Sensor mit höherem Dynamikumfang

[Lucky Dude]

Leider müssen wir das doch, es sei denn, wir fotografieren nur noch winzig kleine helle Punkte in schwarzen Höhlen. ...

Alles schön und gut, oder eben auch nicht. Aber Du gehst da eben von den derzeitigen Technologien aus. Woher weißt Du denn, dass die Ausgabemedien weierhin nur eingeschränkten Umfang haben werden. Gerade im Bildschirmbereich tut sich doch so einiges. HDR-fähige Fernsehprototypen gab es schon. Ich glaube kein Bereich ist festzementiert für die Ewigkeit. Mag sein, dass der optische Bereich schon stark ausgereizt ist, aber am Ende der physikalischen Möglichkeiten sind wir auch hier nicht. Oder hättest Du gedacht, dass es einmal möglich sein wird, die Schärfeebene im Bild nachträglich zu verschieben? Nein? Ich auch nicht. Aber es wird schon kräftig dran gearbeitet.

Wer glaubt, HDR sei eine auslaufende Technologie, der irrt. Es wird sogar ganz gewaltig kommen. In der Filmbranche in Hollywood ist das doch schon kalter Kaffee! Glaubt irgend jemand, dass ein moderner Hollywood-Film ohne HDR-Techniken verarbeitet wird? Habt Ihr mal Reisemagazine angeguckt? HDRI-Landschaftsbilder sind dort ganz normal. HDRI ist gefragt! Und genau deshalb steckt da auch ein Markt drin, der das vorantreibt.

Ich bin richtig fies und behaupte, von den derzeitigen DSLR-Kameras will niemand mehr was wissen, wenn ausgereifte und bezahlbare HDRI-Sensor-Kameras auf dem DSLR-Markt sind. Oder nehmt Ihr noch Filme mit VHS auf? Wohl kaum...

Übrigens: Der Formel-1-Motor ist schon seit Jahrzehnten im Stadtverkehr eingesetzt! Rate mal woher ein nicht unwesentlicher Technologieschub der Motoren herkommt: Richtig! Durch Effizienzsteigerung im Rennsport.

Gruß
Matze

 

[Gast_48373]

Deine Werte sind falsch

Welche genau?

und deine Rechenmethode ebenso. Rauschwerte werden nie linear addiert sondern man addiert die Quadrate und zieht die Quadratwurzel.

Du übersiehst mehrere Dinge. Die von Dir genannte Summenformel gilt für voneinander unabhängige Rauscheinflüsse auf ein Signal. Bei einer Digitalkamera findet jedoch eine sequentielle Signalverarbeitung statt, d.h. das Rauschen einer Signalstufe fließt als scheinbares Nutzsignal in die nächste Signalstufe mit ein, womit statt Deiner Formel für die Standardabweichung wohl eher die für die Rauschleistung angesetzt werden muss, also das Produkt aller Rauschanteile. Lies doch bitte einfach selbst nach, z.B. bei Wikipedia.
Wenn Du es anschaulicher möchtest: Aus x Photonen werden 2^16 Elektronen werden 14 Bit RAW usw..
Da die Übertragungsfunktion dieser Signalverarbeitung nun relativ linear ist, kann man in etwa von Gesamtrauschen = Störung in Schritt 1 * Störung in Schritt 2 usw. ausgehen. Da die Bitbreite eines Störsignals wiederum dem Logarithmus Dualis seines Wertebereiches entspricht, kann ich entsprechend auch schreiben Bitbreite(Gesamtrauschen)=Bitbreite(Störung in Schritt 1)+Bitbreite(Störung in Schritt 2) usw.

[..] Sorry, ich weiss es besser.

Ja, merkt man.

*****

 

[messenger]

................Ich finde das schon erstrebenswert. Schafft die Kamera einen hohen Dynamikumfang, kann ich zuhause in Ruhe die Dynamik für das Ausgabemedium komprimieren und erhalte so wieder meinen gewohnten Seheindruck.Es würde halt die Fälle, wo man sich zwischen ausgefressenen Lichtern und abgesoffenen Schatten -- oder beidem -- entscheiden muß, verringern.

Eben nicht.

Wenn du ein Hochkontrast-Bild auf den Umfang zusammendrückst, was der Bildschirm oder die Ausbelichtung umsetzen kann, sieht das Bild eben nicht

nach Seheindruck oder gar gut aus, sondern nur flau, kraftlos, beschi§§en.

Der Kontrastumfang (zumindest im RAW) ist bei den aktuellen Kameras größer als das, was die Ausgabemedien umsetzen können.

Und so nützte eine Vergrößerung des Dynamikumfangs nur gegen Fehlbelichtungen oder für HDR-ähnliche Techniken.

Gruß messi

 

[Ockham]

Ziemlich viel...

Schon mal was von Shotnoise gehört? Wie passt sich das in deine Gedankengänge ein?

