Sensordiskussion aus "Der Photokina Orakel thread "

[mjh]

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Angenommen es gelänge die Lichtempfindlichkeit des Sensors wesentlich zu steigern (vielleicht in Richtung „Schwarzes Silizium“?) und damit Lichtausbeute, Dynamik und Rauschverhalten des heutigen 43-Formates wesentlich zu verbessern, dann würde mFT mit noch besseren elektronischen Suchern doch die Ansprüche an höhere Bildqualität für diejenigen Benutzer erfüllen, die für die Bildgestaltung kein größeres Format brauchen (Schärfentiefe, Perspektive, …) und den Crop-Faktor 2 gut einzusetzen verstehen.

Eine höhere Lichtempfindlichkeit, durch „schwarzes Silizium“ oder was auch immer, vergrößert die Grundempfindlichkeit, nicht aber den Dynamikumfang oder den Rauschabstand. Nur der ISO-Wert, bei dem ein bestimmter Dynamikumfang und Rauschabstand erreicht werden, erhöht sich.

 

Vereinfacht gesagt: Wenn Du die Bildqualität Deiner APS-C- oder FT-Kamera bei ISO 100 absolut in Ordnung findest, mit dem schlechteren Rauschanstand und geringeren Dynamikumfang im höheren ISO-Bereich aber Probleme hast, könnte Dir schwarzes Silizium (o.ä.) helfen, denn das reagiert vielleicht bei ISO 3200 so empfindlich wie ein aktueller Sensor bei ISO 100. Aber wenn Dir der Dynamikumfang heute schon bei ISO 100 zu klein ist, bringt Dir das gar nichts, denn der im günstigsten Fall erreichbare Dynamikumfang (und Rauschabstand) hängt immer noch davon ab, wie viele Elektronen pro Pixel gesammelt werden können. Das wird auch bei Sensoren aus schwarzem Silizium noch immer größere Pixel erfordern.

[joachimeh]

... der im günstigsten Fall erreichbare Dynamikumfang (und Rauschabstand) hängt immer noch davon ab, wie viele Elektronen pro Pixel gesammelt werden können...

 

... genau das war je mein Ansatz, dass die Lichausbeute pro Pixel (d.h. pro belichteter Fläche des Pixels) erhöht werden kann ...

 

("schwarz" bedeutet hier doch höhere Absorbtion, die - sofern ich mich nicht irre - durch eine veränderte Kristalloberflächenstruktur erreicht werden kann, die die absorbierende Fläche in die Tiefe vergrößert - etwa so vorzustellen wie die Kegel und Krater der schallabsorbierenden Wände)

[mjh]

... genau das war je mein Ansatz, dass die Lichausbeute pro Pixel (d.h. pro belichteter Fläche des Pixels) erhöht werden kann ...

 

("schwarz" bedeutet hier doch höhere Absorbtion, die - sofern ich mich nicht irre - durch eine veränderte Kristalloberflächenstruktur erreicht werden kann, die die absorbierende Fläche in die Tiefe vergrößert - etwa so vorzustellen wie die Kegel und Krater der schallabsorbierenden Wände)

Ja, die Quantenausbeute wird verbessert. Aber das heißt nur, dass der Eimer schneller voll ist; es passt deshalb noch nicht mehr hinein. Die Pixel werden empfindlicher – man kommt bei gleichen Lichtverhältnissen mit einer kürzeren Belichtung aus –, aber am Ende hat man nicht mehr gesammelt als bisher auch. Bei einer angenommenen Grundempfindlichkeit von ISO 3200 (nur eine Hausnummer …) würde der Eimer bei einer Belichtung nach ISO 3200 schön voll, bei einem gewöhnlichen Sensor mit einer Grundempfindlichkeit von ISO 100 aber nur zu 1/32 (gut 3 Prozent), wenn man gemäß ISO 3200 belichtet. Daher hat man im hohen ISO-Bereich Vorteile. Wenn es aber taghell ist, musst Du zusehen, wie Du (mit einem ND-Filter vielleicht) die nun unhandlich hohe Grundempfindlichkeit des schwarzen Siliziums in den Griff bekommst, und hast am Ende auch nur im besten Fall einen vollen Eimer. Und der ist auch schwarz angestrichen nicht größer, so lange das Pixel nicht größer ist.

