De gelaagde beeldsensor is sterk in opkomst bij de video- en fotografische opnamen met systeemcamera’s en geavanceerde smartphones. Volgens ingewijden vormen zij de toekomst van de camera-industrie. Maar wat is nu eigenlijk een stacked sensor, welke voordelen- en ook nadelen heeft deze beeldchip en moet je er eentje in jouw camera willen? Digital Movie duikt in zowel de technische als praktische achtergronden.
Eerdere generaties beeldsensoren in systeemcamera’s en camcorders zijn van achteren aangelichte (BSI) CMOS-typen. Daarbij zitten alle sensoronderdelen zoals de lichtgevoelige photosites, verwerkende elektronica en onderlinge verbindingen in één samengestelde laag. Dat concept valt redelijk goedkoop te produceren en levert op zich een prima beeldkwaliteit. Het voornaamste nadeel van dit sensorontwerp betreft de relatieve traagheid bij het verwerken van de opgevangen beeldsignalen. Het daarop vallende licht en de elektronische verbindingen hebben tijd nodig om een digitaal foto- of videobeeld te creëren.
Sony
Wat is nu een gelaagde sensor?
Bij de stacked sensor zijn de verschillende componenten in lagen gestapeld in plaats van naast elkaar geconstrueerd. Dankzij deze verticale stapeling kan je meerdere functies in een krappere ruimte integreren. Daardoor nemen zoals gezegd de interne dataoverdracht verwerkingssnelheid (de beeldprocessing) aanmerkelijk toe. Tevens bestaat de kans op onderlinge storing en interferentie van elkaar in de weg zittende elektronische componenten.
Doorgaans bestaat de stacked sensor uit drie componentlagen in een 3D ontwerp:
1. De lichtgevoelige fotodioden in de toplaag.
2. De bewerkingslaag, processing layer met bijbehorende elektronische circuits in de middelste laag.
3. De onderlinge verbindingen voor datatransport en DRAM-geheugen. Het DRAM in de onderste laag vormt een databuffer alvorens de beeldinformatie aan de processor over te dragen.
In combinatie met een fullframe-formaat bieden stacked sensoren grotere en dus meer lichtgevoelige photosites. Tevens minder ruis bij de hogere ISO-waarden, verbeterde details in de schaduwen en toegenomen scherpte. Kleinere gelaagde beeldsensoren in smartphones en compactcamera’s hebben deze voordelen niet doch zijn wel veel sneller als de niet gelaagde beeldsensoren.
Een bekend misverstand is dat de stacked sensor op een lijn met de global shutter wordt gezet. Dat is dus niet zo. Een global shutter leest de sensorinformatie in één keer uit zodat er geen vervorming (rolling shutter) door beweging van objecten of van de camera zelf kan optreden. De stacked sensor leest het beeld alleen veel sneller uit waardoor het vervormende effect aanmerkelijk afneemt.
Gelaagde sensoren hebben duidelijk minder last van skew (vervorming van verticale lijnen bij horizontaal pannen), wobble (een soort elastisch gelei-effect bij snelle camerabeweging), banding bij flikkerende lichtbronnen en een gedeeltelijke belichting bij snelle e-flitsen.
Sony
Voordelen van de stacked sensor
Als eerste de snellere lees- en schrijfsnelheden. In de praktijk al zo’n 10 tot 20 maal sneller of meer. Ideaal voor sport- en actieopnamen met het flink terugdringen van het zojuist genoemde effect van de rolling shutter. Als het echt op de seconde aankomt heeft de gestapelde sensor duidelijk de voorkeur boven de standaard BSI CMOS uitvoering. Voor fotografen zijn interessant: de snellere burstrates in RAW. 30 Fullframe beelden per seconde haalt een camera met een stacked sensor dik.
Op elkaar gestapelde sensorcomponenten vangen licht weg. Dat doet de stacked sensor aanmerkelijk minder waardoor de lichtgevoeligheid flink toeneemt. In de praktijk absorbeert de gelaagde sensor gewoon meer licht, is de lichtgevoeligheid behoorlijk hoger dan bij een BSI CMOS en is er veel minder beeldruis, Aan te bevelen bij minder omgevings-, nachtelijk- en kaarslicht. En je kunt natuurlijkdoor de hogere lichtgevoeligheid snellere sluitertijden gebruiken.
Een belangrijk voordeel bij video is dat de filmmaker met behulp van de stacked sensor hogere framerates kan gebruiken. Een gestapelde sensor is uitermate geschikt voor slow motion in een hoge beeldkwaliteit. Actiescenes behouden de resolutie en scherpte plus detaillering van het gekozen videoformaat
De AutoFocus (AF) kan prima van een stacked sensor profiteren. Het gaat allemaal een stuk sneller en accurater. Ook bij relatief weinig licht. Dat komt ondermeer door een stuk snellere berekeningen en de hogere lichtgevoeligheid bij AF. Het dynamisch bereik is doorgaans een aantal stops groter dan bij standaard BSI CMOS. Een belangrijk voordeel bij zowel video- als fotografie. Algemeen voor video soepelere beweging en minder vervorming. En extra bij de fotografie werken de sluiters heel stil.
Image by Brunox from Pixabay
Zijn er ook nadelen?
Het antwoord luidt ja. Te beginnen met de hogere productiekosten van de stacked sensor. Tevens gaat het om de al van zichzelf duurdere fullframe beeldsensoren om de maximale beeld- en technische kwaliteit te halen. Dat verhoogt de prijs van de systeemcamera of camcorder behoorlijk en dat kan een drempel zijn voor de gebruiker met een beperkt budget.
Een gestapelde sensor vereist extra koeling. Met name bij langere video-opnamen. Dat komt door de complexe bouw en dicht op elkaar zittende elektronische componenten en circuits. Daarin ontstaat al snel warmteontwikkeling. Je ziet bij dit type camera’s dan ook interne efficiënte mechanische koeling of warmte wegvangende metalen vinnen.
Meer sensorsnelheid behoeft ook meer energie. Het stroomverbruik ligt bij camera’s met een gestapelde sensor een stuk hoger als bij de standaard BSI CMOS-typen. Met de recente accutechnologie valt dat goed te ondervangen. Overigens worden de nieuwste stacked sensoren steeds efficiënter bij het energiegebruik en daardoor zuiniger.
De technologie is nog deels in opkomst en de gestapelde sensoren zijn nog niet breed verkrijgbaar. Fabrikanten zoals Nikon met de Z6 MKIII voorkomen hogere productiekosten en bieden wat minder last van de hiervoor genoemde problemen middels een gedeeltelijk gestapelde fullframe-beeldsensor. Hierbij zijn het alleen het beeldgebied (imaging zone) en het elektronisch geleidingsdeel (circuitry) boven elkaar gestapeld. Minder geavanceerd dan een volledig gestapelde sensor maar wel een behoorlijke snelheidswinst, hogere frame- en burstrates.
Nikon
Tot slot
De vraag rijst of je bij foto- en videografie nu ook echt een stacked sensor nodig hebt? Voor de doorsnee toepassingen beslist niet. Dat is alleen maar duur en overdone. Voor wie echter topprestaties bij de uitleessnelheid, optimale AF, een grotere dynamisch bereik, top lichtgevoeligheid en weinig rolling shutter ambieert is de gelaagde sensor wel degelijk de moeite waard. Je vindt de stacked sensoren bij de topmodellen en hoogste middenklassen van de gerenommeerde cameramerken. Bij smartphones en compacts is een stacked sensor mooi meegenomen doch verwacht daar geen wonderen van.
Reacties (0)