Super CCD

Fuji Super-CCD und andere Fuji-Sensoren

Die SuperCCD-Sensoren der Firma Fuji sind um 45° gedreht.
Durch diesen technischen Trick ist der Abstand von Zellenreihe zu Zellenreihe in senkrechter und waagerechter Richtung deutlich geringer als bei konventionellen Sensoren und somit die Auflösung in diesen beiden Richtungen entsprechend besser.
Das ist sinnvoll, denn die meisten Motive haben überwiegend - wegen der Erdanziehung - solche Ausrichtung!

Ausschnitt aus einem Testbild (CF)
(Senkrechte und waagerechte Linien werden deutlich besser aufgelöst als diagonale Linien)

Mathematische Betrachtung:
Es sind pro Bildhöhe und -breite jeweils 40% (Wurzel aus 2 = 1,41) mehr Sensorzellen-Reihen vorhanden! Rechnerisch erhöhen sich dadurch z.B. bei einem 3MP-Sensor die 1536 Sensorzellen-Reihen pro Bildhöhe auf 2165 Reihen. Das ist mehr als eine konventionelle 6MP-Kamera als Bildhöhe hat.

Aus technischen Gründen werden von der Kamera zunächst 6MP ermittelt (durch Berechnung der "fehlenden" Sensorzellen jeweils zwischen zwei Sensorzellen einer waagerechten Sensorzellen-Reihen). Diese 6MP Datei enthält zwar etwa 30% mehr Bild-Details als eine konventionelle 3MP-Datei, benötigt aber doppelt so viel Speicherplatz!

o . o . o . o . o . o . o
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o = Sensorzelle ; ^. = berechnete Sensorzelle

Verständlicherweise ist ein solcher Sensor teurer in der Herstellung als ein "normaler" Sensor und deshalb baut Fuji ihn nur in Kameras für anspruchsvolle Kunden ein. In der Z-Serie (Supermini) z.B. arbeiten jetzt nur noch normale Sensoren.

Der Super-CCD wurden 2000 eingeführt (1.Generation).

Die erste Kamera mit diesem Sensor war die Fuji 4700 mit 2,4MP (nebenstehendes Bild). Sie hatte bei waagerechten und senkrechten Strukturen eine mindestens so gute Auflösung wie eine "normale" 3MP-Kamera.
Erstmalig war auch Video (320x 240 Pixel; 15 B/Sek.) möglich.

2001 gab es die 2.Generation (Eingebaut in die 6900)
→ Mein Fotobericht Vietnam

2002 gab es die 3. Generation, die bereits 1600 ISO anbot, allerdings nur bei reduzierter Bildgröße und mit schrecklichem Rauschen. (Kameras: F602 und F601)
Erstmalig war Video im VGA-Format mit 30 B/Sek. möglich.

2003 gab es die 4. Generation und eine Aufspaltung in zwei unterschiedliche Typen.
Der HR bietet eine Verdoppelung der Auflösung, der SR einen erhöhten Dynamik-Umfang. Letzteres wird dadurch erreicht, dass jede CCD-Zelle aus zwei Segmenten besteht, die jeweils für helle bzw. dunkle Bildpartien zuständig sind. Kameras mit dem SR-Sensor sind die FinePix F700 (3MP) und die S20 Pro. .
Bei dem Sensor der SLR Fuji S3 Pro sind die beiden Zellen nicht mehr zusammengefasst, sondern die kleinen sind in die Lücken zwischen den großen verlagert und haben eine eigene "Mikrolinse". Vorteil: die großen können größer und dadurch lichtempfindlicher werden! --> weniger Rauschen!
(Siehe auch "Dynamik-Umfang")

Alter und neuer SR-Sensor

Der HR Sensor wird mit 3 MP in der F410 und mit 6 MP in der S7000 (Nachfolger der S602) und der 610 (Nachfolger der S601) eingesetzt.

