Olympus E-500 „Panchromat“: Umbau auf monochrom

Seit 111611Aug13 zu sehen in der Kategorie Fotographie, Modding

An den Bildsensoren in modernen Digitalkameras hat mich schon immer ein wenig ‚gestört‘, dass die maximal erreichbare Auflösung durch ein Antialiasing-Filter und ein Bayer-Gitter reduziert wird. Natürlich nicht ohne Grund – durch das Eine ist es erst möglich Aufnahmen in Farbe zu machen und das Andere ist dazu da, um ein Defizit des Einen wieder wett zu machen. Wenn man jetzt aber viel Wert auf feine Details legt und die Farbe kein wichtiges Kriterium ist, könnte man auf beides verzichten. Nach einer bezahlbaren Kamera, auf die diese Beschreibung passt, sucht man allerdings vergebens. Für ein paar Tausend Euro kann man mit einer speziellen Astro-Kamera anfangen, oder gleich auf ‚eight grand‘ aufrunden und sich eine Leica M Monochrom zulegen. Da vergeht einem gleich wieder der Spass an der Sache… ;).

Eine andere Möglichkeit habe ich in einem Forum gelesen. Dort hat sich ein findiger Hacker dran gewagt, das Schutzglas vom Sensor zu entfernen und dann mit Hilfe eines Dremels die Mikrolinsen und das Bayergitter vom Sensor zu schleifen. Auf YouTube gibt’s ein Video, wo stattdessen einfach ein Bleistift zum Abschaben verwendet wird. Hat funktioniert, wenn auch mit einigen defekten Pixeln. Diese Möglichkeit hat sogar eine Firma aufgegriffen und perfektioniert. LDP bietet diesen Service an und verkauft modifizierte Canon-Bodies, allerdings auch erst jenseits der Zweitausender-Marke.

Viel einfacher scheint es da, gleich den Sensor gegen einen Panchromatischen ohne Bayergitter zu tauschen. Das große Problem dabei ist jedoch, dass es kaum solche „Schwarzweiss“-Sensoren gibt! Bedarf besteht dafür fast ausschließlich im wissenschaftlichen Bereich (Mikroskopie, Messtechnik, etc.) sowie für die Astrofotografie. Im Vergleich zu „Consumer“-Produkten ist das allerdings nur ein recht kleiner Teil, weshalb es für die Hersteller der Sensoren nicht sehr lukrativ ist viele davon zu machen. Dem entsprechend gibt es nicht zwangsläufig zu jedem aktuellen Farbsensor ein monochromes Pendant. Und wenn doch, dann sind die Teile entsprechend schwer zu bekommen und auch nicht gerade billig.

In meiner guten alten Olympus E-500 ist ein KAF-8300CE verbaut, ein 8MP CCD im Keramikgehäuse mit echten Beinchen dran! Heutzutage kaum noch vorstellbar, wo doch nur noch alles per SMD auf Flexleiterbahnen gepappt wird… Jedenfalls war (oder ist noch?) dieser Sensor auch als monochrome Version sehr erfolgreich und entsprechend oft in Astro-Kameras zu finden. Deshalb sind auch bei diversen Lieferanten noch Lagerbestände vorhanden, die auch verkauft werden – das macht einen Sensorwechsel also praktisch schonmal möglich!

Der Preis für ein Einzelstück ist dann schon wieder eine andere Sache. Ich habe diverse Anfragen an asiatische Firmen geschickt und die Antworten waren alle ziemlich ähnlich. Der Stückpreis liegt demnach irgendwo zwischen $300 und $500. Verglichen mit bummelig EUR 150 für einen APS-C-Ersatzsensor nicht so ganz unrealistisch, aber doch noch eine Menge Geld. Schließlich muss man das Ding ja auch noch einbauen…

Jedenfalls habe ich glücklicherweise auch einen deutschen Lieferanten aufgetan, der mir ein Angebot von knapp EUR 100 gemacht hat. Für ein Experiment mit ungewissem Ausgang und meinen Geschmack immer noch recht viel Geld, aber ich habe nicht lange gezögert und gleich zugeschlagen.

