Blog-Eintrag

Quo vadis, Sony ?

In diesem Monat (Oktober 2013) wurden ungewöhnlich viele neue Digitalkameras vorgestellt:

  • Pentax K3 24 MP APS-C DSRL
  • Nikon D610 24 MP FX-DSLR
  • Canon G16 und Canon S120   ("Japan only"-Editionen)
  • Sony RX10 20 MP 1" Bridge-Kamera (korrigiert)
  • Sony A7 und A7R 36/24 MP fullframe Systemkameras  (à la NEX)
  • Nikon D5300 24 MP APS-C/DX DSLR 
  • Panasonic Lumix GM1 16 MP MFT Systemkamera
  • Fuji X-E2 12 MP 2/3" Kompaktkamera
  • Fuji XQ1 16 MP APS-C Systemkamera

.... und der Monat ist noch nicht zu Ende.

Aber noch mehr als die Vielzahl der Neuvorstellungen überrascht das, was Sony da mit den Modellen A7 und A7R vorstellt. Spiegellose, sehr kompakte Vollformatkameras mit dem E-Bajonett der NEX-Familie. Dazu werden gleich eine Hand voll neuer, NEX-kompatibler Objektive mit FE-Mount ("Full-frame E-Mount") angekündigt.

Was heißt das ?

Da muss ich etwas ausholen.
Sony hatte 2006 die Kamerasparte von Konica-Minolta übernommen und damit auch das Minolta-Bajonett mit einem Auflagemaß von 44,5mm für die neuen Sony-α Spiegelreflexkameras. Ein Auflagemaß von 44,0mm (Canon ES) bis 46,5mm (Nikon F) ist typisch für Spiegelreflexkameras. 
Mit der spiegellosen Systemkamera NEX hat Sony dann 2010 ein neues Bajonett und ein neues, vergleichsweise kurzes Auflagemaß von nur 18,0mm eingeführt. Sony hat mit der NEX-Serie die erste und bislang kompakteste spiegellose Systemkamera für das APS-C-Format ("Crop 1,5" mit 30mm Diagonale) vorgestellt. Das Auflagemaß wurde also auf 60% des Bildkreisdurchmessers rediziert. Mich hat damals schon überrascht, dass es möglich ist, mit einem derart kurzen Auflagemaß einen 30mm-Sensor auszuleuchten. Es hat sich dann auch schnell gezeigt, dass die NEX3 und NEX5 mit Fisheye-Objektiven (erwartungsgemäß !) zum Bildrand hin einen sehr starken Lichtabfall deutlich sichtbare Pixel-Vignettierung aufweisen.

Auflagemaß und cos⁴-Lichtabfall
Das Auflagemaß einer Systemkamera beschreibt den Abstand zwischen der Objektivauflage am Bajonett bis zur Sensorebene. DSLRs mit Schwingspiegel brauchen Platz im Spiegelkasten, damit der Spiegel ungehindert hochklappen kann. Daher sind ca. 45mm ein übliches Auflagemaß für DSLRs.
Spiegellose Systemkameras brauchen keinen Spiegelkasten, so dass man die Schnittweite und die Objektivauflage drastisch reduzieren kann. Zudem erleichtert ein kurzes Auflagemaß auch kompakte Objektivkonstruktionen. Das ist der Grund, weshalb die Leica-M mitsamt ihren lichtstarken Objektiven seit jeher so kompakt gebaut werden konnte, trotz Vollformat (seinerzeit noch Kleinbildfilm). 
Allerdings kann der Abstand zwischen Objektiv und Film bzw. Sensor nicht beliebig reduziert werden. Je kürzer dieser Abstand ist, desto stärker muss ein Lichtstrahl von der optischen Achse abgelenkt werden, um in die Ecken des Films/Sensors zu gelangen. Und je größer dieser Winkel ist, desto stärker ist der Lichtabfall zum Rand ("Kosinus-hoch4-Gesetz").
Der Kamerabauer hat nur zwei Maßnahmen, diesen cos⁴-Lichtabfall zu mildern: 