[joachimeh]

Ja, die Quantenausbeute wird verbessert. Aber das heißt nur, dass der Eimer schneller voll ist; es passt deshalb noch nicht mehr hinein. Die Pixel werden empfindlicher – man kommt bei gleichen Lichtverhältnissen mit einer kürzeren Belichtung aus –, aber am Ende hat man nicht mehr gesammelt als bisher auch. Bei einer angenommenen Grundempfindlichkeit von ISO 3200 (nur eine Hausnummer …) würde der Eimer bei einer Belichtung nach ISO 3200 schön voll, bei einem gewöhnlichen Sensor mit einer Grundempfindlichkeit von ISO 100 aber nur zu 1/32 (gut 3 Prozent), wenn man gemäß ISO 3200 belichtet. Daher hat man im hohen ISO-Bereich Vorteile. Wenn es aber taghell ist, musst Du zusehen, wie Du (mit einem ND-Filter vielleicht) die nun unhandlich hohe Grundempfindlichkeit des schwarzen Siliziums in den Griff bekommst, und hast am Ende auch nur im besten Fall einen vollen Eimer. Und der ist auch schwarz angestrichen nicht größer, so lange das Pixel nicht größer ist.

 

 

.... also braucht's "größere Eimer" bzw. einen schnelleren Abtransport der erzeugten Elektronen (z.B. nicht mehr: wenn alle Eimer gefüllt, dann die Eimerkette durchtackern, sondern sofort abzapfen - aber wie? - also, ich seh, hier wird's fiktional .... )

[tom-tom]

.... also braucht's "größere Eimer" bzw. einen schnelleren Abtransport der erzeugten Elektronen (z.B. nicht mehr: wenn alle Eimer gefüllt, dann die Eimerkette durchtackern, sondern sofort abzapfen - aber wie? - also, ich seh, hier wird's fiktional .... )

 

Du meinst einen 'Integrator' auf dem Sensor, wobei das unheimlich empfindliche einzelne Sensorelement die Elektronen während der Belichtungsdauer ständig durchschiebt und der 'Integrator' mitzählt und am Ende der Belichtung den Gesamtwert abliefert? Das ganze für 10 oder 14 Mio. Pixel.

Könnte tatsächlich leicht fiktional sein.

[joachimeh]

Du meinst einen 'Integrator' auf dem Sensor, wobei das unheimlich empfindliche einzelne Sensorelement die Elektronen während der Belichtungsdauer ständig durchschiebt und der 'Integrator' mitzählt und am Ende der Belichtung den Gesamtwert abliefert? Das ganze für 10 oder 14 Mio. Pixel.

Könnte tatsächlich leicht fiktional sein.

 

... wieviel Ladung kann denn ein Sensorpixel pro 4x4 µm² Fläche und x µm Tiefe aufnehmen bevor dieser "Eimer" voll ist? Eine Verdoppelung/Vervierfachung wäre immerhin schon ein Erfolg (beim gewöhnlichen Kondensator bestimmt die Fläche die Aufnahmefähigkeit für Ladung, deshalb meine Frage, ob die in die Tiefe des Pixels hineinvergrößerte Fläche nicht auch eine erhöhte Ladungsaufnahme bedeutet). Es verwundert mich allerdings, dass seit Februar 2009, als man einiges zu diesem Thema in der Fachpresse hörte, z.Z. ziemlich Funkstille ist. Insofern ist diese Diskussion vermutlich rein hypothetisch.

[isaac]

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Hallo Joachim!