Welche genau?


Du übersiehst mehrere Dinge. Die von Dir genannte Summenformel gilt für voneinander unabhängige Rauscheinflüsse auf ein Signal. Bei einer Digitalkamera findet jedoch eine sequentielle Signalverarbeitung statt, d.h. das Rauschen einer Signalstufe fließt als scheinbares Nutzsignal in die nächste Signalstufe mit ein, womit statt Deiner Formel für die Standardabweichung wohl eher die für die Rauschleistung angesetzt werden muss, also das Produkt aller Rauschanteile. Lies doch bitte einfach selbst nach, z.B. bei Wikipedia.
Wenn Du es anschaulicher möchtest: Aus x Photonen werden 2^16 Elektronen werden 14 Bit RAW usw..
Da die Übertragungsfunktion dieser Signalverarbeitung nun relativ linear ist, kann man in etwa von Gesamtrauschen = Störung in Schritt 1 * Störung in Schritt 2 usw. ausgehen. Da die Bitbreite eines Störsignals wiederum dem Logarithmus Dualis seines Wertebereiches entspricht, kann ich entsprechend auch schreiben Bitbreite(Gesamtrauschen)=Bitbreite(Störung in Schritt 1)+Bitbreite(Störung in Schritt 2) usw.


Ja, merkt man.

*****

Ich sags noch mal ganz deutlich: du hast keinerlei Ahnung wovon du schreibst. Das jetzt im Einzelnen auseinanderzunehmen, dazu ist mir meine Zeit dann doch zu schade. Vielleich solltest du mal ein Fachbuch zum Thema lesen, statt hier wirres Zeug zu posten. Ich kann dir per PN den einen oder anderen Tipp geben. Ach ja, ich hab beruflich mit der Materie zu tun und kann ganz gut einschätzen ob jemand heisse Luft produziert.

 

[stephan2807]

Das ganze Hick-Hack mal überlesen.
Theoretisch könnte der Sensor der 5Dmk2 14 Bit Dynamik bei ISO100 bieten. In der Umsetzung versaut aber die Elektronik danach (bei niedrigen ISOs) das Signal.
Eigentlich müsste man den Verstärker nach dem Sensor nur mit mindestens der Verstärkung wie bei ISO1600 betreiben und den Spannungsbereich der nachfolgenden Baugruppen entsprechend erweitern (ohne zusätzliches Rauschen reinzubringen). Leider funktionierts nicht.
Betriebsspannung reicht nicht, der rauscharme Verstärker schafft die Slew-Rate nicht, Stromverbrauch der Baugruppe steigt im Quadrat, mehr Stromverbrauch verursacht mehr Wärme und Rauschen, hohe Signalpegel stören andere Baugruppen, usw.

Die weitgehend gleichbleibende Dynamik in den niedrigen ISO-Einstellungen ist bei fast allen aktuellen DSLRs zu beobachten, bei KB stärker als bei Crop. Lediglich von 1-2 Nikons hab ich deutlich abweichende (bessere) Werte gesehen. War glaub ich bei dxomark.

Letzenendes hilft nur die komplette Signalkette rauschärmer zu machen, vorher werden auch "ersehnte" Wunder wie schwarzes Silizium nichts bringen.
11, 12 oder gar 14 Bit analoge Auflösung und digitale Signale mit 100 und mehr MHz direkt nebenan sind dafür nicht grade die besten Voraussetzungen.

 

[Gast_48373]

Also Ockham..

zunächst einmal ist es schade, dass Du auf die von mir genannten Punkte nichts konkretes zu erwidern hast. Du bietest an, mir den Sachverhalt per PN zu erläutern - ich würde Dich bitten, das stattdessen hier zu machen. Die Schreibarbeit bleibt ja die Gleiche. Warum ich Dich darum bitte?
1. Weil ich Deine bisherigen Äußerungen für heiße Luft halte und die Meinung vertrete, dass Sachverhalte immer genau dort aufgeklärt werden sollten, wo sie breitgetreten wurden. So wie ein persönlicher Streit nicht ins Öffentliche gehört, sollten öffentliche Falschbehauptungen aber auch nicht nur im Privaten klargestellt werden.
2. Weil es schlicht und einfach in das Thema gehört. Es geht hier um den Dynamikumfang aktueller Sensoren und inwiefern der sich noch steigern ließe und da sind die von mir gemachten und von Dir bestrittenen Rechnungen genau das Thema.

Wenn Du Dich mit dem Thema beschäftigst - sehr schön. Vielleicht kannst Du uns ja tatsächlich erleuchten und mein früheres Physikstudium gegen Dein Fachwissen nicht anstinken. Bisher weiß ich aber leider nicht einmal, inwiefern genau Du Dich damit beschäftigst geschweige denn was von meinen Aussagen nun wirklich so falsch ist.