  1. Bildkreisdurchmesser (und damit die Sensorgröße) verkleinern
  2. Die Austrittspupille des Objektivs möglichst weit nach vorne legen

Die Austrittspupille eines Objektivs sieht man, wenn man von hinten in das Objektiv schaut: Es ist das Bild der Blende, wenn diese geschlossenen ist. Liegt die Austrittspupille aus Sicht des Sensors sehr weit vorne (im Idealfall im Unendlichen), generiert das Objektiv bildseitig einen eher parallelen Strahlengang. Man nennt das auch (bildseitig) telezentrisch. Objektive mit guter Telezentrie sind aber immer vergleichsweise lang, deutlich länger als Ihre Brennweite. Der Optimierung der Telezentrie eines Objektivs sind in der Praxis konstruktive Grenzen gesetzt, insbesondere bei kurzer Bauform und kurzem Auflagemaß.

Einfluß der Sensorgröße und -Technologie
Bereits bei der klassischen "Film"-Kamera war der unvermeidliche cos⁴-Lichtabfall ein Qualitätsmerkmal der Objektive. Dieser Lichtabfall beschreibt auch die Grenzauflösung des Objektivs als Funktion des Radius. Digitalkameras können prinzipiell den cos⁴-Lichtabfall rechnerisch auf Kosten des Rauschens korrigieren. 
Aber während es zur Schwärzung eines Silberkorns in der Film-Emulsion einer klassischen Kamera egal war, unter welchem Winkel es beleuchtet wurde, zeigen sich die Pixel eines Sensors diesbezüglich zickig: Bei den meisten Sensoren nimmt die Empfindlichkeit signifikant ab, wenn das Licht nicht senkrecht zur Sensorfläche einfällt. Bei Digitalkameras mit Bildsensor wird dem cos⁴-Lichtabfall noch eine im Aufbau des Sensors begründete Vignettierung überlagert, die vom 3dimensionalen Aufbau des Pixels abhängt. Bei Verwendung telezentrischer Objektive tritt sie nicht auf.

Wenn heute ein Wechselobjektiv aus der "Analog-Zeit" im Ruf steht, für Digitalfotografie ungeeignet zu sein, dann ist das technisch nur in einer unzureichenden Telezentrie begründet. Tatsächlich ist die Ursache aber der Sensoraufbau, der bei schräg einfallenden Lichtstrahlen zu Lichtabfall und Farbverschiebungen führt. Die Sensorhersteller bezeichnen das als "incident light angle characteristics". Der maximale Winkel, unter dem der Sensor nicht vignettiert, ist der Hauptstrahlwinkel ("chief ray angle").

Die Reduzierung der Pixel-Vignettierung ist daher ein Haupt-Entwicklungsfeld aller Sensorhersteller. Der bislang gängige Ansatz, jedes nur wenige Mikrometer große Pixel mit einer Sammellinse ("microlens") zu versehen, reicht nicht aus, um eine homogene Emfindlichkeit über die Sensorfläche bei realen, nicht telezentrischen Objektiven zu gewährleisten.

Panasonic und Sony verfolgen ganz unterschiedliche Ansätze, um die Pixel-Vignettierung zu eliminieren: Panasonic hat im März 2013 das Patent zum SMART-FSI-Pixel vorgestellt, bei dem das Bayer-CFA-Farbfilter jedes Pixels mit einer reflektierenden Seitenwand versehen ist, die schräg einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Pixel-Zentrums reflektiert und mittels einer "light pipe" in den begrenzten lichtempfindlichen Teil des Pixels lenkt. Youtube-Video.

