Hybridlösungen, elektronische und mechanische Verschlüsse - Dominik Groß erläutert, welcher Verschluss wie funktioniert, was die Vorteile, die Nachteile und die typischen Einsatzgebiete sind.

In zahlreichen Geräten arbeiten CMOS Bildsensoren mit elektronischen Verschlüssen. Zwar stecken auch in Fotokameras immer mehr CMOS-Sensoren, aber meist in Kombination mit einem mechanischen Verschluss – trotz der vielen Nachteile von mechanischen Verschlüssen. Wir beleuchten die Funktionsweise von elektronischen Verschlüssen, erläutern, warum momentan weiterhin mechanische Verschlüsse benötigt werden, und erklären den neusten Trend, der als Hybrid­lösung einen elektronischen mit einem mechanischen Verschluss kombiniert.

Smart statt laut und teuer

Mechanische Verschlüsse haben viele Nachteile: Sie haben eine begrenzte Lebensdauer, sind oft laut und kosten Platz und Geld. Zudem lassen sich sehr kurze Belichtungszeiten nur mit Tricks realisieren (siehe Kasten). Elektronische Verschlussmechanismen, die in den Sensor integriert  werden, sind dagegen auf den ersten Blick eine elegante Lösung für diese Probleme. Aufgrund von Nachteilen bei der Bildqualität werden rein elektronische Lösungen, von Handykameras einmal abgesehen, aber kaum für Digitalkameras verwendet.

Im Folgenden geht es um elektronische Verschlüsse bei CMOS-Sensoren, die in allen Bereichen CCD-Sensoren abgelöst haben oder aktuell ablösen. Im Fall der CCDs konnten sich elektronische Verschlüsse, die zum Beispiel in der D70 in Kombination mit mechanischen Verschlüssen zum Einsatz gekommen sind, nicht durchsetzen.

CMOS-Bildsensoren

Um die Schwierigkeiten von elektronischen Lösungen zu erläutern, zunächst eine kurze Erläuterung des Funktionsprinzips von CMOS-Bildsensoren. Die einfachsten CMOS-Pixel bestehen aus einer PN-Photodiode und drei Transistoren (3T).

Zu Beginn der Belichtung wird die Photo­diode durch einen Transistor auf eine Spannung zurückgesetzt. Einfallendes Licht senkt die Spannung an der Photodiode. Am Ende der Belichtung wird der Sensor zeilenweise mit der Auslese-Elektronik verbunden und die Spannung der Photodiode gemessen, der zweite und dritte Transistoren dienen dabei als Verstärker und zur Auswahl der Zeile. Die Messung des eingefallenen Lichts erfolgt also bezüglich der Spannung nach dem Zurücksetzen, was aber nur ungenau möglich ist. Dies führt zu einem Rauschmuster im Bild, dem sogenannten „fixed pattern noise“ (FPN).

Dieses Problem wird beim 4T-Pixel gelöst. Hier wird eine PIN-Photodiode verwendet, die auf eine feste Spannung gesetzt ist. Zudem wird innerhalb des Pixels eine zweite Region als Zwischenspeicher verwendet. Um die Photodiode  auszulesen, wird diese Region zurückgesetzt, ihre Spannung ausgelesen, dann mittels eines vierten Transistors die Ladung der Photodiode auf den Speicher transferiert und von dort ausgelesen. Aus diesen zwei Messwerten erhält man ein Bild ohne FPN. Außer bei rückseitig belichteten Sensoren verringert aber jedes weitere Element im Pixel die lichtempfindliche Fläche. Dies wirkt sich negativ auf die Lichtempfindlichkeit und den Kontrastumfang aus.

Elektronische Verschlüsse

Bei elektronischen Verschlüssen wird zwischen dem „rolling shutter“ (rollendem Ver­­­schluss) und dem „global shutter“ (globalem Verschluss) unterschieden.

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Im Fall des klassischen „rolling shutter“ wird der Sensor zeilenweise zurückgesetzt und nach Ablauf der Belichtungszeit zeilenweise ausgelesen. Beim Auslesen wird der Wert jedes Pixels weiter verstärkt und digitalisiert. Dieser Vorgang dauert für jede Zeile eine kurzen Moment, woraus sich ein zeitlicher Versatz zwischen den Zeilen ergibt. Wie bei Schlitzverschlüssen wird hierdurch das Bild verzerrt (siehe Kasten). Zum Beispiel erreicht die Panasonic GH2, die über keinen mechanischen Verschluss verfügt, bei einer Auflösung von 4 Megapixeln eine Serienbildgeschwindigkeit von 40 Bildern pro Sekunde. Es können also pro Sekunde mindestens ca. 69 000 Zeilen gelesen werden. Trotzdem zeigen sich bei schnellen Bewegungen Artefakte im Bild.

Mit deutlich schnelleren Auslesezeiten könnten die Bewegungsartefakte auf ein erträgliches Maß verringert werden, allerdings erscheint dies bei zugleich immer weiter steigender Sensorauflösungen vorerst wenig realistisch. Ein solches Vorgehen ist somit insgesamt nur wenig erfolgversprechend. Eine Alternative sind „global shut­ter“.