Und zum Thema Shot Noise.. Du meinst das sog. Photonenrauschen? Das ist mir wohl durchaus bekannt, hat aber mit den Fähigkeiten der Kameras nichts zu tun - denn es ist ausschließlich durch das Licht bestimmt und von der Kamera unabhängig. Du kannst jetzt argumentieren, dass das Photonenrauschen den realen Dynamikumfang reduziert - das ist aber müßig, eben weil es von der Kamera (zumindest bei gleicher Pixelgröße) unabhängig ist und darüber hinaus die gängigen Angaben für Dynamikumfänge aktueller SLRs das Photonenrauschen eben nicht herausrechnen. Logisch, das Photonenrauschen ist auch keine Störung im eigentlichen Sinne, sondern immanenter Bestandteil des stochastischen Charakters der Photonen.

Jetzt kommst Du.

*****

 

[Gast_48373]

Das ganze Hick-Hack mal überlesen.
Theoretisch könnte der Sensor der 5Dmk2 14 Bit Dynamik bei ISO100 bieten. In der Umsetzung versaut aber die Elektronik danach (bei niedrigen ISOs) das Signal.

Die Pixel selbst sogar 16 Bit. Die 2 Bit Ausleserauschen wird man kaum wegbekommen, bestenfalls auf 1 reduzieren. Bleiben dann für den Sensor die genannten 14 (bestenfalls 15) Bit, ja.

Bzgl. Verstärkung denke ich aber, dass analoge Baugruppen ihre Schaltlevel nicht in diskreten, sondern eben relativen Werten haben, soll also heißen die Schaltschwelle mehr oder weniger proportional der Größe des Arbeitsbereiches ist. Das bedeutet dann aber, dass eine höhere Verstärkung des ausgelesenen Signals so ohne weiteres erst einmal nichts bringt. Entscheidend ist, A/D-Wandler zu haben, welche am Ausgang echte 16 Bit liefern, ausreichend schnell sind (5DII: 82 MSamples/s) und natürlich auch noch halbwegs preiswert. In wie weit der Eingang des ADC dann verstärkt werden muss, ist eine reine Frage des Arbeitspunktes und vermutlich leider ohne Auswirkungen auf das Quantisierungsrauschen, womit dann auch die Überlegungen bzgl. Betriebsspannung, Flankensteilheit, Leistungsaufnahme (nicht Strom ) nicht mehr notwendig sind.

11, 12 oder gar 14 Bit analoge Auflösung und digitale Signale mit 100 und mehr MHz direkt nebenan sind dafür nicht grade die besten Voraussetzungen.

Genau das. :|

*****

 

[Gast_48373]

Nachtrag: mehr Dynamik gibt es hier

 

[Gast_57713]

....
Letzenendes hilft nur die komplette Signalkette rauschärmer zu machen, vorher werden auch "ersehnte" Wunder wie schwarzes Silizium nichts bringen.
11, 12 oder gar 14 Bit analoge Auflösung und digitale Signale mit 100 und mehr MHz direkt nebenan sind dafür nicht grade die besten Voraussetzungen.

Mein reden seit Beginn der ersten Dynamikdiskussion, bei der ich vor Jahren hier mitmachte.

 

[stephan2807]

Bzgl. Verstärkung denke ich aber, dass analoge Baugruppen ihre Schaltlevel nicht in diskreten, sondern eben relativen Werten haben, soll also heißen die Schaltschwelle mehr oder weniger proportional der Größe des Arbeitsbereiches ist. Das bedeutet dann aber, dass eine höhere Verstärkung des ausgelesenen Signals so ohne weiteres erst einmal nichts bringt.

Hab ich nicht wirklich verstanden.

Aber: Sensor mit kompletter Auswertungskette bei ISO1600 liefert Rauschen entsprechend etwas mehr als 2 Elektronen. Das zeigt schon mal was Sensor mit Verstärker grundsätzlich können.
Das verstärkte Sensorsignal könnte z.B. im Bereich 0-1,5V liegen und verstärktes Ausleserauschen + Rauschen des Verstärkers bei 1mV. Das Rauschen des nachfolgenden Signalpfades und ADC sind hier noch nicht relevant.

Bei niedrigen ISOs ist dagegen fast nur noch Rauschen mit ca. 0,5mV aus dem Signalpfad nach dem Verstärker zu sehen. Ob das unterwegs eingestreut wird, von nem Pufferverstärker für den ADC (weiß nicht ob noch was dazwischen ist) oder im ADC selbst entsteht können vmtl. nur die Entwickler sagen.

Bei höhererm Signalpegel wären Störungen "unterwegs" jedenfalls weniger relevant. Die durch digitale Signale versaute Umgebung des ADC würde ebenfalls weniger relevant.

Entscheidend ist, A/D-Wandler zu haben, welche am Ausgang echte 16 Bit liefern, ausreichend schnell sind... In wie weit der Eingang des ADC dann verstärkt werden muss, ist eine reine Frage des Arbeitspunktes und vermutlich leider ohne Auswirkungen auf das Quantisierungsrauschen.

