Steeds meer merken leveren camera’s waarin zich een ‘stacked CMOS sensor’ bevindt. Wat is een ‘gestapelde sensor’ eigenlijk precies en welke voordelen biedt dit?
Een gewone sensor
We praten binnen fotografie voor het gemak meestal over de sensor in onze camera, maar zoals iedereen weet zijn er verschillende soorten sensoren. Je hebt warmtesensoren, gassensoren, bewegingssensoren en ga zo nog maar even door. De sensor in jouw camera is waarschijnlijk een CMOS sensor. Dit is een opvolger van de zogenaamde CCD sensor.
Een CCD sensor is een sensor die uit fotodiodes bestaat en daarmee in staat is om licht op te vangen en dit licht daarmee te registreren. Het geeft zijn bevindingen door aan een processor die elders in de camera de gevonden gegevens verwerkt. Tijdens die verwerking worden de gevonden waarden bijvoorbeeld zoveel mogelijk ontdaan van ruis.
Maar hedendaagse camera’s werken niet meer met CCD sensoren. Daar zit een CMOS-sensor in. CMOS staat voor “Complementary Metal Oxide Semiconductor”. Dit is een sensor waarop zich, net als op de CCD sensor, kleine lichtgevoelige onderdelen bevinden (de fotodiodes). Maar voor iedere fotodiode zijn bijvoorbeeld ook versterkers in de CMOS chip opgenomen die als taak hebben de door de fotodiode gevonden analoge waarden al in deze chip om te zetten naar digitale waarden en deze waarden te versterken of anderzijds aan te passen. Tegelijkertijd wordt in de sensor zelf al bijvoorbeeld de ruis verminderd en vinden er andere verwerkingen in plaats.
De CMOS sensor heeft de CCD-sensor vooral verdreven omdat hij veel minder ruimte in beslag neemt dan de combinatie van CCD sensor met bijbehorende verwerkingsprocessor, maar er zijn ook andere zaken die de voorkeur voor de CMOS sensor hebben bepaald. Deze sensor voert bijvoorbeeld onafhankelijk van elkaar per fotodiode correcties door wat het contrast en de scherpte van foto’s heeft doen toe laten nemen. Daarnaast zijn de gegevens sneller beschikbaar.
Toch is een CMOS-sensor niet in alle opzichten altijd beter gebleken. Een CCD-sensor levert bijvoorbeeld minder ruis op. Maar wanneer je alle plussen en minnen bij elkaar optelt, dan ben je met een CMOS-sensor in een camera toch een heel stuk beter af. Het is niet voor niets dat je alleen nog maar dit type sensoren in camera’s tegenkomt.
De BSI CMOS sensor
De BSI (BackSide Illuminated) CMOS sensor lijkt heel veel op de gewone CMOS-sensor, maar op deze chip zitten de componenten anders geplaatst. Hierdoor is deze sensor wat sneller en lichtgevoeliger dan de gewone CMOS sensor terwijl hij ook minder ruis oplevert.
Omdat deze sensor sneller is dan de standaard CMOS sensor, is het mogelijk om camera’s die hiermee zijn uitgerust te voorzien van een volledig elektronische sluiter. Een elektronische sluiter heeft namelijk een snelle sensor nodig. Veel camera’s bevatten nog een mechanische sluiter of een combinatie van een mechanische en een elektronische sluiter omdat een gewone CMOS sensor de data domweg niet snel genoeg kan afgeven.
Het gebruik van een elektronische sluiter kent op dit moment overigens een aantal consequenties die niet altijd even wenselijk zijn. Veel van deze consequenties ontstaan door de lange uitleestijd van de sensor. Van een BSI CMOS sensor is de snelheid weliswaar toegenomen, maar nog niet in die mate dat alle problemen zijn opgelost. De BSI CMOS sensor was wel de eerste sensor waarmee men het aan durfde om camera’s te maken zonder die van een mechanische sluiter te voorzien. Maar deze camera’s konden nog niet op alle fronten concurreren met camera’s die voorzien waren van een mechanische sluiter.