Wie das Leben so spielt, hatte ich kürzlich die Gelegenheit, sehr günstig an einen gebrauchten Canon-Body zu kommen. Da ich letztes Weihnachten die Grenzen von nicht mehr so ganz brauchbaren ISO1600 an F3.5 erfahren durfte, habe ich mich eh schon länger mit einem Ausrüstungs-Update rumgetragen. Also habe ich tief in die Tasche gelangt und mir das sagenhafte Sigma 18-35mm F1.8 DC HSM zugelegt. Damit ist der Systemwechsel quasi komplett (naja, ein paar Brennweiten fehlen wohl noch, aber das Teil will man gar nicht mehr vom Body runternehmen :)) und die gute Oly steht frei zum Basteln. Bin ja eh schon seit kurzem damit zu gange.

Jedenfalls kam die E-500 erstmal auf die Schlachtbank. Der Sensor war relativ leicht zugänglich und schnell freigelegt, allerdings nur bis auf die Montageplatte. Da ist das Ding nämlich ziemlich fest draufgeklebt. Bei meinen Bemühungen, die beiden von einander zu trennen, musste ich ziemlich viel rohe Gewalt anwenden, die dann auch ihren Tribut gefordert hat. Der Sensor ist zwar in einem Stück geblieben, aber die Montageplatte war ziemlich verbogen. Mit einem Hammer und etwas Platinenmaterial als Schutz konnte ich sie zwar wieder begradigen, aber ob das für eine saubere, gleichmäßige Fokusebene reicht wird sich zeigen…

Den neuen Sensor habe ich dann mit zwei Tropfen Epoxy auf die Montageplatte geklebt und ’nach Auge‘ ausgerichtet. Vielleicht hätte ich mir vorher eine Zentrierhilfe machen sollen, weil der Sensor jetzt doch eine leichte Schräglage gegenüber Sucher und Stativ aufweist… Naja, gibt schlimmeres.

Jedenfalls habe ich erstmal alles wieder zusammengesetzt und das Filterpaket vorerst noch drin gelassen. Hier das erste Ergebnis:

Die beiden Fotos wurden mit der gleichen Belichtungszeit gemacht. Da der neue Sensor ein bisschen empfindlicher ist als der Alte, ist die untere Hälfte etwas blass. Durch empirisches Ermitteln bin ich auf einen Unterschied von etwa 1EV gekommen – deutlich mehr als ich erwartet hatte! Schließlich konnte ich nur einen KAF-8300XE bekommen (die monochrome Version ohne Mikrolinsen), welcher laut Datenblatt sogar noch eine etwas geringere Effizienz als die Bayer-Version haben soll. Nochmal deutlich schneller wäre die Kamera wohl mit dem KAF-8300-AXC geworden, wie das QE-Diagramm zeigt:

Schön und gut, die Kamera funktioniert wieder und scharf sind die Bilder auch, ein wirklicher Gewinn an Auflösung ist jedoch nicht auszumachen. Zumindest theoretisch sollten die Bilder bei gewissen Farbkombinationen und Strukturen jetzt besser aussehen, da das Entrastern (oder Debayern oder Demosaicking) jetzt entfallen kann – wenn man bei der RAW-Entwicklung drauf achtet. Die JPEGs direkt aus der Kamera sind ja immer noch entrastert, da die Kamera ja nicht wissen kann dass das Bayergitter jetzt nicht mehr da ist. Die Bilder sind so zwar brauchbar, aber eben auch keinen Deut besser als mit der Original-Kamera. „Farbbilder“ sind in der Kamera jetzt übrigens magentafarben; wenn man den Farbmodus aber auf monochrom stellt, sieht man gleich das zu erwartende Endergebnis.