Echte 16 Bit brauchts vorerst nicht wirklich.
14Bit-Wandler bringen normalerweise gut 12Bit Dynamik, unter optimalen Bedingungen. Mit den Werten von oben wären das 0,3mV Rauschen vom ADC selbst und 0,4mV Rauschen durch die Umgebung (insgesamt 0,5mV da statistisch unabhängig). Der bessere ADC hätte damit Potential für ne Gesamtverbesserung von 1/3 Blende.

 

[Gast_57713]

(....)
Bei höhererm Signalpegel wären Störungen "unterwegs" jedenfalls weniger relevant. Die durch digitale Signale versaute Umgebung des ADC würde ebenfalls weniger relevant.
(...)

Es scheint aber eine Menge bei hohen Pegeln noch zu stören. Mich wundert immer wieder das deutlich sichtbare Rauschen bei niedrigen ISOs im mittleren Helligkeitsbereich wie hier im Himmel deutlich zu sehen, vor allem wenn man sich die Farbkanäle mal einzeln anschaut:
http://a.img-dpreview.com/gallery/canoneos5dmarkii_samples/originals/img_0024-acr.jpg
http://a.img-dpreview.com/gallery/nikond90_samples/originals/csc_3269.jpg
http://a.img-dpreview.com/gallery/olympuse620_samples/originals/p3050861.jpg

Edit: Ich denke, wenn man das bei niedrigen ISO mal im Griff hätte, dann würden wir über High-ISO und Dynamikumfang auch nicht mehr viel diskutieren.

 

[stephan2807]

Es scheint aber eine Menge bei hohen Pegeln noch zu stören. Mich wundert immer wieder das deutlich sichtbare Rauschen bei niedrigen ISOs im mittleren Helligkeitsbereich wie hier im Himmel deutlich zu sehen, vor allem wenn man sich die Farbkanäle mal einzeln anschaut:
http://a.img-dpreview.com/gallery/canoneos5dmarkii_samples/originals/img_0024-acr.jpg

Das hab ich mal auf die schnelle angesehen (Du meinst vmtl. den Himmel), da rauscht vor allem der Rotkanal.
Do viel Signal ist aber auch gar nicht da. Ich komme auf nur etwa 450 Elektronen für Rot (arg genau gehts bei nem JPEG nicht mehr). Macht 21e- Photonenrauschen, zusammen mit 12e- bei der Verarbeitung sinds 25e-.
Der theoretische Wert passt auch gut mit der tatsächlichen Verteilung der Helligkeitswerte zusammen.

Fazit: An der Verarbeitung in der Cam liegts nicht, maximale Verbesserung wäre von 25 auf 21. Da bleibt nur MF oder dem RAW-Konverter beibringen, dass er in solchen Fällen den Rot-Kanal rauschfiltert.

 

[Ockham]

Jetzt kommst Du.

*****

Wie soll man mit dir vernünftig diskutieren, wenn du ständig die einfachsten Begriffe durcheinander wirfst (Bit, Elektronen)? Und ich sag's jetzt noch mal, dass deine Sichtweise, was das "Kombinieren" von einzelnen Rauschbeiträgen angeht, falsch ist. Das Gesamtrauschen ist die Wurzel aus den Quadratsummen der einzelnen Komponenten. Das ist Konsens innerhalb der "CCD Community".

Dein Hinweis bezüglich der Rauschleistung geht fehl, multipliziert wird schon gleich gar nichts, oder anders: wo in der Signalkette befindet sich denn ein Multiplikator?

Apropos Rauschleistung: Was misst denn so ein ADC? Leistung, Spannung? Und was ist eine quadrierte Spannung über einem konstanten Widerstand.

Um auf das eigentliche Thema zurück zu kommen: Wie ist der Dynamikbereich definiert? Ganz einfach: Das ist Sättigungsladung / Ausleserauschen. DR = S_FW/Sigma_R, beides gemessen in Elektronenladungen (e-). Fertig.

Jetzt kommen wir zu der spannenden Frage, wie man denn diese beiden Größen misst. Na, am einfachsten mit der kompletten Signalkette, die eh schon in der Kamera verbaut ist. Das hat den entscheidenten Vorteil, dass das Rauschsprektrum des Sensors mit der Bandpass- bzw. Kammfilter-Charakteristik der Signalkette gewichtet, d.h. gefaltet wird.

Mit anderen Worten: wenn man Sättigungsladung und Ausleserauschen auf diese Weise bestimmt, sind alle anderen Rauschbeiträge in diesen Werten bereits enthalten. Man braucht da nix mehr abziehen oder hinzuzählen oder multiplizieren oder sonst was. Der Quotient ist das gewünschte Ergebnis. Daraus ergibt sich, dass deine Betrachtungsweise eine Milchmädchenrechnung ist.