De bouw van de sensor
Eenvoudig gesteld bestaat een standaard of BSI CMOS-sensor uit één laag waarin alle fotodiodes en bijbehorende elektronica bij elkaar zijn geplaatst. Hierdoor wordt het licht op dezelfde plaats opgevangen als waar de gevonden lichtwaarden worden verwerkt. Dit betekent echter ook dat bijvoorbeeld de aansluitbedrading deels voor het lichtgevoelige deel van pixels terechtkomt, en zit daardoor soms zelfs een beetje in de weg.
Een stacked CMOS-sensor is opgebouwd uit meerdere lagen. Je treft een laag aan waarop de fotodiodes zijn geplaatst en waar alleen het licht wordt opgevangen. Er bevindt zich geen bedrading voor de pixels. Daaronder bevindt zich een gescheiden laag waar onder andere bepaalde delen van de elektronica op geplaatst is. De meest eenvoudige gestapelde CMOS sensor bevat daarom minimaal twee lagen maar er zijn ook sensoren in omloop die bijvoorbeeld nog een extra laag hebben waarin het geheugen van de sensor of andere elektronica is verwerkt.
Een stacked CMOS sensor is complexer (en daarmee duurder) om te maken maar het werken met de afzonderlijke lagen in de sensor biedt een aantal voordelen waardoor de ‘stacked CMOS sensor’ bezig is een opmars te maken binnen het duurdere segment.
Niet de beeldkwaliteit
Omdat de fotodiodes op een aparte laag worden gemonteerd en er verder niets anders bij of over hoeft te worden geplaatst, neemt de kwaliteit van de lichtregistratie natuurlijk toe. Er is immers meer ruimte om minder te doen en die ruimte wordt niet belemmerd doordat er iets voor de fotodiode kan komen te liggen. Datzelfde geldt ook voor de lagen waarin de verwerkende elektronica is aangebracht.
De te verwachten voordelen hiervan zouden zijn dat stacked CMOS-sensoren bijvoorbeeld beter presteren in low light omgevingen en dat dit de beeldkwaliteit positief zou beïnvloeden. Maar als we foto’s gemaakt met een BSI CMOS sensor vergelijken met die van een stacked CMOS sensor, dan zul je toch niet meteen het verschil in kwaliteit kunnen zien. Qua beeldkwaliteit liggen deze heel dicht bij elkaar. Het stroomverbruik wordt door de andere bouw wel gereduceerd en er ontstaan meer mogelijkheden voor fotodiodes en electronica.
Het belangrijkste verschil tussen de oudere CMOS sensoren en de stacked CMOS sensor is het feit dat met de stacked CMOS sensor veel hogere uitleestijden kunnen worden gerealiseerd. Het was de ontwerpers dan ook vooral hierom te doen.
De snelheid
Omdat de verschillende taken van de CMOS sensor op een stacked sensor over verschillende lagen zijn verdeeld, wordt de verwerkingstijd van de sensor een stuk sneller. Dat is belangrijk omdat veel problemen waar fabrikanten tegenaan liepen ontstonden doordat gewone CMOS-sensoren met veel fotodiodes relatief veel tijd nodig hadden om uitgelezen te kunnen worden.
Je hebt veel fotodiodes (voor het gemak vanaf nu pixels genoemd) nodig wanneer je foto’s maakt waarbij veel detail vereist wordt. Denk aan bijvoorbeeld een landschapsfoto waar je vergrotingen van wilt maken. Maar als je een dergelijke sensor gebruikt voor het maken van een video, dan merk je dat je tegen snelheidslimieten aanloopt. Deze sensoren zijn domweg niet snel genoeg om het vereiste aantal beelden per tijdseenheid voor video te kunnen verwerken. Niet voor niets kennen veel camera’s hierdoor een beperking in video mogelijkheden.
De vuistregel was dus altijd: om snelheid te verkrijgen moet je werken met sensoren met weinig pixels. Snelle sportcamera’s, zoals de Nikon D4S, werden daarom een dikke tien jaar geleden van een 16,2 megapixel CMOS sensor voorzien zodat daarmee 11 foto’s per seconde kon worden gemaakt. Op dat moment was dat een van de snelste camera’s. Ook de opvolgers van deze camera, zoals de D5 en D6 hebben wat dat betreft niet zoveel in huis. De D6 die uit 2020 stamt, beschikt over een 20.8 megapixel sensor.
