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LBCAST - eine neue Sensortechnologie für Digital-Kameras |
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Herkömmliche Digital-Kameras kämpfen immer noch mit zwei wesentlichen Problemen. Der Geschwindigkeit und dem hohen Stromverbrauch, bedingt durch die verwendete Sensor-Technologie. Das wird sich in Zukunft möglicherweise ändern.
Im Sommer 2003 stellte Nikon eine neue digitale Spiegelreflexkamera der vierten Generation vor, in der erstmalig ein so genannter LBCAST-Sensor zum Einsatz kommt. Diese Bildsensoren trumpfen mit einer hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und niedrigen Stromverbrauch. Und was sich bei den Profi-Geräten bewährt, findet man in absehbarer Zeit auch in "normalen" Consumer-Geräten.
Der neue Bildsensor basiert auf der JFET-Technologie, einer bewährten Halbleiterarchitektur mit einem bestimmten Transistortyp, und ist eine Nikon-eigene Neuentwicklung. |
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History |
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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. So war bei Nikon eine Bedingung, 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.
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JFET versus CCD und CMOS |
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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. Zusätzlich wird das Zusammenspiel mit der weiteren signalverarbeitenden Hardware erleichtert. |
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Die Technologie des LBCAST-Sensors |
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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.
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 eine Digital-Kamera wie die Nikon D2H bedeutet das eine Einsparung von mehr als vier Millionen Transistoren. Weniger Transistoren verbrauchen weniger Strom - pro Akkuladung können 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.
mit freundlicher Unterstützung der Nikon GmbH. |
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