Angenommen es gelänge die Lichtempfindlichkeit des Sensors wesentlich zu steigern (vielleicht in Richtung „Schwarzes Silizium“?) und damit Lichtausbeute, Dynamik und Rauschverhalten des heutigen 43-Formates wesentlich zu verbessern,

Zu Dynamik und Rauschverhalten hat Michael schon Stellung bezogen, mir bleibt daher nurmehr die Lichtausbeute.

Übliche Silizium-Sensoren (egal ob CCD oder CMOS) haben eine Quantenausbeute (im für uns nutzbaren sichtbaren Bereich) von etwa 3 - 4, soll heissen, um ein Elektron zu erzeugen, braucht man 3 - 4 Photonen. Da sind aber Reflexion und Rekombination sowie das ungünstige spektrale Maximum von etwa 900nm schon mit eingerechnet.

Was ich bisher über "schwarzes Silizium" zu lesen bekommen habe dürfte sich um eine Fehlinterpretation handeln. Meiner Meinung nach bringt diese nadelförmige Substruktur keine Empfindlichkeitssteigerung sondern nur eine Sättigungserhöhung (full well capacity) die - wie sollte sie auch - auf die Quantenausbeute keinen Einfluß ausübt sondern - im Gegensatz zu Michaels Interpretation - nur die Dynamik erhöht, also auf kleinerer Pixelfläche mehr Licht sammeln und in Elektronen umwandeln kann.

Eigentlich genau das, was wir uns für (m)FT wünschen.

An der erreichbaren mittleren ISO-Empfindlichkeit wird es - meiner Ansicht nach - nichts ändern. Eher im Gegenteil, weil die spektrale Empfindlichkeitsverteilung noch weiter ins Infrarot reicht als die von normalen Siliziumsensoren.

heise online - Schwarzes Silizium: Sensor-Material der Zukunft?

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[isaac]

Hallo Joachim!

... wieviel Ladung kann denn ein Sensorpixel pro 4x4 µm² Fläche und x µm Tiefe aufnehmen bevor dieser "Eimer" voll ist? Eine Verdoppelung/Vervierfachung wäre immerhin schon ein Erfolg (beim gewöhnlichen Kondensator bestimmt die Fläche die Aufnahmefähigkeit für Ladung, deshalb meine Frage, ob die in die Tiefe des Pixels hineinvergrößerte Fläche nicht auch eine erhöhte Ladungsaufnahme bedeutet).

Du hast das absolut richtig erkannt!

So ein "schwarzer Sensor" kann mehr Licht aufnehmen, aber er kann nicht aus einem Photon gleich zehn Elektronen erzeugen.

Alles was man ereichen könnte, wäre eine Dynamikerhöhung auf kleinster Pixelfläche (Vollformatfeeling mit Kompaktkamera :-)

[mjh]

So ein "schwarzer Sensor" kann mehr Licht aufnehmen, aber er kann nicht aus einem Photon gleich zehn Elektronen erzeugen.

Das schwarze Silizium erhöht tatsächlich die Quantenausbeute. Im Bereich des sichtbaren Lichts absorbiert eine verglichen mit aktuellen Sensoren sehr dünne Schicht gut 90 Prozent aller Photonen – auch bei langen Wellenlängen oberhalb von 1000 nm soll die Absorptionsrate noch oberhalb von 80 Prozent liegen. Mit einer höheren Vorspannung will man die Ladungsaubeute noch vervielfachen (SiOnyx verspricht eine effektive Quantenausbeute von 10000 Prozent), was für fotografische Belange aber wohl weniger interessant wäre. Ein Sensor aus schwarzem Silizium nimmt also mehr Licht auf (mehr Photonen werden absorbiert), aber er kann deshalb noch immer nicht mehr Ladungen speichern, was auch nirgendwo versprochen wird.