2004 wurde die Basis-Empfindlichkeit (endlich!) auf 80 ASA abgesenkt und das Rauschen deutlich reduziert. Sh. Grafik rechts
(--> Fuji 810 , erste Kamera mit 16:9 Video, aber nur 640x360 Pixel.)

Seit 2005 gibt es die 5.Generation.
Auffälligster Unterschied ist diesmal die sehr viel schnellere Signalverarbeitung. Bisher mussten z.B. 12 MP gespeichert werden, die der 6 MP-HR-Sensor nach der oben beschriebenen Methode erzeugte, weil das verlustfreie Komprimieren in der Kamera auf 6 MP zu viel Zeit erforderte. Jetzt enthält die 6 MP-Datei alle Details.
Da alle Bilddetails, die vorher in der 12 MP-Datei vorhanden waren, jetzt in einer 6 MP-Datei dargestellt werden, enthält sie mehr Details als die 6 MP-Datei einer "normalen" Digitalkamera. Zwar waren es vorher nicht "echte" 12 MP, aber mit einer 8 MP-Kamera ist der 6 MP Super-CCD durchaus vergleichbar!

Aufwendige Algorithmen zur Unterdrückung des Rauschens sind durch den schnellen Prozessor ebenfalls möglich, wodurch der 1/1,7" Super-CCD die Werte von DSLs erreicht. Auch die Verzeichnung und Randabdunklung des Objektivs können durch entspr. Programme (und die schnelle Signalverarbeitung) deutlich reduziert werden.
Erste Kamera mit diesem Sensor war die F10.

2006 gibt es die 6. Generation. Dabei wurde der bewährte Sensor beibehalten. Die Datenaufbereitung wurde aber konsequent in Richtung höhere Lichtempfindlichkeit (3200 ISO) bei geringem Rauschen und hoher Auflösung weiterentwickelt. Auflösung hier im Sinne von "Zeilen/Bildhöhe" und nicht in Richtung Megapixel-Protzerei gemeint! Entscheidender Unterschied zu anderen Kameras: Gute Auflösung auch bei höheren ISO-Werten!
Erste Kamera mit der neuen Datenaufbereitung ist die F30

Mit der F50fd gibt es seit Sept. 2007 die 7. Generation. Der auf 1/1,6" vergrößerte Sensor enthält 12 Millionen Sensorzellen und erzeugt nach obiger Regel eine 24MP-Datei, die dann auf 12MP heruntergerechnet wird.
Die (relative) Rauscharmut wird zusätzlich durch einen weiterentwickelten Prozessor (RPII) erreicht.

Ab März 2008 gibt es die 8. Generation und einen neuen Prozessor (RP III).
Mit der S100FS gibt es dann auch einen 2/3" Sensor. Auch in der F100fd werkelt dieser neuen Prozessor, der angeblich nicht nur das Rauschen weiter reduziert, sondern eine dramatische Erhöhung des Dynamik-Umfangs ermöglicht.

SuperCCD EXR

Auf der Photokina 2008 kündigte Fuji einen völlig neuen Sensortyp an. Er verbindet die Vorteile des SR- und des HR-Sensors der 4.Generation. Er besteht aus gleich großen Sensorzellen in einer neuartigen Anordnung. Jeweils zwei gleichfarbige Zellen sind schräg versetzt angeordnet. Dadurch sind drei Möglichkeiten gegeben:

1. DR : Wenn ein hohe Dynamikumfang notwendig ist, wird jeweils eine der zwei gleichfarbigen Zellen "unterbelichtet". Sie ist dann für die hellen Bildbereiche zuständig und dadurch kann eine Überstrahlung dieser Bereiche verhindert werden. Die anderen Zellen erzeugen ein normal belichtetes Bild.
Da anschließend die Signale von jeweils zwei Zellen zusammengeschaltet werden, ergibt sich natürlich bestenfalls "nur" die 6MP Auflösung der F31