 

[Gast_48373]

Hab ich nicht wirklich verstanden.

Macht nichts, denn:

Aber: Sensor mit kompletter Auswertungskette bei ISO1600 liefert Rauschen entsprechend etwas mehr als 2 Elektronen. Das zeigt schon mal was Sensor mit Verstärker grundsätzlich können.
Das verstärkte Sensorsignal könnte z.B. im Bereich 0-1,5V liegen und verstärktes Ausleserauschen + Rauschen des Verstärkers bei 1mV. Das Rauschen des nachfolgenden Signalpfades und ADC sind hier noch nicht relevant.

das habe ich nicht ganz verstanden, also konkret den Zusammenhang bzw. wie Du auf diese Werte kommst.

Bei niedrigen ISOs ist dagegen fast nur noch Rauschen mit ca. 0,5mV aus dem Signalpfad nach dem Verstärker zu sehen. Ob das unterwegs eingestreut wird, von nem Pufferverstärker für den ADC (weiß nicht ob noch was dazwischen ist) oder im ADC selbst entsteht können vmtl. nur die Entwickler sagen.
Bei höhererm Signalpegel wären Störungen "unterwegs" jedenfalls weniger relevant. Die durch digitale Signale versaute Umgebung des ADC würde ebenfalls weniger relevant.

Dem stimme ich natürlich zu. Allerdings denke ich, dass Canon da schon eine recht gute Verstärkung nutzt, eben weil das Rauschen im Signalpfad schon so gering ist. Soll heißen: das Ausleserauschen wird man kaum unter 2 Elektronen bekommen, ohne die Schaltungen pro Pixel wieder größer zu dimensionieren (schlecht für das Schrotrauschen des Lichtes) und ob die 2 Bits Ungenauigkeit beim ADC jetzt wirklich durch Einflüsse von anderswo kommen oder nicht, bin ich mir nicht ganz sicher. Ich hatte das mal so verstanden, dass die vor allem durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit bedingt sind. Die A/Ds in Digibacks schaffen ja glaube ich mehr Bits.

Echte 16 Bit brauchts vorerst nicht wirklich. 14Bit-Wandler bringen normalerweise gut 12Bit Dynamik, unter optimalen Bedingungen.

Ne die 16 Bit waren längerfristig gemeint. Dass die 14-Bit-ADCs in DSLRs derzeit max. 12 Bit verwertbares Ergebnis liefern, hatte ich ja geschrieben.

Mit den Werten von oben wären das 0,3mV Rauschen vom ADC selbst und 0,4mV Rauschen durch die Umgebung (insgesamt 0,5mV da statistisch unabhängig). Der bessere ADC hätte damit Potential für ne Gesamtverbesserung von 1/3 Blende.

Da kriege ich jetzt den Zusammenhang bzw. den Bogen von den oberen Werten nicht. Kannst Du mir das ggf. noch mal genauer erläutern?

*****

 

[Gast_48373]

Das hab ich mal auf die schnelle angesehen (Du meinst vmtl. den Himmel), da rauscht vor allem der Rotkanal.

Das kommt ja leider immer noch dazu: der Sensor ist für R/G/B unterschiedlich empfindlich (bei Canon z.B. sehr schwach im Rot wegen des restriktiven UV/IR-Sperrfilters), so dass die Werte im Weißabgleich nochmal etwas gepusht werden. Kostet natürlich auch Dynamik (also nicht das Pushen sondern die unterschiedliche Empfindlichkeit).

*****

 

[Ockham]

Soll heißen: das Ausleserauschen wird man kaum unter 2 Elektronen bekommen, ohne die Schaltungen pro Pixel wieder größer zu dimensionieren

Falsch. Man muss die Strukturen kleiner machen um das Rauschen zu verringern bzw. den Verstärkungsfaktor des Ausleseverstärkers zu erhöhen.

Hintergrund: MOSFETs rauschen relativ stark, verglichen mit Bipolartransistoren oder JFETs. Um das schwache Einganssignal (wenige Elektronenladungen) über den Rauschteppich zu hieven, muss man die Gate-Kapazität möglichst klein machen, weil U = Q/C. Und das geht praktisch nur über feinere Strukturen.

 

[Gast_48373]

Wie soll man mit dir vernünftig diskutieren, wenn du ständig die einfachsten Begriffe durcheinander wirfst (Bit, Elektronen)?

Wie soll man mit Dir vernünftig diskutieren, wenn außer pauschalen Behauptungen ohne Konkretes kaum etwas kommt? Du bist gern eingeladen, zu zeigen, wo genau ich Elektronen und Bits wirklich durcheinander bringe. Fakt ist, dass Elektronen diskret sind, also abzählbar und damit ihre Zahl durchaus in binärer Darstellung repräsentiert werden kann, denn nicht mehr ist die Bit-Nomenklatur.

