CMOS Vollformat im Trend

9. November 2019

Alexa LF Vollformat Kamera    Foto: Arri

Vor gut 100 Jahren trat das Kleinbild Format mit der Leica Kamera seinen Siegeszug in der Fotografie an und hat sicherlich durch den Fotojournalismus visuell und formal ein Weltbild geformt. In der analogen Filmtechnik war ein entsprechend großes Negativ als Vistavision Format eine Randerscheinung. Mit der Canon 5D aber wurde im Videobereich das Kleinbildformat eine Realität und 10 Jahre nach der Einführung als Vollformat zum gängigen Trend. Inzwischen gibt es mindestens 18 ernst zu nehmende digitale Filmkameras mit Vollformat Sensor.

Filmkameras                                                    Fotokameras mit Filmfunktion

• Arri Alexa LF                                                   Canon 5D Mark III
• Arri Alexa Mini LF                                             Canon R
• Canon C700 FF                                                Leica SL2
• Canon C500 Mark II                                         Nikon S7
• Kinfinity Mavo                                                  Nikon D5
• Panavision DLX2                                              Panasonic S1H
• Red DCM2 Monstro                                          Sigma FP
• Sony Venice                                                    Sony Alpha9
• Sony FX9                                                        Sony Alpha7 Serie

Was nach großer Vielfalt aussieht entpuppt sich bei genauerem Hinschauen als ein Angebot sehr ähnlicher Produkte mit vielen identischen Merkmalen. Die oberflächliche Vermutung, alle machen das Gleiche, hat einen ursächlichen Hintergrund. Im Kamerabau werden zunehmend Hardwarebauteilgruppen mit Softwarekomponenten verknüpft und beides wird fertig angeboten. Bei der Sensorproduktion hat sich Sony unangefochten zum Marktführer entwickelt. Weil man die Spitzenprodukte, sprich den besten Sensor, nicht für die eigenen Kameras reservieren kann wenn man die anderen Kunden nicht vor den Kopf stoßen will, wurde die Sensorproduktion in eine eigene Firma Sony Semicon ausgegliedert, die alle Marktteilnehmer beliefert und auch Sonderwünsche erfüllt. So hatte Panasonics Lumix S1 Kamera den hochauflösenden 5.76 Megapixel Okularsucher lange bevor Sonys Alpha 7 und 9 Kameras gleichzogen. 

 Panasonic Lumix S1H mit Vollformat, 4K 422 10bit Videointern  Foto: Panasonic

Rückseitenbelichtung

Ein Sensor wird wie auch andere Halbleiter Schichtweise auf einem Waver aufgebaut. Konventionell geschieht das zunächst durch das Aufbringen der lichtempfindlichen Schicht auf der dann für jeden Pixel die notwendigen Schaltungen untergebracht werden. Dadurch verringert sich die  Lichtempfindlichkeit des Pixels. Nach den Schaltungen folgt des Bayernpattern als RGB Farbfilter und davor werden die Mikrolinsen platziert, die möglichst viel Licht einsammeln sollen. Sony hat vor Jahren durch Abschleifen der Rückseite und Umdrehen der Schichtfolge den sogenannten Rückseiten belichtete Sensor eingeführt, bei dem nun die lichtempfindliche Schicht des Pixel vorne und die Schaltungen dahinter liegt. Mit dieser Technik lässt sich aus der gegebenen Pixelfläche die höchste Lichtausbeute realisieren.

Rückseitenbelichtung  Grafik: Sony 

 

Rolling Shutter

Der Rolling Shutter ist das gängige Ausleseprinzip bei CMOS Sensoren. Dabei wird die Ladung der Pixel sukzessive Zeilenweise ausgelesen. Dieser Vorgang findet kontinuierlich statt braucht Zeit, limitiert letztlich die maximale Bildfrequenz und führt zu einem Zeitversatz zwischen der Entstehung der Bildinhalte innerhalb eines Frames. Finden nun Veränderungen der Bildinhalte mit einer Geschwindigkeit statt, die ähnlich groß oder größer ist als die Auslesegeschwindigkeit, kommt es zu Artefakten, bei denen das bewegte Objekt in verschiedenen Bewegungszuständen gleichzeitig auf einem Bild zu sehen ist.

 Rolling Shuttereffekt bei einem rotierenden Siemensstern, links Stillstand, rechts rotierend (Foto Lusznat)

Bei Filmaufnahmen lassen sich Rolling Shutter Artefakte nicht ausschließen. Sie verringern sich jedoch drastisch je schneller durch den technologischen Fortschritt der Auslesevorgang des CMOS Sensors wird. Je höher die maximale Bildfrequenz eines Sensors ist, was direkt mit der Auslesegeschwindigkeit zusammenhängt, um so geringer sind die Rolling Shutter Artefakte. Manche Hersteller geben als maximale elektronische Verschlusszeit eine 1/32.000 Sec. an. Die Auslesezeit ist dann entsprechend oder kürzer.

 

Der Global Shutter

Beim CMOS Sensor mit Global Shutter werden alle Pixel gleichzeitig ausgelesen und gleichzeitig gleichlang belichtet. Diese Gleichzeitigkeit erreicht man mit keinem mechanischen Verschluss, in keiner Film- oder Fotokamera. Beim Global Shutter Sensor ist dafür ein höherer Schaltungsaufwand für jeden einzelnen Pixel notwendig. Zusätzliche Transistoren müssen in den Pixel integriert werden. Zusammen mit der Rückseitenbelichtung und direkt auf dem Sensor angebrachtem Prozessor lassen sich leistungsstarke Global Shutter Sensoren mit guter Empfindlichkeit herstellen.