2. SN : Wird höchste Empfindlichkeit gefordert, dann arbeiten jeweils beide Zellen mit voller Empfindlichkeit. Durch Zusammenschaltung wird die Lichtempfindlichkeit verdoppelt. So etwas gab es zwar auch schon früher (Pixelmixing), hatte dann aber (weil bei der bisherigen Anordnung der Sensorzellen die nächste gleichfarbige relativ weit entfernt ist) einen heftigen Schärfeverlust zur Folge.
Durch die neuartige Anordnung der Sensorzellen des EXR-Sensors ergibt sich bei beiden Arten der Zusammenschaltung eine ganz normale Bayer-Struktur (gelbes Quadrat).
Ergebnis: Auch bei hohen ISO-Werten etwa so geringes Rauschen wie bei der F31. Aber ebenfalls "nur" deren 6MP-Auflösung.

3. HR : Bei gleichmäßiger und heller Beleuchtung können alternativ auch alle Zellen einzeln arbeiten und dann ein Foto von extremer Auflösung liefern. Diesmal mit echten 12MP. Hier kann - bei mind. 400 ISO - sogar die alte DR-Funktion eingesetzt werden.

Die erste Kamera mit diesem Sensor (1/1,6") ist die F200 EXR

Ich werde oft gefragt, wie wohl der EXR-Sensor den Dynamik-Umfang erhöht.
Hier mein Erklärungsversuch (Ohne Gewähr):

Stellt die Kamera ein sehr kontrastreiches Motiv fest, so reduziert sie die Empfindlichkeit der einen Sensorgruppe elektronisch unter den vorgegebenen ISO-Wert. Das ergibt dann ein unterbelichtetes Bild bei dem die Lichter nicht überstrahlt sind.
Die andere Gruppe macht gleichzeitig ein normal belichtetes Foto. Dann werden die beiden Einzelbilder mit HDR-Technik zu einem rauscharmen Bild verrechnet.

Henner, den 22.07.2010

2. Generation EXR

Hatte der EXR der F200 "nur" 25MP/cm² (Die F31 hatte 14!), so folgte Fuji bald dem schlechten Beispiel anderer Hersteller und packte immer mehr MP auf immer kleinere Sensoren. Bei der F80 drängelten sich die 12MP auf einem kleinen 1/2" Sensor (=39MP/cm²).
Der EXR-Sensor der 2. Generation, erstmals eingebaut in die F300, hat die gleichen Daten, aber er enthält zusätzlich Sensorzellen, die für den Phasen-Fokus zuständig sind. Sie sind so abgeschattet, dass sie von einem Motivdetail nur die Strahlen "sehen", die durch den linken bzw. rechten Rand der Optik ankommen. Bei exakt richtiger Entfernungseinstellung decken sich beide Werte. Bei falsch eingestellter Entfernung kann eine Elektronik an der Verschiebung der beiden Signale gegeneinander ohne langes "Probieren" erkennen, in welche Richtung die Optik verstellt werden muss.
→ Ausführliche Erläuterung bei dpreview (Englisch!)

Seit 2011 kombiniert Fuji die Vorteile des EXR-Sensors (sh. oben) mit den Vorteilen des BSI-CMOS (rel. wenig Rauschen und hohe Geschwindigkeit). Aber gegenüber der ersten Kamera mit dem EXR-Sensor (F200 EXR ) hat man den Sensor verkleinert (um mehr Zoom zu ermöglichen) und nicht mehr "nur" 12 sondern 16MP darauf untergebracht. Damit wurde die Pixeldichte [MP/cm²] von 25 auf 52 verdoppelt! Der neue Sensor hat allerdings durch die EXR-Technik (außer bei der Vorgabe "HR") effektiv nur die Auflösung einer 8MP-Kamera, was ein günstigeres Rauschverhalten als bei "normalen" 16MP-Kameras - wenn sie auf 8MP umgeschaltet werde - erwarten lässt, zumal die zumeist noch kleinere Sensoren verwenden. Ein weiterer Vorteil dieser Technik: Die Käufer können trotzdem mit einer 16MP-Kamera prahlen.
Eine der ersten Kameras mit diesem neuen Sensor ist die HS20.