Und ich sag's jetzt noch mal, dass deine Sichtweise, was das "Kombinieren" von einzelnen Rauschbeiträgen angeht, falsch ist. Das Gesamtrauschen ist die Wurzel aus den Quadratsummen der einzelnen Komponenten. Das ist Konsens innerhalb der "CCD Community".

Zunächst einmal arbeitet ein CCD ja doch deutlich anders als ein CMOS, ist hier also nicht relevant. Bzgl. der Rauschleistung ist ein "ich sag's jetzt noch mal" nicht wirklich ein Argument - eine Stellungnahme zum von mir beschriebenen Eingehen des Störsignals einer Stufe als Nutzsignal in die nächste wäre eine Antwort gewesen. Die bist Du leider schuldig geblieben.

Dein Hinweis bezüglich der Rauschleistung geht fehl, multipliziert wird schon gleich gar nichts, oder anders: wo in der Signalkette befindet sich denn ein Multiplikator?

Überall da, wo in einer Signalkette ein Störsignal in einer weiteren Stufe als Teil des Nutzsignals interpretiert wird.

Apropos Rauschleistung: Was misst denn so ein ADC? Leistung, Spannung? Und was ist eine quadrierte Spannung über einem konstanten Widerstand.

Ich weiß nicht, ob wir bei den Signalleveln und der Verarbeitungsgeschwindigkeit von konstanten Widerständen ausgehen können. Aber was genau möchtest Du mir damit eigentlich sagen?

Um auf das eigentliche Thema zurück zu kommen: Wie ist der Dynamikbereich definiert? Ganz einfach: Das ist Sättigungsladung / Ausleserauschen. DR = S_FW/Sigma_R, beides gemessen in Elektronenladungen (e-). Fertig.

Für die Einheit Sensor. Aber nicht für den einzelnen Pixel und vor allem nicht für die gesamte Kamera. Vor allem lässt Du jetzt selbst das Schrotrauschen weg, welches Du vorher ansprachst. Ich habe damit kein Problem, ich frage mich jetzt nur, was Deine vorherige Frage, ob ich es kenne, eigentlich sollte.

Jetzt kommen wir zu der spannenden Frage, wie man denn diese beiden Größen misst. Na, am einfachsten mit der kompletten Signalkette, die eh schon in der Kamera verbaut ist. Das hat den entscheidenten Vorteil, dass das Rauschsprektrum des Sensors mit der Bandpass- bzw. Kammfilter-Charakteristik der Signalkette gewichtet, d.h. gefaltet wird.

Wow wow wow.. mal langsam. Mit der kompletten Signalkette misst Du nicht mehr den Sensor, sondern eben Sensor und Signalkette, vulgo die Kamera. Ist zwar okay, weil wir genau das ja untersuchen, aber es heißt eben anders. Inwiefern die Signalverarbeitung in der Kamera einen Bandpass/Kammfilter darstellt, darfst Du mir aber gern erläutern.

Mit anderen Worten: wenn man Sättigungsladung und Ausleserauschen auf diese Weise bestimmt, sind alle anderen Rauschbeiträge in diesen Werten bereits enthalten.

Das ist leider Quatsch, da das Ausleserauschen nur genau da auftritt, wo ausgelesen wird: auf dem Weg vom Pixel zum Verstärker.

Man braucht da nix mehr abziehen oder hinzuzählen oder multiplizieren oder sonst was. Der Quotient ist das gewünschte Ergebnis. Daraus ergibt sich, dass deine Betrachtungsweise eine Milchmädchenrechnung ist.

Nein, daraus ergibt sich, dass ich jetzt endlich verstehe, woher Deine (leider immer wieder sehr unspezifische) Argumentation kommt. Du hast - wie schon in Deinem ersten Posting, wo Du die Graphen von Roger Clark nicht richtig gelesen hast - immer noch nicht den Unterschied zwischen Sensor-Dynamikumfang (eine reine Zwischengröße) und Kamera-Dynamikumfang verstanden. Der Thread hier heißt zwar "Sensor mit höherem Dynamikumfang", Dir dürfte aber auch aufgefallen sein, dass für den durchschnittlichen Fotografen wohl eher das Endergebnis aus der Kamera zählt und wir deswegen hier über den Kamera-Dynamikumfang reden.

*****

 

[Gast_48373]

Hintergrund: MOSFETs rauschen relativ stark, verglichen mit Bipolartransistoren oder JFETs. Um das schwache Einganssignal (wenige Elektronenladungen) über den Rauschteppich zu hieven, muss man die Gate-Kapazität möglichst klein machen, weil U = Q/C. Und das geht praktisch nur über feinere Strukturen.

