Mikrolinsentechnologie des Digitalkamerasensors und Einfallswinkel des Kantenlichts, Verschlechterung der Bildqualität bei schrägen Kanten

1. CMOS-Pixel-Aperturverhältnis-Krise und Oberflächen-Mikrolinsen-Array

Da die Pixeldichte des Sensors steigt (die Größe einzelner Pixel schrumpft auf weniger als 3 Mikrometer), können die meisten Photonen ohne optische Intervention einfach nicht in die Fotodiode gelangen:

1. Lichtkonzentration der On-Chip-Mikrolinse:

• Auf der äußersten Oberfläche des Sensorchips ist für jedes einzelne Pixel eine für das bloße Auge unsichtbare Mikrolinse mit konvexer Linse speziell angefertigt;
• Funktion: Wie unzählige Mikrotrichter fängt und bricht es das gesamte Licht, das auf die toten Ecken der Metallverdrahtung um das Pixel herum scheint, und fokussiert es auf die Mitte der winzigen Silizium-Fotodiode unten, wodurch die Quanteneffizienz des Sensors um ein Vielfaches erhöht wird.

2. Widerspruch zwischen vertikalem Einfall in der Mitte und schrägem Einfall am Rand:

• In der Mitte des Rahmens: Licht tritt in einem vertikalen Hauptstrahlwinkel (CRA – Chief Ray Angle) von fast 90 Grad ein und die Mikrolinse ist perfekt fokussiert;
• Aber am äußersten Rand des Rahmens und den vier toten Ecken: Das Licht muss in einem extrem spitzen Winkel auf die Mikrolinsenoberfläche treffen!

2. Das „Transferdesaster“ alter achsensymmetrischer Weitwinkelobjektive

Viele Fotografen schrauben eifrig teure alte klassische Messsucherobjektive (wie Leica Super-Angulon 21 mm, Biogon 28 mm Weitwinkel mit symmetrischer Struktur) über Adapterringe an gewöhnliche spiegellose Sony/Nikon-Kameras, und die resultierenden Fotos weisen unschöne Kanten auf:

1. Die physikalische Struktur der hinteren Linse in der Nähe des Sensors:

• Das Entfernungsmesser-Weitwinkelobjektiv macht den SLR-Reflektor überflüssig und das letzte Stück Glas auf der Rückseite des Objektivs berührt fast die Filmoberfläche (der physische Abstand beträgt nur wenige Millimeter);
• Wenn schräge Strahlen von der hinteren Gruppe ausgehen, ist der Hauptstrahleinfallswinkel (CRA), der das Randpixel erreicht, extrem steil, mit einem Neigungswinkel von bis zu 35° bis 45°!

2. Brechungsblockierung des modernen spiegellosen Frontglases mit hoher Sensordicke (Abdeckglas):

• Die Oberfläche des Films besteht nur aus einer dünnen Schicht Gelatineemulsion, und der Film behindert nicht die vollständige Absorption von schräg einfallendem Licht.
• Moderne Digitalkamerasensoren sind jedoch vorne mit einem Stapel Sensorschutzglas (IR-Sperrfilter, Tiefpassfilter, staubdichtes Glas) mit einer Dicke von bis zu 1,5 mm bis 2,5 mm abgedeckt;
• Wenn das extrem schräge Licht durch dieses dicke Glas fällt, entsteht ein enormer Astigmatismus und eine Verformung der Bildfeldkrümmung, wodurch der ursprünglich scharfe Rand des Bildes völlig gestreckt wird und in eine unscharfe Verschmierung (Smearing) zerfällt.

3. „Rote Schalttür“ (Effekt der italienischen Flagge – Farbstich der italienischen Flagge):

• Das schräg einfallende Licht kann nach dem Durchdringen der Mikrolinse nicht genau auf den entsprechenden lichtempfindlichen Punkt fallen. Stattdessen dringt es schräg ein und „leckt“ in den Farbfilter des benachbarten Pixels;
• Infolgedessen ist die Farbe in der Bildmitte normal, am linken Rand erscheint jedoch ein großer violetter Bereich und am rechten Rand erscheint ein großer dunkelgrüner Bereich. Das gesamte Foto ist durch Farbstich stark beschädigt.

3. Das evolutionäre Spiel der Mikrolinsentechnologie unter den großen Kameramarken

Um den Zusammenbruch der Bildqualität von großwinkligem Schräglicht vollständig zu beheben, hat der Halbleiterprozess zwei revolutionäre Verbesserungen vorgenommen:

1. Microlens Edge Progressive Shift-Technologie (Shifted Microlenses):

• Repräsentative Modelle: Leica M9 / M10 / M11 Spezialbereichs-Achsensensor.
• Bei der Herstellung des Chips wird die Mikrolinse in der Mitte des Sensors streng in der Mitte platziert;
• Wenn es sich zum Rand hin bewegt, verschiebt sich die physische Position der Mikrolinse relativ zu den darunter liegenden Pixeln allmählich zur Bildmitte hin!
• Am äußersten Rand hat sich die Mikrolinse um eine gewisse Strecke nach innen bewegt, fängt das schräg einfallende 40-Grad-Licht ab und bricht es perfekt zurück zum lichtempfindlichen Bereich mit tiefer Vertiefung am unteren Rand, wodurch ein scharfer Übergang zum Weitwinkelrand erreicht und eine Rotverschiebung vollständig beseitigt wird.

2. Ultradünnes Sensor-Abdeckglas:

• Die Dicke des Schutzglases der Körpersensoren der Leica M-Serie ist extrem extrem (so dünn wie 0,8 mm, nur ein Drittel der von herkömmlichen japanischen Kameras), wodurch Kantenstreuung und Bildfeldkrümmungskollaps, die durch dickes Glas verursacht werden, vollständig vermieden werden.

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