Blog-Eintrag

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 und eine deutlich sichtbare Pixel-Vignettierung aufweisen.

Auflagemaß und radialer 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.
Der Kamerabauer kann diesen Lichtabfall mildern indem er die Austrittspupille des Objektivs möglichst weit nach vorne legt. 

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 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
Auch bei der klassischen "Film"-Kamera ist der unvermeidliche cos⁴-Lichtabfall ein Merkmal der Objektive. Dieser Lichtabfall beschreibt wie die auf den Film treffende Lichtmenge radial abnimmt und damit auch die Grenzauflösung des Objektivs als Funktion des Radius. 
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 3-dimensionalen Aufbau des Pixels abhängt. Bei Verwendung bildseitig 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 bildseitigen Telezentrie begründet. Olympus hat seinerzeit mit der Einführung der digitalen Spiegelreflex auch die Notwendigkeit telezentrischer Objektive propagiert und solche entwickelt. Auch Leica-M-Kunden wissen ein Lied davon zu singen: Seit der Einführung der Leica M9  wurden bewährte M-Objektive durch neuere Konstruktionen mit verbesserter Telezentrie ersetzt, weil "sie nicht Digital-tauglich" waren. Ich habe diese Digital-Untauglichkeit lange für ein Marketing-Geschwätz gehalten. Tatsächlich ist die Ursache für die unzureichende Digitaltauglichkeit aber der Sensoraufbau, der bei schräg einfallenden Lichtstrahlen einen zusätzlichen Lichtabfall und Farbverschiebungen verursacht. 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 einzelne nur wenige Mikrometer große Pixel mit einer Sammellinse ("microlens") zu versehen, reicht nicht aus, um eine homogene Empfindlichkeit 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 Pizza-große Silizium-Wafer, auf dem der Sensor gebaut ist, von ca. 1mm Dicke auf halben Haardurchmesser dünngeschliffen werden muss, ohne dass dieser zerbricht. 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" chemo-mechanisch dünn geschliffen ("CMP"). Dieser extrem anspruchsvolle Prozess-Modul ist bislang nur bei kleinen Chipflächen wirtschaftlich möglich. Denn Defektdichte, Inhomogenitäten und Waferbruch limitieren die Ausbeute entscheidend. 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 (im Text nachträglich korrigiert) in EXMOR-R-Technologie vorgestellt. Und es 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, Fuji-X oder einer Nikon DX-Kamera. Und irgendwann in ein paar Jahren wird dann wohl auch ein Vollformat-Sensor in BSI-Technologie wirtschaftlich machbar sein.

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

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... *)

Mich überrascht nur dieser mutige Ansatz - und ich habe einen aktuellen Aufhänger gefunden, um den Themenkomplex Telezentrie und cos⁴-Gesetz, Auflagemaß und Sensor-Diagonale im Zusammenhang mit der Sensorr-Roadmap zu erklären.

Übrigens: In der Panoramafotografie mit Ultra-Weitwinkel-Objektiven ist bereits 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. Eine überlagerte Farbverschiebung durch Pixelvignettierung lässt sich mit diesem einfachen Mausklick in PTGUI jedoch nicht korrigieren.

*) 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. 

Nachtrag Juli 2019
Als ich vor fast 6 Jahren diesen Beitrag niederschrieb, hielt ich es für nicht ausgeschlossen, dass die angekündigte A7 nur ein "demonstrator"  sein sollte, mit dem Sony die Performance der EXMOR- und EXMOR-R-Technologie eindrucksvoll unter Beweis stellen konnte. Ich prognoszierte, dass "back side illuminated" Sensoren (BSI) künftig eine wichtige Rolle spielen werden und war mir sehr wohl der technischen Herausforderung bewusst. Bis heute beherrscht allein Sony diese Technologie bei großflächigen Sensoren - und konnte sich deren Entwicklung leisten. Inzwischen sind nicht nur APS-C- und Vollformat-Sensoren in EXMOR-R-Technologie in Kameras auf dem Markt (Fuji X-T3, X-T30, Nikon D850, Z7, Sony A7RII, RIII).  Diese Technologie ist inzwischen auch für Mittelformatsensoren mit 55mm Diagonale (Fuji GFX 100) und sogar für 66mm Diagonal-Rückteile für die Phase One und Hasselblad H6D-100c verfügbar.
Daneben kamen weitere spiegellose Vollformatkameras mit sehr kurzem Auflagemaß und Sensoren ohne BSI-Technologie auf den Markt (Canon EOS R, Nikon Z6, Panasonic S1).  
Wie erfolgreich deren front side illuminated Sensoren Pixelvignettierung unterbinden, wird sich erst mit neuen Systemobjektiven zeigen. Doch diese werden jedenfalls deutlich größer daherkommen als die kompakten Klassiker des Leica-M-Systems.
Mit dem größeren lichten Durchlass des Bajonetts (Nikon-Z: 55mm, Canon EOS-R: 54mm, L-Bajonett-Allianz: 51,6mm) adressieren die Kamerahersteller die Telezentrie-Anforderung ebenfalls.