Technische tijdlijn: Mijlpalen in sensorontwikkeling: Digital Photography Review

We blikken terug op de manier waarop cameratechnologie is veranderd in de 25-jarige geschiedenis van DPReview, met aandacht voor de mijlpalen die de afgelopen 25 jaar zijn bereikt. In dit artikel zullen we de grote stappen voorwaarts noemen die we hebben gezien in sensoren, terwijl we ook proberen uit te leggen welke verbeteringen zijn doorgevoerd.

De eerste beeldsensortechnologie die bruikbare goede resultaten opleverde en betaalbaar genoeg was om in consumentenproducten op te nemen, was de CCD-sensor (Charge-Coupled Device).

CCD’s lezen uit vanaf de rand van de sensor, één pixel per keer, waarbij de lading van de ene pixel naar de volgende trapsgewijze wordt verlaagd telkens wanneer een pixel wordt gelezen. De snelheid waarmee dit kan worden bepaald door de stroom die op de chip wordt toegepast, dus snel uitlezen vereist veel stroom.

Met de stroombeperkingen van batterijen voor kleine consumentencamera’s was het proces relatief traag en maakte livebeeld in compactcamera’s vrij traag en laggy. CCD’s vormden de basis van de vroege markt voor digitale camera’s, vanaf het midden van de jaren 90 tot het begin van de jaren 2010, hoewel gedurende deze tijd de constante ontwikkeling van deze technologie doorging, met steeds kleinere pixels en betere prestaties.

Maar het was een CMOS-sensor die de eerste DSLR van minder dan $ 1000 aandreef.

Ondertussen werd echter een rivaliserende technologie ontwikkeld, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Deze leveren de uitvoer van elke pixel op zijn beurt aan een gemeenschappelijke draad, wat betekent dat de lading niet door alle aangrenzende pixels hoeft te gaan om van de chip af te komen. Hierdoor kan de uitlezing sneller verlopen zonder dat er grote hoeveelheden stroom nodig zijn. CMOS-sensoren waren ook minder duur om te produceren. Canon was een pionier op het gebied van CMOS met de D30 APS-C DSLR in 2000. In de komende jaren zouden de prestaties blijven verbeteren en Canon verwierf een reputatie voor uitstekende hoge ISO-beeldkwaliteit.

Er is geen inherente reden waarom CCD zelf kleur anders zou vastleggen dan CMOS

Hoewel sommige fotografen met plezier terugkijken op de kleurreproductie van het CCD-tijdperk, is er geen inherente reden waarom CCD zelf kleur anders zou vastleggen dan CMOS. Eventuele verschillen zijn waarschijnlijker het gevolg van veranderingen in de selectiviteit van kleurfilters en absorptiekenmerken, aangezien fabrikanten probeerden de prestaties bij weinig licht te verbeteren door filters te gebruiken die meer licht doorlieten.

In 2007 was de grootste chipleverancier in de branche (Sony Semiconductor) overgestapt op CMOS voor zijn APS-C-chips, en CMOS werd de standaardtechnologie in camera’s met grote sensoren.

Vroege pogingen tot CMOS met kleine sensor waren niet altijd succesvol, dus CCD bleef compactcamera’s domineren lang nadat de meeste camera’s met grote sensor waren overgestapt op CMOS.

De snelle uitlezing van CMOS werd steeds belangrijker, zowel voor video-opname in camera’s zoals Canon’s EOS 5D Mk II als voor de liveweergave die steeds belangrijker zou worden in de opname-ervaring van camera’s met grote sensoren naarmate het spiegelloze tijdperk naderde.

In 2009 werden de eerste Back-Side Illuminated (BSI) CMOS-sensoren geïntroduceerd, een technologie die aanvankelijk vooral gunstig was voor de kleine pixels in de sensoren van smartphones en compactcamera’s. BSI-sensoren worden op vrijwel dezelfde manier vervaardigd als de bestaande, aan de voorzijde verlichte ontwerpen, maar het steunmateriaal waarop ze zijn gebouwd, wordt vervolgens weggeschoren en de ‘achterkant’ van de sensor wordt zo geplaatst dat deze naar de lens is gericht en ontvangt licht. Dit betekent dat je geen bedrading en circuits hebt voor het lichtgevoelige deel van elke pixel, waardoor de lichtabsorptie toeneemt. Deze voordelen zijn minder uitgesproken bij grote sensoren, dus Four Thirds, APS-C en full-frame BSI-chips zouden nog enkele jaren op zich laten wachten.

De 16 MP APS-C-sensor die verscheen in bijvoorbeeld de Pentax K-5, Nikon’s D7000 en een verscheidenheid aan Sony-modellen vertegenwoordigde een aanzienlijke stap voorwaarts en voegde een stop van verbetering toe in DR ten opzichte van de 12 MP-chip die eraan voorafging.

Voortdurende ontwikkeling van CMOS-ontwerpen resulteerde in voortdurende winst. Door nieuwe ontwerpen konden meer analoog-naar-digitaal-omzetters (ADC’s) worden opgenomen en konden die ADC’s dichter bij de pixels worden geplaatst. Dit minimaliseerde de hoeveelheid elektronische ruis die kon binnensluipen voordat de uitleesspanning werd vastgelegd, en het grote aantal ADC’s betekende dat ze niet allemaal zo snel hoefden te werken om een ​​snelle uitlezing te leveren. De hoeveelheid ruis die door ADC’s wordt toegevoegd, heeft te maken met hun snelheid, dus dit ontwerp zorgt voor een aanzienlijke vermindering van leesruis.

