Wie klein dürfen Pixel sein?

[Gast_420853]

Liebe Leute,

bei Spekulationen um mögliche MP Zahlen von Sensoren lese ich öfters den Einwand, dass ein Pixel nicht kleiner als die Wellenlänge des zu registrierenden Photons sein sollte. Mein physikalisches Verständnis reicht nicht aus um das zu beurteilen. Kennt sich jemand damit besser aus?

 

[Berlin]

Die Aulösung eines Objektives ist auf die Größenordnung der Lichtwellenlänge begrenzt (Beugung) die Pixel kleiner zu machen hat keinen Sinn.

 

[Gast_420853]

Die Aulösung eines Objektives ist auf die Größenordnung der Lichtwellenlänge begrenzt (Beugung) die Pixel kleiner zu machen hat keinen Sinn.

Vielen Dank! Ich möchte meine Frage gerne doch etwas präziser formulieren: Würde ein Pixel, das kleiner ist als die Wellenlänge des Photons, prinzipiell in der Lage sein, das Photon zu registrieren?

 

[Maximus]

Natürlich würde das Photon registriert. Es macht nur keinen Sinn, den enormen Aufwand zu betreiben, 400nm größe Pixel zu bauen, da du keinen Infortmationsgewinn dabei hast.

Photon detektieren heißt, das Photon schlägt ein Elektron aus einem Atom des Sensors aus. Das Elektron wird in einem Kondensator gespeichert und erzeugt dort eine Spannung, die man messen kann. Das funktioniert auch mit ein paar wenigen Atomen. 400nm Pixel wären aber immerhin bei Silizium noch ein paar hunderttausend Atome pro Pixel.

400nm Pixel wären übrigens bei Kleinbild 5400 Megapixel

 

[merlinschmidt]

Theoretisch hätte man erst mal einen Informationsgewinn bei sehr kleinen Pixeln.
Das Problem ist jetzt aber bei der Größe (Unschärfe in der Quantenmechanik), ob das Photon nicht einfach lieber in einem Nachbardetektor von der Größenordnung einschlägt -> hohes "Rauschen", das technisch nicht zu lösen ist. Optische Abbildungsprobleme (Auflösung Objektiv, Beugung...) kommen hinzu.
Weiteres Problem: Man benötigt pro Pixel eine genügend hohe Anzahl an Elektronen, die gemessen werden, so dass sich Auslese- und weitere Ungenauigkeiten nur noch in einem statistisch nicht relevanten Bereich bewegen. Und das ist bei aktuellen Sensorgrößen ja schon ein Problem (daher kommt ja gerade das Rauschen, insbesondere bei hohen Iso-Werten). Also eine schier unendliche Anzahl an allen möglichen Ingenieurs-technischen Problemen, die dann auftreten.

Davon ab, würde ein beliebig kleiner Pixel Photonen registrieren können. Mit irgendeinem Atom "in der Umgebung" interagiert ein Photon bestimmt - Es ist ja weder ein Teilchen, noch eine Welle, entscheidet sich aber "irgendwann" für einen Interaktionsort - der ja auch bei aktuellen Sensoren ja immer ein bestimmtes Atom ist.

 

[TGGC]

Rein statistisch gesehen nimmt die Information trotzdem immer weiter zu. Pixel dürfen also beliebig klein sein. Sie werden nur nicht beliebig scharf.

 

[Gast_420853]

Danke für eure Beiträge! Klarer Informationsgewinn für mich!

 

[01af]

Bei Spekulationen um mögliche MP-Zahlen von Sensoren lese ich öfters den Einwand, daß ein Pixel nicht kleiner als die Wellenlänge des zu registrierenden Photons sein sollte.

Ich weiß es auch nicht ... aber allzu weit sind wir davon nicht mehr entfernt. Es gibt bereits Kompakt- und Bridge-Kameras mit 1/2,3"-Sensoren und 20 Megapixel. Wenn ich mich nicht verrechnet habe, so liegt deren Pixelabstand bei knapp 1,2 µm oder rund 1.200 nm (entsprechend 600 MP bei Kleinbild-Vollformat). Das ist bereits weniger als die doppelte Wellenlänge roten Lichtes, welche bei rund 700 nm liegt.

 

[Otzuka]

Das Problem ist das zuerst alle Rauschquellen aufs minimum reduzierst werden müssen (abgesehen vom Photonenrauschen natürlich). Den selbst bei 3e Elektronen Ausleserauschen hat man bei einer full well von 3000e gerade mal 60db Dynamic Range.

 

[whr_]

bei 3e Elektronen Ausleserauschen hat man bei einer full well von 3000e gerade mal 60db Dynamic Range.

30 dB.

Und schön, daß nun wirklich jeder bemerkt hat, daß schon heute hohe Pixeldichten bei kleinen Sensoren wegen der Beugung nicht mehr viel bringen. Insofern ist eine Diskussion, ab wann die Quantenelektronik andere Grenzen setzt und daß Pixel nicht beliebig klein sein dürfen, relativ müßig. Die Elementarzelle von Silizium ist um einen Faktor 1000 kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Da ist noch eine Menge Luft, bevor Quantum-Well-Effekte unvermeidlich werden.

 

[-rabu-]

mehr 12 MP bringt nur Geld in die Kassen der Objektivhersteller.
Alles andere ist verkleinern des Rauschens und damit eine Variante von "Schmutz unter den Teppich zu kehren".
Es lebe die 5D.