisch finde. Diese Zoomlinsen in den Kompakten waren klein. Meiner Meinung nach eigentlich kleiner als der KB-Film. Auch bei den Festbrennweiten ist das so gewesen. Ich glaub schon, dass da eigentlich viel mehr hintersteckt als die von dir genannten Punkte.

und da kommt die lichtstärke der objektive ins spiel.
solche kompakten analogen kameras mit zb. 3-fach zoom haben im weitwinkelbereich oft eine offenblende von 5,6; im telebereich oft nur mehr 8 oder gar 11!

 

[sokol]

(...) Alte analoge SLR-Objektive würden viel besser zur neuen DSLR passen, da ja die Linsenberechnung auf dieses KB-format abgestimmt worden ist.
Aber vielleicht habe ich einen Denkfehler gemacht und es gibt einen physikalisch technischen Grund für die resolute Weigerung diese KB-format Sensoren zu verbauen.

zu dem bereits gesagten wäre noch hinzuzufügen, dass ein CCD-Sensor möglichst in rechtem Winkel auftreffendes Licht bräuchte, da schräg einfallendes Licht a) zu Lichtverlust führt (d. h. zu Randabdunklungen - Vignettierungen) und b) zu Reflexionen an benachbarten Pixeln führen kann; analoges Filmmaterial ist diesbezüglich toleranter; daraus folgt übrigens auch, dass bei einem kleineren Sensor Vignettierungen leichter unter Kontrolle zu kriegen sind und andrerseits am Vollformatsensor Vignettierungen ein relativ schwer unter Kontrolle zu kriegendes Problem sind
---> man behilft sich da zB mit Microlinsen auf dem Sensor, die den Einfallwinkel des Lichts in die Senkrechte "ausrichten", d. h. wie gut man die Vignettierungen im Griff hat, hängt auch vom Sensor bzw. diesen Microlinsen ab (zusätzlich werden diese Randabschattungen kameraintern noch herausgerechnet, d. h. Korrektur über Software)

die digital optimierten Objektivserien der verschiedenen Hersteller sollen dem Rechnung tragen, d. h. da geht es nicht nur um eine Anpassung an die Sensorgrösse, sondern auch möglichst rechtwinkeligen Lichteinfall am Sensor

 

[HaPeWe]

Nun die Frage:
Warum werden die Aufnahmesensoren (CCD bzw. CMOS) nicht generell bei allen Digitalkameramodellen in der Baugröße im
Kleinbild Format hergestellt und verbaut. Es wird ja immer behauptet, daß diese größeren Aufnahmesensorformate erheblich teurer (Fertigungsprozeß) seien als die Formate z.B. 1/1,8 oder 1/2,5.
In allen Bereichen der elektronischen Bauteilfertigung tragen verkleinerte Strukturen dazu bei, daß die Fertigung aufwendiger wird und somit der Preis steigt (CPU, RAM, Flashspeicher usw.).
Nur im Bereich der CCD- und CMOSsensoren soll dies anders sein? Größere Abstände der einzelnen Fotozellen verursachen höhere Kosten?

Es gibt verschiedene Gründe:

1) Denkbeispiel: Stelle dir vor, aus einem Wafer könnte man 10 Sensoren in KB-Größe schneiden. Statistisch wäre pro Teilfläche eines KB-Negativs ein Fehler auf dem Wafer, der einen Sensor unbrauchbar macht.

Dann könntest du aus einem Waver nur zwischen Null und einem KB-Sensor, ca. 10 APS-Sensoren, 15 FT Sensoren und viele viele 1/1,8 oder 1/2,5 schneiden.

D.h. in diesem Denkbeispiel wäre ein KB-Sensor ca. 20 mal so teuer wie ein APS-Sensor.

2) Die Objektive. Bei einem 1/2,5 deckt man mit 6-24mm einen 4xZoom ab. bei KB bräuchte man ein 35-140mm Objektiv.

3) Nicht jeder will KB (zu wenig Tiefenschärfe, zu große Objektive).

4) Das auch bereits angesprochene Problem, dass nicht telezentrisch gerechnete Objektive (und das sind die meisten "analogen" KB-Objektive) wegen des schrägen Lichteinfalls auf dem Sensor dort im Randbereich drastisch schlechtere Abblidungsleistungen zeigen könnten (auch dieses Problem umgeht man mit APS).