Für einen echten Auflösungsgewinn muss allerdings das Antialiasing-Filter gehen. Leider ist das in der E-500 aber nicht separat, sondern zusammen mit dem Infrarotfilter zu einem Filterpaket zusammengekittet, das eine Dicke von gut 3mm aufweist. Wenn man jetzt aber ein Element von dieser Dicke aus dem Strahlengang entfernt, stimmt die Fokusebene nicht mehr und muss entsprechend korrigiert werden. Bei den gegebenen drei Millimetern müsste der Sensor einen guten Millimeter weiter nach vorne, Richtung Objektiv hin, positioniert werden. Ich hatte gehofft, dass die vorhandenen Ausgleichsscheiben unter der Sensoreinheit dick genug sein würden um alles weglassen zu können und der Fokus würde wieder passen. Hat aber leider nicht geklappt :(. Zwar habe ich jetzt keinerlei Filter mehr im Weg, aber auch keinen Fokus mehr bis Unendlich.

Also bleibt auf der ToDo-Liste: Ein neues Filter-Ersatzglas in gleicher Dicke besorgen. Am einfachsten (und günstigsten) wäre ein klares Floatglas. Damit würde der Fokus wieder stimmen und die Kamera wäre gleichzeitig für den Infrarot-Einsatz gerüstet. Allerdings müsste ich dann ein Infrarotfilter vor die Linse schrauben, um überhaupt normale Fotos machen zu können. Das große Problem mit der IR-Fotografie ist nämlich, dass 99% aller üblichen Objektive nicht für Infrarot korrigiert sind und somit einen entsprechenden Fehlfokus produzieren. Für reine IR-Aufnahmen ist das OK, aber in Kombination mit sichtbarem Licht kann das Schwierigkeiten geben.

Die Option halte ich mir noch offen. Ansonsten kommt ein entsprechendes IR-Filter direkt vor den Sensor, aber eben ohne die Kombination mit dem AA-Filter.

Trotzdem konnte ich schon ein paar Testfotos mit manuellem Fokus auf kurze Distanz machen:

Hier ist jedenfalls schonmal ein Gewinn an Auflösung zu sehen. Ehrlich gesagt nicht ganz so viel wie ich mir erhofft hatte, aber doch sichtbar mehr als vorher. Mag sein dass das Antialiasingfilter der E-500 schon von Haus aus relativ schwach ist, könnte aber auch sein, dass das 35er Makro einfach nicht viel mehr hergibt…

Zugegeben, eine schwarze Platine ist vielleicht nicht gerade das beste Vergleichsobjekt, aber ich hatte gerade nur meine alte Grafikkarte zur Hand – und die kleinen SMDs sind ja gerade noch zu erkennen…

Die dicht beieinander liegenden Leiterbahnen und Vias sind jedenfalls deutlich besser aufgelöst und nicht mehr so ‚zusammengematscht‘ wie vorher.

Im Großen und Ganzen also schonmal nicht schlecht. Die Kamera funktioniert noch und die Bildqualität ist auch etwas besser geworden; nicht übermäßig, aber auch nicht verschwindend gering. Wenn ich jetzt noch den Autofokus wieder in den Griff bekomme, bin ich doch zufrieden :).

Hier nochmal ein paar Vergleichsbilder zur ISO-Leistung. Links sind die JPEGs direkt aus der Kamera zu sehen, die vom Rauschen her mit dem der Original-Kamera vergleichbar sein dürften. Rechts sind die entwickelten RAW-Dateien zu sehen, ohne weitere Nachbearbeitung. Verwendet habe ich dafür dcraw mit folgenden Parametern:

dcraw64.exe -a -H 1 -d -T

Wobei das ‚T‘ für TIFF als Ausgabeformat sorgt, ‚H 1‘ für eine korrekte Belichtung, ‚d‘ für den Document-Mode (also ohne Entrastern) und das ‚a‘ für einen automatischen Weissabgleich. Wenn man nur ‚d‘ ohne ‚a‘ verwendet, bleibt im entwickelten Bild ein Schachbrettmuster sichtbar. Nur ‚D‘ (großes D, nicht das Kleine) neigt eher zu überbelichteten Bildern mit ausgebrannten Highlights, wobei ‚D‘ mit ‚H 1‘ viel zu stark unterbelichtet. In einem weiteren Artikel habe ich mich da etwas mehr mit auseinandergesetzt.