Sony hat die überaus erfolgreiche EXMOR-Technologie  (u.a. Sensor der Nikon D800) derart weiterentwickelt, dass die lichtempfindliche Siliziumschicht von hinten beleuchtet wird (back-side illuminated "BSI"). Die Technologie-Bezeichnung ist EXMOR-R. Die besondere Schwierigkeit dabei ist, dass der Silizium-Wafer, auf dem der Sensor gebaut ist, von fast 1mm Dicke auf 8 Mikrometer dünngeschliffen werden muss, denn Licht dringt nur wenige μm tief in Silizium ein (zum Vergleich: ein blondes, europides Haar hat ca.70μm Durchmesser). Dazu wird der Wafer mit dem Sensor face-down auf einen anderen Träger-Wafer justiert, kontaktiert und mit einem großen Schwingschleifer dünn geschliffen. Der extrem anspruchsvolle Prozess-Modul ist bislang nur bei kleinen Chipflächen wirtschaftlich möglich. Daher wurden BSI-Sensoren bisher nur in kleinen Kameramodulen in Mobiltelefonen und wenigen Kompaktkameras bis 1/1,7" (z.B. Nikon P7700) eingesetzt.

Jetzt hat Sony mit der RX10 die erste Kamera mit 1"-Sensor (korrigiert) in EXMOR-R-Technologie vorgestellt. Damit ist es sicher nur eine Frage der Zeit, bis dieser Sensor auch in APS-C-Systemkameras auf den Markt kommt, sagen wir in einer NEX-8 oder einer Nikon DX-Kamera.

Aber was hat es mit den Modellen Sony A7 und A7R auf sich ???? 
Die A7 und A7R sind Vollformat-Systemkameras mit dem Sensor der hochgelobten RX1 (EXMOR ohne -R) -  aber nicht mit dem α-Bajonett (langes Auflagemaß) sondern dem E-Bajonett der NEX und nur 18mm Auflagemaß. Das Auflagemaß mißt nur 42% der Sensordiagonale (und damit des Bildkreisdurchmessers).
Kein aktuelles NEX-kompatibles Objektiv auf dem Markt hat den erforderlichen Bildkreisdurchmesser von 45mm - und schon gar nicht das erforderliche Maß an Telezentrie. Klar, dass Sony jetzt auch entsprechende "telezentrische" Objektive mit großem Bildkreisdurchmesser liefern muss. 

Betrachtet man die Sony Roadmap, wird einem ganz schwindlig:

  • Sony-α DSLR mit Schwingspiegel (Vollformat und APS-C)
  • Sony-α DSLR mit feststehendem, teildurchlässigem Spiegel  ("translucent") 
  • Sony-E spiegellose Systemkameras NEX mit APS-C-Format (30mm Bildkreis)
  • Sony-E spiegellose Systemkameras NEX A7 und A7R mit Vollformat (45mm Bildkreis)

  • ...ach ja, und dann ist da noch die kürzlich vorgestellte, spiegellose "DSLR-like" Sony α3000 mit NEX-Bajonett und 18mm Auflagemaß
Auflagemaße und Sensorgröße
Kamera-Typ Sensorgröße Sensor-Diagonale Ø Auflagemaß A Quotient A/Ø Beispiel
Mamyia 645 40,4 x 53,7 67 63 0,94 PhaseOne IQ82
Leica-S 30 x 45 54 53 0,99 Leica-S
Nikon F 23,9 x 36 42,7 46,5 1,1  D800
Nikon DX 15,6 x 23,5 28,2 46,5 1,65 D5200
Canon EF 24 x 36 43,2 44,0 1,0 5D MkIII
Canon APS-C 14,9 x 22,3 26,8 44,0 1,64 60D
Sony α  23,8 x 35,8 43,0 44,5 0,97 A99
Sony α 15,6 x 23,5 28,2 44,5 1,58 A580
Sony E NEX 15,6 x 23,5 28,2 18,0 0,64 NEX 7
Sony E A7 23,9 x 35,8 43,0 18,0 0,42 A7, A7R
MFT's 13,0 x 17,3 21,6 19,6 0,91 Lumix GX7
Samsung NX 15,7 x 23,5 28,2 25,5 0,90 NX 1000
Leica-M 24 x 36 43,2 27,8 0,64 M9
Fuji X-Pro 15,6 x 23,6 28,3 17,7 0,62 X-Pro1
Nikon 1  8,8 x 13,2 15,8 17,0 1,1 Nikon 1 V1
Pentax Q 6,17 x 4,55 7,66 9,2 1,2  Q10

