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Der LBCAST Sensor

22.07.2003
Am 22. Juli 2003 stellte Nikon die D2H vor, eine neue digitale Spiegelreflexkamera der vierten Generation. In der D2H kommt erstmalig ein neuer Bildsensortyp zum Einsatz: ein so genannter LBCAST-Sensor. Mit dem LBCAST-Sensor steht Nikon neben wenigen anderen Herstellern digitaler Kameras, die in der Lage sind, qualitativ hochwertige Bildsensoren mit vergleichbar hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit zu produzieren, an der Spitze der technologischen Entwicklung.

 

Was ist neu ?

Der neue Bildsensor basiert auf der JFET-Technologie, einer bewährten Halbleiterarchitektur mit einem bestimmten Transistortyp, und ist eine Nikon-eigene Neuentwicklung. Der Sensor wurde speziell auf die besonderen Anforderungen der Profifotografie hin entwickelt.

Die Grundlagenforschung zum neuen LBCAST-Sensor begann vor 10 Jahren im Photonics Technology Department am Nikon Core Technology Centre in Japan. Der Transistortyp spielt eine wesentliche Rolle für die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Ausgabequalität des Sensors. Von Anfang an wurden aber auch die besonderen Anforderungen der digitalen Fotografie berücksichtigt. Eine Bedingung war, dass der Sensor für alle Objektivtypen aus dem gesamten System der Nikkor-Wechselobjektive geeignet sein musste. Bereits in einem frühen Entwicklungsstadium wurde daher der Frage große Aufmerksamkeit geschenkt, wie das Licht von unterschiedlichen Objektiven auf den Sensor gelenkt wird. Der neue LBCAST-Sensor ist daher optimal auf die optischen Eigenschaften der Nikkor-Objektive abgestimmt.

Vergleich zu CCDs

Der neue Bildsensor besteht aus JFET-Transistoren (Junction Field Effect Transistor = Sperrschicht-Feldeffekttransistor). »JFET« kann als Gegenbegriff zu »CCD« (bipolare Architektur) und zu »CMOS« aufgefasst werden. CCD-Sensoren sind derzeit die bekanntesten Sensortypen. Sie zeichnen sich durch eine beständige und gleichmäßige Qualität über die gesamte Sensorfläche aus, haben aber den Nachteil eines hohen Stromverbrauchs und hoher Fertigungskosten. Im Vergleich dazu verbrauchen CMOS-Sensoren zwar weniger Strom, benötigen aber zusätzliche Schaltkreise, um Empfindlichkeitsabweichungen in unterschiedlichen Sensorbereichen zu kompensieren.

Der hohe Stromverbrauch der CCD-Sensoren erklärt sich aus dem Prinzip der bipolaren Architektur: Für den »Output« des Sensors ist es nötig, dass Strom fließt (Energieprinzip). Anders verhält es sich bei CMOS- und JFET-Sensoren: Sie reagieren auf ein (statisches) Spannungsfeld und können Signale daher bei niedrigerem Stromverbrauch schneller verarbeiten.

Trotz dieser Gemeinsamkeit hat JFET gegenüber CMOS wesentliche Vorteile. JFET kommt mit einer deutlich geringeren Anzahl von Schaltkreisen aus, was sich letztendlich positiv in einem niedrigerem Stromverbrauch und einem geringeren Rauschen niederschlägt. Von Anfang an hat sich die Entwicklungsabteilung das reibungslose Zusammenspiel des LBCAST-Sensors mit entsprechender Hardware, wie sie jetzt in der D2H zum Einsatz kommt, zum Ziel gesetzt. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Der neue Sensor zeigt ein sehr geringes Rauschverhalten, ist nach dem Einschalten der Kamera praktisch sofort einsatzbereit, verarbeitet die Signale mit extrem hoher Geschwindigkeit und garantiert eine hohe und gleich bleibende Qualität über die gesamte Bildfläche.

Vorteile 

Trotz dieser Gemeinsamkeit hat JFET gegenüber CMOS wesentliche Vorteile. JFET kommt mit einer deutlich geringeren Anzahl von Schaltkreisen aus, was sich letztendlich positiv in einem niedrigerem Stromverbrauch und einem geringeren Rauschen niederschlägt. Von Anfang an hat sich die Entwicklungsabteilung das reibungslose Zusammenspiel des LBCAST-Sensors mit entsprechender Hardware, wie sie jetzt in der D2H zum Einsatz kommt, zum Ziel gesetzt. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Der neue Sensor zeigt ein sehr geringes Rauschverhalten, ist nach dem Einschalten der Kamera praktisch sofort einsatzbereit, verarbeitet die Signale mit extrem hoher Geschwindigkeit und garantiert eine hohe und gleich bleibende Qualität über die gesamte Bildfläche.

Die Technik

Der neue Bildsensor ist ein LBCAST-Sensor. »LBCAST« steht für »Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array« und beschreibt – in physikalisch-technischem Jargon – den Aufbau und die Funktion der einzelnen Sensorelemente (Transistoren).

Bei der Entwicklung eines Bildsensors stehen die Ingenieure oft vor dem Problem, Kompromisse eingehen zu müssen, da viele wünschenswerte Eigenschaften im Widerspruch zueinander stehen. So ist bei CCD-Sensoren eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit in der Regel mit einem hohen Stromverbrauch und einem verstärkten Rauschen verbunden. Lösungen wie die CMOS-Technologie reduzieren zwar den Stromverbrauch, benötigen zur Verstärkung der schwachen Signale jedoch eine größere Anzahl elektrischer Komponenten, die wiederum die Rauschanfälligkeit erhöhen und längere Wege zwischen Ein- und Ausgabe unvermeidlich machen.