Das ist plausibel und geht ja auch mit der bisherigen Strukturverkleinerung einher. Ich gehe aber davon aus, dass bei aktuellen Strukturgrößen Quanteneffekte einen stärkeren Anteil gewinnen und dagegen eben nur eine Vergrößerung helfen würde, die man, wie ich ja auch schon schrieb, natürlich nicht machen wird. Im Endeffekt wird es wohl einen Status Quo vielleicht etwas unterhalb der aktuellen Strukturbreiten geben, aber unter 2 Elektronen kommt man damit wohl vermutlich nicht mehr, auf jeden Fall nicht unter 1.

 

[stephan2807]

das habe ich nicht ganz verstanden, also konkret den Zusammenhang bzw. wie Du auf diese Werte kommst.

Ich probiers nochmal: 5Dmk2 mit folgender Signalkette
Sensor > Verstärker (ISO-abhängig) > Leitung > ADC

Die ISO-Einstellung erfolgt nur über den Verstärker nach dem Sensor. Der ADC arbeitet immer im gleichen Spannungsbereich.

DR bei ISO 1600 ist 10,54EV also 1489:1. Ich runde das jetzt mal und komme auf 1500mV maximales Signal und 1mV Rauschen. Das nehme ich als Arbeitsbereich des ADC (0-1,5V) an, weil sichs leicht rechnen lässt.

Nach den Daten bei Roger ist bei ISO1600 und höher das Ausleserauschen (gemessen immer über die gesamte Signalkette) konstant. Damit stammts vmtl. auch direkt vom Sensor bzw. der Ausleseelektronik und kommt nicht vom ISO-Verstärker.
Anschließend läuft das Signal ein ganzes Stück zum ADC und wird digitalisiert. Bei ISO1600 sind die hier entstehenden Störungen in den Messwerten noch nicht erkennbar.

Jetzt zu ISO100, bzw. der Messung mit "ISO50" (eher ISO90): Der Sensor schafft an sich ein Maximum von 65700e- (17,7 mal mehr als das Max bei ISO1600). Würde unser ISO-Verstärker auch bei ISO100 mit der selben Verstärkung wie bei 1600 betrieben wäre das Ausgangssignal (und Eingangssignal des ADC) 26,5V und wir hätten 14,7EV Dynamik am Eingang des ADC zur Verfügung.
Dummerweise ist die Verstärkung bei ISO100 aber um einen Faktor 16 niedriger und drum schlagen die Störsignale zu... 26,5V wären auch utopisch viel.

Bei "ISO90" ist das Ausleserauschen (nach Sensor und ISO-Verstärker) weiterhin 2,5e- und damit vernachlässigbar. Der ADC will weiterhin 1,5V als Max-Wert, damit entsprechen die gemessenen 11,41EV Dynamik einem analogen Rauschwert von 0,55mV (hatte ich auf 0,5 gerundet).
Die kommen zwischen Verstärker und ADC, ADC selbst und die nicht ideale Umgebung zustande.
Der ADC trägt 0,37mV (12ENOB, ich bin vorhin von eher 12,3 ausgegangen) bei und der Rest 0,41mV (alles additives Rauschen).

Bei den Annahmen macht ein besserer ADC noch keinen Sinn, weil die Umgebung zu schlecht ist. Meine 12,3ENOB waren aber vmtl. zu hoch gegriffen...
Hat der ADC aber nur 11,7ENOB lässt sich auf den Rauschanteil aus der Umgebung schon kein sinnvoller Rückschluss mehr ziehen, und nachdem die genauen Leistungsdaten nicht bekannt sind.
Da könnte der ADC doch schon bestimmend sein.. Wenn 16Bit ADC, dann aber bitte auch unverzüglich die unteren 2 Bits entsorgen. Mehr als 13ENOB schaffen die ja auch wieder nicht.

 

[Ockham]

Wie soll man mit Dir vernünftig diskutieren, wenn außer pauschalen Behauptungen ohne Konkretes kaum etwas kommt? Du bist gern eingeladen, zu zeigen, wo genau ich Elektronen und Bits wirklich durcheinander bringe. Fakt ist, dass Elektronen diskret sind, also abzählbar und damit ihre Zahl durchaus in binärer Darstellung repräsentiert werden kann, denn nicht mehr ist die Bit-Nomenklatur.

Du kannst ein einzelnes Elektron gar nicht messen, weil das Ausleserauschen (des Gesamtsystems) 2e- RMS beträgt. Oder eben 10 e- Peak-to-Peak.

Zunächst einmal arbeitet ein CCD ja doch deutlich anders als ein CMOS, ist

Der wesentliche Unterschied ist, dass es bei einem CCD einen Ladungsverstärker pro Chip gibt (ok, es können auch ein paar mehr sein) und bei CMOS APS eben eine Ladungsverstärker pro Pixel. Ansonsten gibt es wenig Unterschiede.

hier also nicht relevant. Bzgl. der Rauschleistung ist ein "ich sag's jetzt noch mal" nicht wirklich ein Argument - eine Stellungnahme zum von mir beschriebenen Eingehen des Störsignals einer Stufe als Nutzsignal in die nächste wäre eine Antwort gewesen. Die bist Du leider schuldig geblieben.