Verdere verfijning van deze ontwerpen zorgde voor minder leesruis, wat een tijdperk inluidde waarin je kon verwachten dat de meeste camera’s een aanzienlijk groter dynamisch bereik zouden vastleggen dan in een typische JPEG zou zijn opgenomen, wat betekent dat er veel meer bruikbare informatie in Raw-bestanden zat.

Het verhaal van sensorontwikkeling is niet alleen het verhaal van de halfgeleiderdivisies van Canon en Sony. Samsung was het eerste merk dat BSI-technologie naar APS-C bracht, met de NX1 uit 2014. De BSI-chip leverde de snelheid voor snelle fasedetectie op de sensor en 4K-video, in plaats van verbeterde prestaties bij weinig licht.

BSI kwam vanaf 2014 in grote sensoren. Bij grote sensoren vormde bedrading een veel minder belangrijk deel van de veel, veel grotere pixels, dus BSI biedt veel minder verbetering in beeldkwaliteit. Het bracht wel voordelen met zich mee. De eerste komt van het verbeteren van de hoeken van waaruit pixels licht kunnen opnemen. Dit is vooral handig op de hoeken van sensoren, waar het licht de sensor kan raken in een zeer scherpe hoek die moeilijk naar beneden te leiden is naar het verzonken lichtgevoelige gebied van een FSI-sensor. Ten tweede maakte het verplaatsen van de bedrading achter de pixel complexere schakelingen mogelijk, wat een verdere toename van het aantal ADC’s en snellere uitlezing zonder meer ruis betekende.

Het gebruik van BSI is bijna tien jaar later nog steeds niet universeel, omdat het geen groot voordeel voor de beeldkwaliteit biedt.

Een van de eerste sensoren die dubbele conversieversterking combineerde met Sony’s ontwerpen met weinig leesruis, gaf de a7S uitstekende prestaties bij hoge ISO.

Een andere vooruitgang om het dynamische bereik te verbeteren, kwam samen met dubbele conversieversterkingssensoren. Deze verschenen voor het eerst in de Aptina-sensoren die worden gebruikt in de Nikon 1-serie camera’s. Ze bieden een keuze uit uitleesmodi binnen elke pixel: een die het dynamische bereik maximaliseert bij lage ISO’s, de andere die minder capaciteit heeft voor DR maar minder leesruis levert, wat betere schaduwprestaties oplevert bij hoge ISO’s, waar DR minder kritisch is.

Toen deze technologie in licentie werd gegeven aan Sony Semiconductor, werd deze gecombineerd met de bestaande high-DR-ontwerpen om sensoren te creëren met uitstekende DR bij basis-ISO en een boost in hoge ISO-prestaties. Deze ontwerpen met twee modi worden niet altijd gepubliceerd door de fabrikanten, maar de toepassing van dubbele versterking gaf de originele a7S zijn uitstekende hoge ISO-prestaties (niet zijn grote pixels, ondanks wat je misschien hebt gehoord). Dit is de staat die de meeste hedendaagse camera’s hebben bereikt.

De sensor van de Nikon Z9 is snel genoeg om volledig op zijn elektronische sluiter te vertrouwen. Ook heeft hij aparte buffering voor full-res beelden en voor AF en live view. Dit is waarschijnlijk nog maar het begin van wat gestapelde architectuur mogelijk zal maken.

Stacked CMOS is de huidige cutting edge van fabricagetechnologie, en het brengt de BSI-benadering nog verder, door lagen van halfgeleiders te creëren, ze van hun rug af te schaven en ze vervolgens met elkaar te verbinden om ontwerpen mogelijk te maken met nog complexere en geavanceerdere circuits. Het is een tijdrovend en duur proces en is daarom alleen verschenen in vrij kleine chips in smartphones en compactcamera’s, en in zeer krachtige modellen met grote sensoren. Net als BSI liggen de belangrijkste voordelen niet in de vorm van beeldkwaliteit, maar in het mogelijk maken van snellere en complexere gegevensverwerking. Voorbeelden die we tot nu toe hebben gezien, zijn onder meer ingebouwd RAM, zodat de sensor een ander beeld kan vastleggen terwijl het vorige nog door de camera wordt verwerkt, of dubbele uitlezingen die parallelle paden bieden voor de uitlezing, één voor de volledige kwaliteit afbeelding en een secundaire feed voor autofocus en zoekerupdates.

Gestapelde CMOS-chips ondersteunen momenteel enkele van de snelst schietende camera’s, en die met een van de laagste rollende sluiter, wat Nikon aanmoedigde om een ​​vlaggenschipcamera te produceren, de Z9, zonder mechanische sluiter. De complexiteit en verfijning van gestapelde sensoren zal de komende jaren waarschijnlijk alleen maar toenemen.

Dit alles brengt ons bij het heden. De sensoren in de meeste consumentencamera’s zijn uitstekend, met enorme hoeveelheden DR bij basis-ISO en heel weinig ruis bij hoge ISO’s, behalve de ruis van het licht dat ze vastleggen. Moderne sensoren hebben een uitzonderlijk lage elektronische ruis en registreren doorgaans meer dan 50% van het licht dat erop valt, wat betekent dat de huidige technologie minder dan één stop verwijderd is van maximale verbetering. Er kunnen manieren zijn om het IQ te verbeteren door uit te breiden naar lagere ISO’s, of doorbraken in de manier waarop kleur wordt geïnterpreteerd. Maar er is waarschijnlijk nog een grote technologische verandering nodig om grote veranderingen in de beeldkwaliteit te zien.

Met enorme dank aan bobn2 voor zijn input en correcties bij de voorbereiding van dit artikel.