Diese Nachteile treten bei JFET-Bildsensoren mit LBCAST-Architektur nicht oder höchstens in stark verminderter Form auf. Prinzipbedingt besitzen LBCAST-Sensoren eine extrem hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, einen sehr niedrigen Stromverbrauch und ein sehr geringes Rauschen.

Das »Lateral« in der Abkürzung »LBCAST« verweist darauf, dass der Elektronenfluss hauptsächlich horizontal und nicht vertikal verläuft. Dies ermöglicht sehr kurze Wege zwischen der optischen Oberfläche des Sensors (bestehend aus Mikrolinsen, Farb- und anderen Filtern und den Fotodioden, die Photonen in Elektronen umwandeln) und der Ausgabeseite. Die kurzen Distanzen verbessern die Sensorempfindlichkeit und reduzieren die Anfälligkeit für Moiré und andere Artefakte.

Halbleiterelemente werden nach einem Sandwich-Verfahren in mehreren Schichten gefertigt (indem der Silizium-Wafer in einem Ofen einem Gasgemisch ausgesetzt wird oder indem auf der obersten Schicht ein spezieller Stoff wie Aluminium aufgetragen wird). Das »Buried« in der Abkürzung LBCAST bedeutet, dass die entsprechende Sensorkomponente vollständig zwischen zwei andere Schichten des Sensors eingebettet ist.

Sowohl »Lateral« als auch »Buried« beziehen sich auf den »Charge Accumulator and Sensing Transistor« (Ladungsakkumulator und Messtransistor), der Hauptkomponente des Sensors, die die Elektronen sammelt – und die Elektronen repräsentieren letztlich das fotografische Bild.

Geschwindigkeit

Die Abkürzung »LBCAST« allein gibt noch keinen Hinweis auf die Vorzüge und die außergewöhnliche Leistung des neuen Bildsensors. So erfolgt beispielsweise die Signalverarbeitung im Vergleich zu anderen Sensortypen mit doppelter Geschwindigkeit. Die kürzeren Verarbeitungszeiten ermöglichen unter anderem eine wesentlich höhere Bildrate bei Serienaufnahmen. Weitere Vorteile sind ein geringeres Rauschen und ein niedrigerer Stromverbrauch. Pro Sensorpixel kommt ein JFET-Sensor mit nur drei Transistoren aus, während ein typischer CMOS-Sensor vier Transistoren pro Sensorpixel benötigt. Für die D2H bedeutet das eine Einsparung von mehr als vier Millionen Transistoren. Weniger Transistoren verbrauchen weniger Strom – pro Akkuladung können mit der D2H somit prinzipiell mehr Bilder aufgenommen werden.

Die JFET-Transistoren ermöglichen außerdem eine effizienter Sensorstruktur als CMOS-Transistoren. Bei JFET-Sensoren wird jedes Pixel einzeln verstärkt, während die Verstärkung bei einem CMOS-Sensor nur zeilen- oder spaltenweise erfolgt. Signalverstärker mit JFET-Transistoren besitzen deshalb eine geringere Bandbreite. Und obwohl ein JFET-Sensor prinzipiell eine schnellere Verarbeitung ermöglicht als ein CMOS-Sensor, steht den einzelnen Signalverstärkern mehr Zeit zur Verfügung. Da nach den Gesetzen der Physik das Rauschen mit der Geschwindigkeit eines Verstärkers zunimmt, sind JFET-Sensoren weniger rauschanfällig.

Beispiel D2H

Ohne die radikale Abkehr von etablierten Sensortechnologien wie CCD und CMOS hätten die herausragenden Eigenschaften der D2H nicht realisiert werden können: Highspeed-Serienaufnahmen mit 8 Bildern pro Sekunde, unmittelbare Aufnahmebereitschaft nach dem Einschalten, geringes Rauschen (das verbleibende Rauschen entspricht der Charakteristik von Filmkorn) und längere Akkulebensdauer durch niedrigeren Stromverbrauch.

Auch die übrigen Komponenten für die Bildverarbeitung und Bildoptimierung haben einen großen Einfluss auf die Bildqualität einer Digitalkamera. Sie wurden in einem aufwändigen Entwicklungsprozess eng auf die Spezifikationen des Bildsensors abgestimmt.

Kompatibilität

Der Strahlengang hinter dem Objektiv bis zum Bildsensor oder Film ist ein wesentlicher Faktor für die Qualität eines Systems aus Wechselobjektiven. Identische Winkel, in denen das Licht auf den Sensor oder den Film trifft, gewährleisten eine minimale Verzeichnung und eine optimale Kompatibilität der Wechselobjektive. Nikon hat als einziger Objektivhersteller den Austrittswinkel der Objektive standardisiert. Alle Nikkor-Objektive mit F-Bajonett besitzen eine identische Austrittspupille – und das seit der Markteinführung des ersten Nikkor-Objektivs mit F-Bajonett vor mehr als 40 Jahren.

Die Vorteile dieser Standardisierung zeigen sich vor allem bei Weitwinkelaufnahmen. Die einheitliche Austrittspupille ist die Voraussetzung für optimale optische Leistung der Objektive an allen Digitalgehäusen.

Der neue LBCAST-Sensor stellt Nikons Fähigkeit unter Beweis, bahnbrechende technologische Entwicklungen in ausgereifte Produkte für professionell arbeitende Fotografen zu überführen. Kein anderer Sensortyp und keine andere Bilderfassungstechnologie kann derzeit hinsichtlich Verarbeitungsgeschwindigkeit, unmittelbarer Aufnahmebereitschaft, Stromverbrauch und Rauschanfälligkeit mit dem LBCAST-Sensor konkurrieren.


 

 


 
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