alle Maße in mm

Eigentlich ist mir die Sony Kamera-Roadmap ja egal. 
Ich will das ja auch überhaupt nicht werten. 
Aber es ist bekannt, welch große Anstrengungen Leica bei der Entwicklung der Leica-M8, M9 und M240 bei einem Auflagemaß von fast 28mm (also 10mm mehr !) unternommen hat, die Pixel-Vignettierung auf dem Vollformatsensor zu mindern. Diese reichen bei dem noch viel kürzeren Auflagemaß der Sonys sicher nicht aus. Und EXMOR-R Vollformatsensoren werden angesichts der Prozeßschwierigkeiten noch auf sich warten lassen... *)

Ich wundere mich nur - und habe einen aktuellen Aufhänger gefunden, um den Themenkomplex Telezentrie und cos⁴-Gesetz, Auflagemaß und Sensor-Diagonale im Zusammenhang zu erklären.

Übrigens: In der Panoramafotografie mit Ultra-Weitwinkel-Objektiven ist der cos⁴-Lichtabfall zum Bildrand sehr störend, wenn man ihn nicht korrigiert. PTGUI Pro bietet dazu ein leistungsfähiges Werkzeug unter dem Reiter "Exposure/HDR". Man klickt nach dem Optimizer-Lauf einfach auf "optimize now" - und von vorher störenden Farbübergängen im Panorama ist nichts mehr zu sehen.

*) Anmerkung Nov.2013
Natürlich kann man immer ein für langes Auflagemaß gerechnetes Objektiv mittels Adapter an eine Kamera mit kurzem Auflagemaß adaptieren. Und man kann auch neue Objektive mit großer Schnittweite für das kurze Auflagemaß konstruieren, also Objektive, die hinten einfach nur einen hohlen Tubus aufweisen **). Aber was bleibt dann von der Kompaktheit einer NEX mit Objektiv im Vergleich zu einer Leica-M ?

**) Anmerkung Dez. 2013
Samyang hat heute fünf "neue" Vollformat-Linsen für die NEX A7/A7R vorgestellt. Die für das lange Auflagemaß - also für ca. 45mm Schnittweite - konstruierten Linsen haben eine langes "Endrohr" bekommen, das die Adaption an die kurze Auflage der NEXen gewährleistet. 

Kommentare

Wieder eine lesenswerte Pflichtlektüre von Herrn Hopf !
Herzlichen Dank dafür.

mfg Alfred

Vielen Dank für die sehr schön erklärten Zusammenhänge der Technik und der Hintergründe.

Gerne mehr davon

Richard

Schön, dass dazu dieser kleine Aufsatz hier zu finden war: Mit Einem Schlag wird alles erfasst, was derzeit nur an fremdartigen Begriffen in nebulös angedeuteten Zusammenhängen herumschwirrt... NEXter Schritt: Jetzt würde ich persönlich ja brennend gerne erfahren, wie der Sensor an der Canon EOS M funktioniert, mit dem meine alten Rokkor-Weitwinkel in den Ecken um Einiges schärfer zeichnen, als mit der NEX-6 (!)

Das Statement, dass die Rokkore an der EOS-M in den Ecken schärfer zeichnet als an der NEX-6 überrascht zunächst. Denn der EXMOR-Sensor der NEX hat einen deulich flacheren Aufbau als der Canon und ist daher weniger kritisch.

ABER: Der Canon-M-Sensor ist etwas kleiner als der Sony-APS-C.
Ich vermute, es liegt einfach nur an der Sensorgröße.
D.h. der NEX-Sensor nutzt einen größeren Randbereich der Objektive:

  • Canon-Sensor: 22,3mm x 14,9mm  Diagonale: 26,8mm
  • NEX-6-Sensor: 23,5mm x 15,6mm  Diagonale: 28,2mm

Schalten Sie zum Vergleich auch folgende Optionen im NEX-Menü aus:

  • Soft-Skin-Effekt
  • Objektivkompensation Schatten
  • Objektivkompensation Verzeichnung

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