Die vollständigen Bilder gibt es hier nochmal einzeln zum Download:

JPG: ISO 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200

RAW: ISO 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200

Und ein paar Bilder zur Farbwiedergabe. Testbild war mein Monitor, da ich keinen Farbdrucker habe:

17.05.2014

Inzwischen habe ich mich endlich dazu überreden können, ein neues IR-Sperrfilter zu bestellen. Ich war bisher immer auf der Suche nach einem rechteckigen Stück Glas mit den Maßen 22.1mm x 17.3mm x 3mm gewesen, konnte aber nichts finden das auch nur annähernd gepasst hätte. Als ich die Hoffnung schon fast aufgegeben hatte, kam mir beim Durchstöbern der Angebote auf AliExpress plötzlich die Eingebung: Warum nicht gleich ein rundes Filter?!

Also habe ich mir dann ein IR-Sperrfilter mit 25mm Durchmesser und 3.3mm Dicke bei Edmund Optics bestellt. Die Bestellnummer ist 43-842. Mit insgesamt gut 70 Euro (horrende Versandkosten und Märchensteuer sei dank) auch nicht so ganz günstig, aber naja.

Hab mich dann auch gleich heute morgen an den Einbau gemacht:

Wie man sieht, habe ich einfach das vorhandene Filterglas mitsamt Gummimanschette und Halteklammer aus dem SSWF-Rahmen rausgenommen und das rechteckige Loch in ein rundes mit Ecken verwandelt ;). Der vorhandene Ausschnitt ist ziemlich exakt 25mm breit, weshalb ich nur an 2 Seiten mit dem Cutter etwas Material wegnehmen musste. Das neue Filter klemmt jetzt einfach da drin. Beim Einpassen ist mir allerdings gleich eine Kante gesplittert! Naja, hab’s dann so gedreht dass die Katsche nicht im Strahlengang liegt. Nochmal Glück gehabt :).

Unterm Strich würde ich sagen, dass sich der Aufwand doch gelohnt hat. Nach den ersten Tests scheint es so, dass ich wieder einen leichten Frontfokus habe, allerdings komme ich auch wieder bis Unendlich und Pflanzen sehen auch wieder normal aus.

Weiter zu den Kommentaren…

It always bothered me a little bit that the image sensors in modern digicams are effectively limited in resolution by a Bayer pattern and an antialiasing filter. Of course you need both of them to make coloured images which don’t have any nasty moiree effects under any circumstances. But what if you simply need the absolute maximum of resolution for a perfect monochrome image? You’d neither need the one nor the other. But you won’t find an affordable camera without them. You can start with some thousands for an astrophotography cam or even spend eight grand for a Leica M Monochrom. Sounds neat, huh? ;).

I’ve read about another possibility in a forum. A brave hacker simply removed the cover glass from the sensor and ground down the microlenses and Bayer pattern with a Dremel. There’s also a video on YouTube where another one uses a pencil instead to simply scrape the layers off. It worked, although the risk for some (or a lot) dead pixels is rather high. There’s a company out there who does just that: LDP offers you modified Bodies, but they’re not exactly cheap, either.

Seems to be easier to simply swap the sensor with a panchromatic one, which doesn’t feature a Bayer pattern right from the start. The biggest problem about that is, however, that there’re almost no monochrome sensors out there! They’re mainly designed for scientific purposes like microscopes or measuring devices, which are not produced in such high quantities like consumer products. That’s why you’re likely to not find a monochrome version of your current DSLR’s sensor, and if so, it won’t be easily obtained at DigiKey, nor would it be cheap.

My good ol‘ Olympus E-500 features a Kodak KAF-8300CE, an 8MP CCD in a ceramic DIP package with real pins on it! Very uncommon these days, where everything’s surface mounted to flex PCBs. Anyway, the monochrome version of this sensor is very common in astro-photography, so they’re still around and rather easy to source.

Pricing is another thing, though. I received several quotes for a single piece (most of the suppliers stock more than 100 of them), all ranging from $300 to $500. Not exactly cheap, although it doesn’t sound overpriced.

Luckily I found a German supplier who offered me one sensor for less than EUR 100, which sounds OK to me and effectively saves me from the hassle of chinese shipping costs and customs etc. at the same time.