Met de snellere stacked CMOS sensor zijn combinaties mogelijk geworden die zonder een dergelijke snelle sensor niet gerealiseerd kunnen worden. Hierdoor kan deze sensor, in tegenstelling tot de gewone CMOS sensor, bijvoorbeeld wel met relatief veel pixels video-opnames maken. Een camera die voorzien is van een goede stacked CMOS sensor kan hierdoor dus niet alleen als goede fotocamera, maar ook uitstekend als video-camera worden gebruikt. De Canon R3, Sony Alpha 1 en de Nikon Z9 zijn goede voorbeelden van dergelijke camera’s.
Niet alleen videomakers hebben voordeel van deze verhoogde snelheid. Denk ook aan sportfotografen of aan wild life fotografen. Dit type fotografie vereist nu eenmaal een hoge burst speed (=continue output van foto’s wanneer meerdere foto’s snel achter elkaar worden gemaakt). Voorheen kozen deze fotografen vaak voor camera’s met een hoge burst speed, maar moesten dan wel aan mega pixels inleveren. Denk aan de Nikon D-serie. Er bestond dan ook zowat geen enkele snelle full frame camera die meer dan 20 foto’s per seconde kon maken. Vaak ging het om iets van tien tot 20 foto’s per seconde. De Sony A1 bevat 49,8 megapixels en kan door de stacked CMOS sensor toch 30 foto’s per seconde maken. Hiermee komt ook een hoge resolutie binnen het bereik van sport- en wild life fotografen.
Let wel, de burst speed is natuurlijk niet alleen afhankelijk van de sensor. Data moet ook weggescheven worden naar het memory kaartje, de autofocus kan tijd kosten, jpg gaat sneller dan RAW en ga zo maar door. Er zit daarom vaak een groot verschil tussen het theoretisch en praktisch haalbare aantal foto’s per seconde.
Viewfinder blackout
De viewfinder ondervindt in spiegelreflexcamera’s altijd een bepaalt probleem: als de spiegel omhoog staat, dus wanneer een foto wordt gemaakt, dan zien we er niets doorheen.
Logisch, want gaat de spiegel omhoog, dan valt het beeld natuurlijk weg. Vaak niet zo’n probleem, maar schiet je heel vaak achter elkaar, dan heb je dus maar weinig aan de viewfinder, hij heeft dan zowat continu een “blackout”. Killend voor bijvoorbeeld de sportfotograaf.
Wanneer gewerkt wordt met een snelle stacked CMOS sensor, dan is er geen mechanische sluiter meer nodig, en dus ook geen spiegel. Hierdoor kun je, ook tijdens een hoge burst speed, nagenoeg zonder viewfinder onderbrekingen werken.
Voor een gering aantal camera’s beweren hun producenten dat ze “viewfinder blackout free” geworden zijn omdat de mechanische sluiter ontbreekt. De praktijk wijst echter uit dat het dit niet altijd 100% opgaat, maar dit percentage wel dicht benaderd wordt en daarmee behoort dit probleem dus min of meer tot het verleden.
Autofocus
Voor hen voor wie een hele snelle en vooral continue autofocus van belang is, denk aan bijvoorbeeld sportfotografen, is de stacked CMOS sensor een ware uitkomst. De snellere verwerking van beelddata zorgt ervoor dat de autofocus beter en sneller kan plaatsvinden.
We zien dat de snelheid van autofocus het bij de stacked CMOS sensoren beter doet dan bij de BSI CMOS sensoren die hier al bekend om stonden. De snellere beeldverwerking levert dan ook mogelijkheden op om meer en beter werkende autofocus mogelijkheden te bieden. Hierbij moet gedacht worden aan 3D-tracking systemen die wel goed werken, gezichts- en oogdetectie voor mens en dier, en ga zo maar door.
Samenvatting
De stacked CMOS sensor wint het vooral op het gebied van de uitleessnelheid. Deze snelheid is van groot belang om de nadelen van elektronische sluiters tegen te gaan. Deze sensor is misschien een stuk duurder dan de gewone of BSI CMOS sensoren, maar levert dan ook wel echt een aantal belangrijke voordelen op, juist doordat de snelheid zoveel hoger ligt.