 

[chaos004]

hmm
ihr geht immer davon aus das man bei vollformat das gleichen waffer benutzt wie bei den kleinen.
aber das bezweifel ich,
ich meine 8 mio pixel auf einem kleinen sensor zu verteilen erfordert eine hohe reinheit und große sorgfalt.

will man nun 8 mio pixel auf fast der doppelten fläche verteilen, so setzt das an das material wesentlich weniger anforderungen.

mit anderen worten das material der großen sensoren müste deutlich billiger sein.

 

[DSP]

Nix da, Wafer sind kleine CDs (200mm oder 300mm Durchmesser) ausgeschnitten aus einer Stange bestehend aus einem einzigen Siliziumkristall, welche langsam aus geschmolzenem Silizium gezogen wird.

Das Material ist somit immer dasselbe, Die Maschinen, die die Sensoren machen nebenbei auch, die Anzahl der Ätz- und Dotierungsprozesse dürfte ebenfalls identisch sein.

Einzig zwischen CMOS und CCD gibt es unterschiedliche Herstellungstechniken (Aber die Wafer sind da auch identisch).

Dem Wafer ist es dabei egal, ob die aufdotierten Leitungen breit wie eine Autobahn oder nur 65nm weite haben.

 

[Cephalotus]

Ich habe mal folgende Zahlen im Netz gefunden (link hab ich vergessen):

Auf einen 8" Wafer, die Canon mittlerweile verwendet, passen von der geometrischen Struktur 20 Kleinbildsensoren oder 72 "APS-C" Sensoren.

Die yield rate ist angeblich bei den 1Ds Sensoren bei unter 10% und bei den 5D Sensoren mittlerweile bei 20%, bei den APS-C Sensoren bei ca. 70%.

Canon bekommt also aus einem 8" Wafer entweder 5 Kleinbildsensoren für die 5D oder 50 Sensoren für eine 30D.

Die Herstellungskosten für den Kleinbildsensor sollten also in diesem Fall 10x so hoch sein wie beim APS-C Sensor, durch die geringeren Stückzahlen bei gleichen Kosten für Masken usw wird der Faktor vermutlich nochmal größer sein.

Selbst bei einer deutlichen Verbesserung der yield rate (auf unrealistische 100%) wird rein aus geometrischen Gründen der Kleinbildsensor stets mehr als dreimal so teuer sein.

mfg

Sagen wir es mal mit Fiktiven Zahlen:
...

 

[Cephalotus]

hmm
ihr geht immer davon aus das man bei vollformat das gleichen waffer benutzt wie bei den kleinen.
aber das bezweifel ich,
ich meine 8 mio pixel auf einem kleinen sensor zu verteilen erfordert eine hohe reinheit und große sorgfalt.

will man nun 8 mio pixel auf fast der doppelten fläche verteilen, so setzt das an das material wesentlich weniger anforderungen.

mit anderen worten das material der großen sensoren müste deutlich billiger sein.

Nö.

Der einzige mir bekannte Bereich, wo billigere Wafer verwendet werden ist die Solarzellenproduktion.

Wäre auch ziemlich kostenintensiv, wenn die bis zu 150cmx150cm großen Einzelzellen keine Fehler aufweisen dürften, wenn man bedenkt, dass man davon üblicherweise gleich ein paar tausend auf dem Dach hat.

 

[Cephalotus]

Aber da sind noch so andere Sachen die ich komisch finde. Diese Zoomlinsen in den Kompakten waren klein. Meiner Meinung nach eigentlich kleiner als der KB-Film...

Dann schau einfach mal auf die "Lichtstärke" dieser Zoomlinsen und das Rätsel löst sich auf.

 

[HaPeWe]

Dann schau einfach mal auf die "Lichtstärke" dieser Zoomlinsen und das Rätsel löst sich auf.

Zumdem mögen die Linsendurchmesser der lichtschwachen Vertreter dieses Genres vielleicht noch "klein" gewesen sein, doch die auf bis zu 15cm augefahrenen Rohre der KB-Kompakten mit 3xZoom will heute sicher auch kaum jemand.