Das Rauschen des Sensors ist die dominierende Komponente, alles andere (Vorverstärker, ADC) spielt eine untergeordnete Rolle. Jedenfalls bei einem sauber aufgebauten System. Also wie bei Canon halt.

Überall da, wo in einer Signalkette ein Störsignal in einer weiteren Stufe als Teil des Nutzsignals interpretiert wird.

Unfug. Ein Vorverstärker "interpretiert" nicht. Technisch gesehen ist das ein Koeffizientenglied und kein Multiplikator. Man könnte argumentieren dass ein ADC ein Multiplikator ist, da er Referenzspannung und Eingangssignal multipliziert, aber da die Referenz (hoffentlich) sehr rauscharm ist, spielt das keine Musik. Quantisierungssrauschen: theoretisch +/- 0.5 LSB Peak-to-Peak, oder 0.2 LSB RMS. Praktisch vielleicht 0.5..1 LSB RMS. Bei einem e-/LSB und 2 e-RMS Rauschen praktisch vernachlässigbar. Bei höherem Gain sowieso.

Ich weiß nicht, ob wir bei den Signalleveln und der Verarbeitungsgeschwindigkeit von konstanten Widerständen ausgehen können. Aber was genau möchtest Du mir damit eigentlich sagen?

Äh natürlich sind die Widerstände konstant. Was ich sagen wollte? Dass Füsiker von Elektrotechnik keine Ahnung habe bzw. den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen? ADCs messen Spannung, haben einen endlichen, konstanten Eingangswiderstand. Leistung ist definiert als P=U^2/R. *Hüstel*

Für die Einheit Sensor. Aber nicht für den einzelnen Pixel und vor allem nicht für die gesamte Kamera. Vor allem lässt Du jetzt selbst das Schrotrauschen weg, welches Du vorher ansprachst. Ich habe damit kein Problem, ich frage mich jetzt nur, was Deine vorherige Frage, ob ich es kenne, eigentlich sollte.

Wie (mit welchem Messgerät) willst du denn das Rauschen des Sensors messen? Mit einem Oszilloskop etwa? Multimeter? Schrotrauschen ist SQRT(N_Elektronen), also bei 10.000 Elektronen 100 Elektronen RMS. Wie hoch war noch mal das Systemrauschen?

Wow wow wow.. mal langsam. Mit der kompletten Signalkette misst Du nicht mehr den Sensor, sondern eben Sensor und Signalkette, vulgo die Kamera. Ist zwar okay, weil wir genau das ja untersuchen, aber es heißt eben anders. Inwiefern die Signalverarbeitung in der Kamera einen Bandpass/Kammfilter darstellt, darfst Du mir aber gern erläutern.

Stichworte Sample/Hold, Correlated Double Sampling. Der (kammartige) Frequenzgang wird u.a. bestimmt durch Länge und Abstand der Samples, zusätzlich braucht man noch Hoch- und Tiefpassfilter. Dein Messgerät zur Sensorrauschmessung hat das natürlich alles eingebaut, nicht?

Das ist leider Quatsch, da das Ausleserauschen nur genau da auftritt, wo ausgelesen wird: auf dem Weg vom Pixel zum Verstärker.

Oh Graus! Der Ladungstransport vom Pixel zum Verstärker ist praktisch rauschfrei. Was rauscht, ist der MOSFET der die Ladung in eine Spannung umwandelt. Ich kann bei einem CCD wenige Elektronenladungen über eine Strecke von 12cm(!) oder 8000 Pixel schieben, ohne dass zusätzliches Rauschen ensteht oder dass nennenswert Elektronen verloren gehen. Theorie? Nein, Praxis. Ich mach das gerade jetzt...

Nein, daraus ergibt sich, dass ich jetzt endlich verstehe, woher Deine (leider immer wieder sehr unspezifische) Argumentation kommt. Du hast - wie schon in Deinem ersten Posting, wo Du die Graphen von Roger Clark nicht richtig gelesen hast - immer noch nicht den Unterschied zwischen Sensor-Dynamikumfang (eine reine Zwischengröße) und Kamera-Dynamikumfang verstanden. Der Thread hier heißt zwar "Sensor mit höherem Dynamikumfang", Dir dürfte aber auch aufgefallen sein, dass für den durchschnittlichen Fotografen wohl eher das Endergebnis aus der Kamera zählt und wir deswegen hier über den Kamera-Dynamikumfang reden.

*****

Du kannst beides nicht voneinander trennen. Sensoreigenschaften, speziell das Rauschen, lassen sich nur mit der zugehörigen Signalkette sinnvoll bestimmen. Wenn du das Sensorrauschen bestimmen willst, misst du eben das Systemrauschen ohne Sensor und ziehst das vom Gesamtrauschen ab.

R_Ges = SQRT( (R_Sens+Sys)^2-(R_Sys)^2).