Funktionsweise und Typen

Der wichtigste und gleichzeitig teuerste Teil einer Digitalkamera ist der Bildsensor. Er wandelt das einfallende Licht in Informationen um, die von der Kameraelektronik verarbeitet werden können. Im wesentlichen unterscheidet man zwischen zwei Sensor-Typen, zwischen CCD-, und CMOS-Sensoren. Ausserdem gibt es noch Bildsensoren, die auf eine dieser beiden Arten aufbauen.

Ein Bildsensor besteht aus einer Matrix von Pixeln (Picture Elements) zur Messung der Lichtstärke, wobei man den "Fotoelektrischen Effekt" nutzt. Durch das einfallende Licht werden aus der Halbleiterschicht Elektronen gelöst, die gezählt werden. Durch diese Vorgehensweise können aber nur Helligkeits-, aber keine Farbinformationen gewonnen werden. Gewöhnliche Bildsensoren können daher nur Graustufenbilder aufnehmen.

Um ein Farbbild zu erhalten, wird vor jeden Pixel ein winziger roter, grüner oder blauer Filter gelegt. Die Anordnung dieser Farbfilter ist dabei so festgelegt, dass sich in einer Zeile rote und grüne, in der nächsten grüne und blaue Filter abwechseln. Die grünen Filter sind dabei Zeilenweise um einen Pixel verschoben. Diese spezielle Anordnung geht auf einen Mitarbeiter bei der Firma Kodak namens Bayer zurück. Deshalb spricht man auch vom "Bayer-Filter".

Da ein Pixel daher nur Informationen über einen Farbanteil liefern kann, müssen die benachbarten Bildpunkte zur Berechnung der tatsächlichen Farbe herangezogen werden. Man nennt das Farbinterpolation. Dabei geht man davon aus, dass es zwischen zwei benachbarten Pixeln zu keinen wesentlichen Farbunterschieden kommt. Weil das menschliche Auge empfindlicher auf Grüntöne ist, gibt es 50% grüne und nur je 25% blaue und rote Sensorpixel. Um einen farbigen Bildpunkt zu erhalten, benötigt man die Informationen von drei nebeneinander liegenden Pixeln und nutzt daher nur 33% der tatsächlichen Sensorauflösung aus. Von einem sechs Megapixel Sensor erhält man also nur ein Bild mit zwei Millionen Farbpunkten. Erst durch Interpolation, also durch Hochrechnen, erreicht man wieder die ursprüngliche Auflösung. Obwohl immer interpoliert wird, geben die Kamerahersteller dies nur für Modelle an, deren maximale Bildgröße über der physikalischen Auflösung des Sensors liegt.

All dies kann bei scharfen Farbkanten und feinen Strukturen zu Fehlern, wie zum Beispiel Moirés, führen. Um diese Probleme zu verringern, liegt ein weiterer Filter über dem Sensor - der sogenannte "Antialiasing-Filter". Man kann sich diesen Filter am Besten wie einen Weichzeichner vorstellen, der die scharfen Kanten verwischt. Die Fotos einer Digitalkamera sind daher immer etwas unscharf. Bildschärfe wird erst später softwaretechnisch, entweder schon in der Kamera, oder danach bei der elektronischen Bildverarbeitung am Computer, in das Bild hineingerechnet. Kameras mit schwächerem Antialiasing Filter liefern etwas schärfere Bilder, neigen aber mehr zu Farb-Moirés.

Dies alles gilt im Prinzip für alle in aktuellen Digitalkameras eingesetzten CCD und CMOS Sensoren. Die einzige derzeit bekannte Ausnahme ist der "Foveon X3" Sensor, der aus drei lichtempfindlichen Schichten besteht, und daher keinen Bayer-Filter benötigt. Derzeit wird der Foveon X3 allerdings nur in der Sigma SD-10 eingesetzt.

Wenn das Licht durch das Objektiv auf die Filmebene fällt, trifft es nicht überall im gleichen Winkel auf. Je weiter ein Lichtstrahl von der Mitte entfernt auftrifft, desto schräger ist er. Bei der analogen Fotografie ist dies kein Problem, da ein Film durch seinen homogenen Aufbau auch schräg einfallendes Licht gleichmäßig gut aufnehmen kann. Bei digitalen Sensoren verursacht dieses Phänomen aufgund des Aufbaus aus einzelnen lichtempfindlichen Zellen sehrwohl Schwierigkeiten. Dadurch können im Randbereich Probleme mit der Farb- und Helligkeitsdifferenzierung sowie stärkeres Rauschen auftreten. Um dies zu verhindern, werden Mikrolinsen vor die Pixel platziert, die das Licht optimal bündeln.

Bei beiden Sensoren handelt es sich um Halbleiter, die wie oben beschrieben durch einfallendes Licht Elektronen abgeben. Der große Unterschied zwischen beiden Typen liegt darin, dass beim CCD diese Elektronen vom Chip wegtransportiert werden müssen, und erst ausserhalb in elektrische Spannungen umgewandelt werden. Bei CMOS Sensoren geschieht dies schon am Chip durch entsprechende Transistoren bei den Pixeln. Der Vorteil der CMOS Sensoren liegt darin, dass sie über eine höhere Empfindlichkeit verfügen, der Nachteil ist, dass sie mehr zu Bildrauschen neigen. CMOS Sensoren können ausserdem sehr kompakt gebaut werden, was vor allem für sehr kleine Kameras wichtig ist. CCD Sensoren dagegen rauschen weniger und bieten einen größeren Dynamikumfang. Ein weiterer Vorteil der CCD Sensoren ist, dass es bei dieser Technik relativ einfach ist, einen elektronischen Verschluss zu implementieren. CCDs sind aber etwas teurer in der Produktion als CMOS Chips. Unter dem Strich gelten beide Varianten mittlerweile als qualitativ gleichwertig.