Just as life goes, I was able to get a Canon Body really cheap, so without further ado I spent all my money to get me a nice Sigma 18-35mm F1.8 DC HSM, effectively performing a system change :) . That leaves me with my E-500 free to fiddle with, like I already started to do.

So the E-500 went on the bench. It was rather straight forward to disassemble everything down to the sensor unit. Separating the sensor from the mounting plate was a little tricky, though, since they’re firmly glued together. I managed to separate them with a lot of force, leaving the old sensor intact, but deforming the mounting plate. Had to put it between some scrap PCBs and carefully use a hammer to straighten it back out.

The new sensor was then glued onto the mounting plate with two drops of Epoxy, aligning it by eye. Maybe I should have made myself some kind of guide for that, since it’s a bit tilted against the viewfinder now. But hey, could have been worse :) .

I then put everything back together, leaving the filters in place for now, and here’s the first result:

Both pictures were taken with the same lighting and exposure. The new sensor is more sensitive than the other, that’s why the bottom half is a bit pale. I found the difference to be about 1 EV, much more than I expected! I could only get a KAF-8300XE (monochrome without Microlenses), which should have been a bit less sensitive, according to the datasheet:

So far so good, camera’s working again and it still produces sharp images, but there’s no real gain in resolution. In theory it should look a little better now for certain situations, since there’s no need for debayering anymore. The camera still does it, making the JPEGs as useful as before, but that’s what raw converters are there for. If you’re curious: The pictures on the camera display have a strong magenta tint. Setting the color mode to monochrome is advisable.

For a real gain in resolution I’d have to get rid of the antialiasing filter. Unfortunately it is not separate, but glued together with the IR filter to a 3mm thick unit. Simply removing this without a replacement leaves me with a strong focus shift, now being unable to achieve infinity focus :( . I was hoping to be able to compensate for this by leaving out the shims below the sensor unit, but they have not been thick enough.

Now I’m looking for a replacement glass to get back my autofocus. I’m not sure wether I should go for a float glass window, leaving me with a nice IR ability (though making an on-lens filter necessary for normal shots), or a hot mirror.

However, I was able to make some manual focused test shots at short distances:

Now there is a slight gain in resolution visible. Not as much as I had hoped for, but who knows… Maybe the 35mm Macro is already the limiting factor here?

Granted, a black circuit board may not be the best subject for testing, but it has lots of fine details and it was the best thing I had at hand…

The small tracks and vias are resolved much better now and are not as mushy as before.

Not bad at all: Camera is still working and it’s resolving better than before. Not by much, but it’s visible. Now I’ll just have to get the autofocus working again and I’m happy :).

Here’s the ISO performance. On the left you see the out-of-camera JPEGs, which should be as noisy as the original camera. On the right are the developed RAWs without further modifications. I used dcraw with the following parameters:

dcraw64.exe -a -H 1 -d -T

with ‚T‘ for TIFF output, ‚H 1‘ for correct exposure, ‚d‘ for document mode (no debayering), and ‚a‘ for automatic white balance. Using only ‚d‘ without ‚a‘ leaves me with a checker pattern in the output image. ‚D‘ only (uppercase) yields overexposed images with clipped highlights, while ‚D‘ together with ‚H 1‘ underexposes. Here’s some further testing I did with dcraw.

Here are the full frames for you to play with:

JPG: ISO 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200

RAW: ISO 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200

And now some shots showing the color rendition. Test target was my monitor, since I don’t own an ink printer:

17.05.2014

Finally I got myself a new hot mirror. Been looking for an affordable 22.1mm x 17.3mm x 3mm sized one, but didn’t find anything, so I ordered a round one. Namely a 43-842 from Edmund Optics. Not exactly cheap either, but probably as cheap as it gets.

Fitted it this morning:

As you can see I simply removed the original filter with its corresponding parts and fitted the new one directly into the SSWF compartment. Since the original opening is 25mm wide, I only had to work on two sides and could simply press-fit the glass. While doing this I somehow managed to chip off a piece of the new filter… Damn it, but it’s small enough to be out of the optical path.

In conclusion I’d say that it was worth the hassle, though. I’m left with a slight front focus now, but I can reach infinity again and the foliage looks natural, too :).