Hierbei unterscheidet man zwischen einem „triggered global shutter“ bei dem erst alle Zeilen des Sensors ausgelesen werden müssen, bevor eine neue Belichtung begonnen werden kann, und einem „pipelined global shutter“, bei dem die Photodiode weiter einfallendes Licht misst, während die zwischengespeicherten Ladungen digitalisiert werden. Schon eine einfache Ausführung eines solchen Pixels benötigt fünf Transistoren.

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Hierbei werden alle Photodioden zeitgleich zu Beginn der Belichtung zurückgesetzt (rst PD), am Ende der Belichtung werden die Ladungen in eine zweite Region transferiert (sample), die abgedeckt und damit nicht lichtempfindlich ist. Diese Region wird nun wie ein 3T-Pixel zeilenweise ausgelesen, digitalisiert und zurückgesetzt (rst mem). Hierdurch beginnt und endet die Belichtungsmessung aller Pixel zeitgleich, eine Korrektur für FPN ist aber nicht möglich.

Für einen „pipelined global shutter“ und FPN-Korrektur werden je nach Implementierung sieben Transistoren und zwei Regionen zum Zwischenspeichern von Ladungen verwendet. Die lichtempfindliche Fläche eines solchen Pixels ist also eher klein, dies führt zu Problemen bei der Lichtempfindlichkeit und beim Einsatz von Mikrolinsen zu starker Winkelabhängigkeit.

Von der Rückseite beleuchtete Sensoren, wie sie zum Beispiel von Sony und Fuji mittlerweile in Kompaktkameras eingesetzt werden, könnten hier ein Ausweg sein. Allerdings sind sie teuer in der Fertigung und haben sich in der Praxis bisher nicht durch eine hohe Bildqualität ausgezeichnet. Neben BSI-Sensoren ist ein weiterer Ansatz, um Fläche zu sparen, einige Transistoren zwischen benachbarten Pixeln zu teilen. Dies ist hier für die letzten Stufen prinzipiell möglich, würde aber zu Lasten der Auslesezeit gehen.

Vor und Nachteile

Der Vorteil des „rolling shutter“ ist, dass er einfach realisiert werden kann und prinzipiell erstmal keine zusätzlichen Schaltungen im Pixel benötigt. Die Bildqualität kann aber aufgrund von Bewegungsartefakten schlecht sein.

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Ein globaler elektronischer Verschluss hat dagegen keine Probleme mit Bewegungsartefakten, lässt sich aber bei gleicher Pixelgröße/Auflösung nur zu Lasten der Lichtempfindlichkeit/Bildqualität realisieren. Beide Probleme lassen sich nicht umgehen, könnten aber in den nächsten Jahren durch höhere Auslesegeschwindigkeiten und kleinere Strukturgrößen oder BSI-Sensoren verringert werden.

Hybridlösungen

Wegen der Bildqualitätsprobleme des elek­tronischen Verschlusses setzen zahlreiche Firmen auf Kombinationen aus rollendem elektronischen Verschluss und mechanischem Verschluss. Bei klassischen Lösungen ohne elektronischen Verschluss schließt die Kamera zunächst den mechanischen, setzt nun den Sensor zurück, der Verschluss öffnet sich für die Belichtungszeit und nachdem er wieder geschlossen ist, wird der Sensor ausgelesen. In Kombination mit einem elektronischen Sucher ist dieses Vor­gehen nicht besonders sinnvoll, da der mechanische Verschluss vor jeder Aufnahme erst geschlossen werden müsste.

Um dies zu umgehen, werden alle Pixel zeitgleich und bei geöffnetem Verschluss zurückgesetzt. Nach Ablauf der Belichtungszeit schließt sich der Verschluss, und der Sensor wird zeilenweise ausgelesen. Dieses Vorgehen lässt sich bei vielen Kameras mit CMOS-Sensor beobachten, zum Beispiel bei der Fuji X100 oder bei der Canon 5D Mk II im Modus für geräuschlose Aufnahmen. Mit einer solchen Vorgehensweise kann man zudem leicht kürzere Verschlusszeiten erreichen, da die Zeit zum Öffnen des Verschlusses nicht in die Belichtungszeit eingeht.

Ausblick

Kurzfristig verhindern die genannten Probleme noch, dass  rein elektronische Lösungen eine weite Verbreitung finden. Langfristig werden Fortschritte bei der Auslesegeschwindigkeit, den rückseitig beleuchteten Sensoren und der Sensorfertigung aber dafür sorgen, dass immer mehr Hersteller auf mechanische Verschlüsse verzichten.  Sensoren mit „global shutter“ ermöglichen dabei nicht nur den Ersatz mechanischer Komponenten, sondern auch schnellere Verschlusszeiten und kürzere Blitzsynchronisationszeiten.

Zudem ermöglichen einige Varianten von elektronischen Verschlüssen ein mehrfaches Auslesen des Sensors, ohne die Belichtung zu unterbrechen. Aus dieser Sequenz von Bildern könnte in vielen Situationen ein Bild mit höherer Auflösung oder höherem Dynamik­umfang rekonstruiert werden. Ob sich solche Ansätze durchsetzen, hängt aber nicht nur von der Art des elektronischen Verschlusses, sondern auch von der möglichen Rechenleistung ab. Weitere Kriterien sind das betrachtete Marktsegment und die jeweiligen Ansprüchen an die Bildqualität. Es bleibt zu hoffen, dass rollende elektronische Verschlüsse nur eine Übergangslösung sind.