 

Ich habe allerdings noch nichts von geplanten Anwendungen schwarzen Siliziums in der Fotografie gehört. Die hohe Empfindlichkeit im infraroten Bereich (normales Silizium ist nur für ein schmales Band im Bereich des nahen Infrarots empfindlich) erhöht die Anforderungen an das IR-Sperrfilter vor dem Sensor und die hohe Grundempfindlichkeit des Sensors müsste erst mal mit ultrakurzen Verschlusszeiten oder Graufiltern bewältigt werden.

[mjh]

... wieviel Ladung kann denn ein Sensorpixel pro 4x4 µm² Fläche und x µm Tiefe aufnehmen bevor dieser "Eimer" voll ist? Eine Verdoppelung/Vervierfachung wäre immerhin schon ein Erfolg (beim gewöhnlichen Kondensator bestimmt die Fläche die Aufnahmefähigkeit für Ladung, deshalb meine Frage, ob die in die Tiefe des Pixels hineinvergrößerte Fläche nicht auch eine erhöhte Ladungsaufnahme bedeutet).

Die Tiefe bringt hier nichts. Schwarzes Silizium ist sehr dünn, weil die dünne Schicht bereits fast alle Photonen absorbiert; in gewöhnliches Silizium dringen die Photonen tiefer ein, bevor sie absorbiert werden (wenn überhaupt), sodass die Schicht dicker sein muss; das bringt aber eben nur den Vorteil, dass man die Quantenausbeute erhöht – speziell für rotes Licht. Rotes Licht hat eine größere Eindringtiefe als grünes oder gar blaues Licht; dieser Umstand wird in Foveons X3-Sensor ausgenutzt.

 

Für die Ladungsspeicherung ist die Pixelfläche relevant, außerdem natürlich der Prozentsatz dieser Fläche, der zur Ladungsspeicherung verfügbar ist. Je mehr zusätzliche Transistorfunktionen in die Pixel integriert werden, desto weniger Platz bleibt zur Ladungsspeicherung.

[isaac]

Hallo Michael!

Das schwarze Silizium erhöht tatsächlich die Quantenausbeute. Im Bereich des sichtbaren Lichts absorbiert eine verglichen mit aktuellen Sensoren sehr dünne Schicht gut 90 Prozent aller Photonen – auch bei langen Wellenlängen oberhalb von 1000 nm soll die Absorptionsrate noch oberhalb von 80 Prozent liegen. Mit einer höheren Vorspannung will man die Ladungsaubeute noch vervielfachen (SiOnyx verspricht eine effektive Quantenausbeute von 10000 Prozent), was für fotografische Belange aber wohl weniger interessant wäre. Ein Sensor aus schwarzem Silizium nimmt also mehr Licht auf (mehr Photonen werden absorbiert), aber er kann deshalb noch immer nicht mehr Ladungen speichern, was auch nirgendwo versprochen wird.

Ich will dir keinsfalls zu nahe treten, aber eine Quantenausbeute von 10000 Prozent hieße, aus einem Photon werden 100 Elektronen.

Da hat es irgendwo etwas. Entweder dein Zitat ist fehlerbehaftet oder deine Quelle.

Eine solche Quantenausbeute würde einem Photomultiplier schon alle Ehre machen.

Die von dir zitierte 'Vorspannung' würde auch eher auf Sekundärelektronen deuten...

[mjh]

Ich will dir keinsfalls zu nahe treten, aber eine Quantenausbeute von 10000 Prozent hieße, aus einem Photon werden 100 Elektronen.

Natürlich sind das Sekundärelektronen, das ist ja klar. Die Quantenausbeute aus den absorbierten Photonen soll, wie gesagt, bei gut 90 Prozent liegen. Im Heise-Online-Artikel, auf den Du oben verwiesen hattest, ist das nicht voneinander unterschieden; da klingt es so, als seien die von SiOnyx genannten Werte allein der hohen Absorptionsrate des schwarzen Siliziums zu verdanken.

bearbeitet 24. Juli 2010 von mjh

[tom-tom]

Was hälst Du denn für die wahrscheinlichste Sensorrevolution, die uns bevorsteht?