Beim großen APS-Sensor der X100 wurde die EXR-Systematik (sh. oben) mit einem normalen CMOS-Sensor kombiniert, da die BSI-Technik für 12MP nicht notwendig erschien. Auch bei der X10 mit ihrem deutlich kleineren 2/3" Sensor entschied man sich für diese billigere (aber weniger lichtempfindliche) Lösung.

Eigentlich hat dieser neue Sensor mit den alten Super-CCD-Sensoren nichts zu tun. Aber da es wieder einmal ein Fuji-Spezialsensor ist, habe ich ihn hier eingeordnet.

Mit dem X-Trans CMOS Sensor der Fuji X-Pro1 wendete sich Fuji 2012 vom traditionellen 2x2 Muster des Bayer-Sensors (links) ab und ging zu einem 6x6 Muster über (rechts). Der Bayer-Sensor hat Spalten- und Zeilenweise nur rot/grün bzw. blau/grüne Zellen! Der X-Trans-Sensor neigt durch die bewusste ungleichmäßige Anordnung der drei Farbfilter weniger zu Moiré-Bildung. Deshalb ist ein Anti-Aliasing-Filter überflüssig, das die Bilder zwangsläufig unschärfer macht. Wie Tests von dpreview gezeigt haben, erfasst deshalb ein 16MP X-Trans-Sensor fast so viel Linien/Bildhöhe wie eine "normale" 24MP-Kamera. Letztere kann ja wegen des AA-Filters nur 70-80% der max. mögl. Auflösung erreichen. Nur der 15MP Foveon X3-Sensor der Sigma SD1 kann da mithalten. Auch er benötigt kein AA-Filter.

Ab dem Modell F10 bietet Fuji auch die Möglichkeit, die Kamera auf das Format 3:2 umzuschalten. Da der Sensor der F10 praktisch eine 12 MP-Datei erzeugt, wird dann beim Herunterrechnen in der Kamera einfach eine 6 MP-Datei (3024 x 2016) erzeugt, die mehr Pixel pro Bildbreite hat, als die normale 4:3 Datei (2848 x 2136). Normale 6MP-Kameras lassen einfach oben und unten Pixel der 4:3 Datei weg (2848 x 1900 = 5,4 MP).
Der vom Sensor erfasste Horizontal-Winkel ist aber natürlich in allen Fällen gleich groß! Es ist also ein (verbreiteter) Irrtum, dass mit der F10 bei 3:2 mehr Weitwinkel erfasst würde.
Ich verwende das Format ohnehin nie, da ich immer erst am PC entscheide, welches das optimale Seitenverhältnis für ein Foto ist. →Hinweis

Bei der F200EXR wird sogar auch 16:9 angeboten. Aber bei allen Formaten ist die Anzahl der Pixel pro Bildbreite gleich. Es werden also bei 3:2 oben und unten Pixel weggelassen, bei 16:9 noch mehr. Der Horizontal-Winkel ist deshalb immer gleich.

Durch das "Erfinden" der fehlenden Sensorzellen ergeben sich bei Linien, die geringfügig von der Senkrechten oder Waagerechten abweichen, leichte "Fehler". Sie sind allerdings nur bei sehr genauem Hinsehen zu erkennen. Auch meine jahrelang benutzte F602 zeigte (bei wenigen Bildern) diese "Fehler", die mir aber nie unangenehm aufgefallen sind.
Hier an einem Beispiel von der F10, wie das aussehen kann.

Hätte das Schild senkrecht gestanden (was eigentlich normal ist), hätte es keine "Probleme" gegeben und die Schrift wäre noch besser zu erkennen gewesen.
Bei einem "normalen" Sensor wäre die Schrift übrigens am deutlichsten, wenn das Schild im Winkel vom 45% gestanden hätte ....

Diese Grafik (Basis: Messwerte dpreview.com) zeigt überzeugend den damaligen Vorsprung der Super-CCD-Sensoren gegenüber guten "normalen" Sensoren. Heute erreichen auch "normale" Sensoren z.T. die 80%-Linie. →Mehr Infos