 

  

Canon C500 II Vollformat Kamera    Foto: Canon

 

Empfindlichkeit

Der Sensor bestimmt die Empfindlichkeit der Kamera. Ursächlich hängt die Empfindlichkeit von der Pixelgrösse ab. Ein großer Pixel sammelt mehr Licht. Durch nachgeschaltete Elektronik lässt sich das Signal verstärken, aber mehr Verstärkung bedeutet mehr Rauschen. Die Parameter sind für alle Hersteller die gleichen und im Dreieck von Empfindlichkeit, Auflösung und Rauschen versucht jeder ein Optimum an Bildqualität zu generieren. Der aktuelle Trend ist die Duale-Empfindlichkeit [Dual Native ISO] eines Sensors (erstmals bei Panasonic Varicam). Vereinfacht beschrieben werden dabei jedem Pixel zwei Schaltkreise zugeordnet die für eine niedrige und eine hohe Empfindlichkeit optimiert sind. Die zwei Empfindlichkeitsbereiche decken einen Belichtungsumfang ab, der mit einem mittleren ISO Wert angegeben wird. Je nach Aufnahmemodus und Gamma kann sich deshalb der ISO Wert ändern. Bei der Panasonic Lumix S1H beispielsweise liegt er für REC709 bei 100/640 ISO und für V-log bei 640/4000 ISO.

 

 Dual Nativ ISO Schaltung   Grafik: Panasonic

 

Autofokus

Autofokus ist heute ein Thema, mit dem sich auch jeder Filmer auseinandersetzten muss. Die Möglichkeiten sind inzwischen durch ausgeklügelte Technik sehr verlockend geworden und helfen in Zeiten, in denen der Zeitgeist einen Look mit geringer Tiefenschärfe bevorzugt, besser und schneller die Fokusebene zu treffen, bevorzugt auf die Schärfenebene der Darsteller-Augen.

Es gibt aktiven und passiven Autofocus. Beim aktiven Autofokus wird ein Mess-Strahl von der Kamera ausgesendet und die Entfernung zum Objektiv nach Reflexion bestimmt. Für die Filmarbeit sind solche System, die unsichtbar arbeiten müssen, komplex und kostspielig. Beim Passiven Autofokus wird durch Bildanalyse oder durch den Vergleich zweier Bilder aus unterschiedlichen Winkeln die optimale Schärfenebene oder Entfernung bestimmt. Zwei Verfahren sind dabei gebräuchlich. Der Kontrastautofokus bestimmt über den Vergleich von Kantensprüngen in der Bildinformation  die optimale Einstellung der Schärfenebene genauso wie der Kameramann auf der Mattscheibe eines optischen Suchers am besten an hell-dunkel Motivkanten die Schärfe einstellt, und durch hin- und her Drehen des Schärfenringes die optimale Position findet. Da ein hin- und her-Drehen des Schärferings während der Aufnahme ein Überschwingen in der Schärfenebene bedeutet, ist dieses Verfahren für die Filmanwendung während der Aufnahme suboptimal.

Beim Phasenautofokus geht man davon aus, dass von jedem Objektpunkt  je ein Lichtstrahlenbündel auf unterschiedlichen Wegen links und rechts außen durch die Optik gehen und in der Schärfenebene vereint werden. Isoliert man durch optische Tricks nebeneinanderliegende Pixel so, dass sie die entsprechenden Strahlenbündel empfangen, kann man durch die Richtungsbestimmung feststellen, ob die Schärfe vor oder hinter der Bildebene liegt und in welche Richtung der Schärfenring drehen muss, um ein optimales Bild zu erzielen.  Es gibt eine Reihe von patentierten Verfahren für die Ausgestaltung der Pixel. Durch besondere Teilung, spezielle Anordnung und durch optische Vorsätze werden sie zu Phasen ermittelnden Zellen und sind in den Aufnahmesensor integriert. Für hohe AF-Geschwindigkeiten arbeiten die verschiedenen Methoden zusammen. Hinzu kommt die künstliche Intelligenz bei der Echtzeit Bildauswertung, die in der Lage ist, Gesichter und Augen zu erkennen. Sonys Alpha 9 Kamera kann bis zu 8 Gesichter registrieren und verfolgen. Auch die Tiererkennung schreitet voran. Hunde, Katzen und andere Tiere werden inzwischen problemlos erkannt. Mit einer differenzierten Gesichtserkennung ist die Schärfenverlagerung zwischen zwei Personen kein Problem mehr. Auch wenn eine Person kurzzeitig das Bildfeld verlässt oder im Bild das Gesicht abwendet, arbeitet der intelligente Autofokus unbeirrt weiter. Bis zu 480 Mal in der Sekunde werden die Bildinformationen vom Prozessor abgefragt. Bei Bewegungen können die Kameras die Verlagerung der Schärfenebene der Gesichter vorhersehen und der Mix aus Prognose und Messung macht die Systeme noch schneller. Diese Technik hat Sony auch in die Vollformat Kamera FX9 integriert. Sie arbeitet bevorzugt mit Sonys Autofokus Objektiven. Aber denkbar sind für die Zukunft auch externe Schärfenziehvorrichtungen, die über den Sensor gesteuert werden.

 

Sony FX9  Vollformat Kamera   Foto: Sony

Durch das Zusammenführen von Sensor Signalverarbeitung und IC Prozessor kann die Bildverarbeitung beschleunigt werden. Höhere Bildraten sind realisierbar und das Rauschverhalten wird beim Schichtaufbau durch kurze Signalwege verbessert. Realisierbar ist auch ein Multistreaming gleicher Inhalte in unterschiedlicher Qualität oder mit verschiedenem Kontrastumfang für HDR Anwendungen.

 

 Im Schichtaufbau: Bildbereich(1), Speicher (2)und Signalverarbeitung (3), Bildprozessor (4)  Grafik: Sony

 

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