Bei diesem Sensor-Typ handelt es sich um eine spezielle CCD-Variante, die von der Firma Fuji entwickelt wurde. Die Pixel-Anordnung ist um 45 Grad gedreht, was zu einem geringeren Abstand zwischen den Sensoren in horizontaler und vertikaler Richtung führt. Weiters wurde durch eine achteckige Bauform der Pixel die Lichtempfindliche Oberfläche vergrößert. Was Rauschverhalten und Dynamik betrifft, weist dieser Sensor durchschnittliche Werte auf, zeichnet sich aber durch eine besonders hohe Lichtempfindlichkeit aus. Dadurch verschlechtert sich das Bildrauschen bei höheren Empfindlichkeiten auch nicht so stark wie bei herkömmlichen CCD Sensoren. Bei einer weiteren Variante dieses Sensors, dem Super CCD SR, befindet sich neben jedem Pixel noch ein weiterer, kleinerer weniger empfindlicher Sensor. Dieser zeichnet bei der Aufnahme ein zweites, unterbelichtetes Bild auf, welches mit dem ersten verrechnet wird. Dadurch wird eine weitere Verbesserung des Dynamikumfangs um bis zu drei Blendenstufen erreicht. Ausserdem enthalten die Bilder mehr Zeichnung in den hellen Bereichen. Insgesamt stellt der Super CCD eine interessante Entwicklung dar und die Kameras die ihn verwenden verfügen über eine sehr gute Bildqualität.

Der bereits oben erwähnte Foveon X3 Sensor ist derzeit einzigartig, da er mit vielen Nachteilen herkömmlicher Sensoren aufräumen soll. Man macht sich bei diesem Chip die Eigenschaft des Lichts zu Nutze, wonach die Strahlen je nach Wellenlänge unterschiedlich Tief in die Sensoroberfläche eindringen. Der Sensor ist wie ein Sandwich aufgebaut und besteht aus drei Lichtempfindlichen Schichten, je eine für Blau, Grün und Rot. Dadurch benötigt dieser Chip keinen Filter, um Farbinformationen zu erhalten - er "sieht Farbe". Durch den Verzicht auf den Bayer-Filter und die damit nicht notwendige Farbinterpolation, wird auch kein Antialiasing Filter benötigt. Man erreicht dadurch wesentlich mehr Schärfe und Detailtreue. Allerdings ist die Farbtrennung nicht ganz perfekt, wodurch der Foveon zu stärkerem Rauschen neigt. Vor allem bei Situationen mit wenig Umgebungslicht zeigt er noch große Schwächen. Man sollte auch darauf hinweisen, dass der 10,2 Megapixel Foveon X3, tatsächlich nur über drei 3,4 Megapixel Sensorschichten verfügt. Nach Schätzungen erreicht ein 10 Megapixel Foveon ungefähr die gleiche Auflösung wie ein sechs Megapixel Bayer-Sensor.

Insgesamt stellt auch dieser Chip eine sehr interessante Weiterentwicklung der Sensortechnologie dar, leidet aber noch unter einigen Kinderkrankheiten und wird derzeit nur in Kameras der Firma Sigma verbaut.

Dieser Sensor wird von Nikon angeboten und unterscheidet sich hauptsächlich in elektronischer Hinsicht von anderen CMOS Sensoren, wodurch einige Bildbearbeitungsschritte in der Kamera beschleunigt werden. Allerdings konnte die Farbwiedergabe der Nikon D2H, die diesen Sensor einsetzt, bisher nicht wirklich überzeugen.

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt eines Bildsensors ist seine Baugröße. Je größer ein Chip mit einer bestimmten Auflösung ist, desto größer sind auch die einzelnen Pixel. Da größere Pixel mehr Licht aufnehmen können, steigt die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang. Sind die Pixel allerdings sehr klein, muss das Signal das sie liefern elektronisch verstärkt werden. Je größer die Verstärkung ist, desto mehr neigt ein Bildsensor zum Rauschen. Während man mit einer Spiegelreflex Kamera aufgrund der großen Sensoren problemlos mit ISO 800 und oft auch darüber fotografieren kann, ist mit Kompaktkameras oft kein brauchbares Foto mit ISO 400 mehr zu machen. Aktuelle Bildsensoren werden in Größen zwischen 5,7mm*4,2mm und 36*24mm verbaut. Letztere werden auch Vollformat-Sensoren bezeichnet, da ihre Größe der eines 35mm Kleinbild-Filmes entpspricht. Solche Chips findet man aber nur in sehr teuren Spiegelreflexkameras. Die meisten DSLRs setzen Chips im sogenannten APS-C Format (23,7mm*15,6mm) ein. Eine Ausnahme bilden Olympus Spiegelreflex-Kameras mit Sensoren die dem Four Thirds Standard (18mm*13,5mm) entsprechen. Alle Kompaktkameras, auch die sogenannten Bridge-Kameras, setzen wesentlich kleinere Sensoren ein. Obwohl die Hersteller die Signalverarbeitung bei kleinen Sensoren und die Rauschunterdrückung mittlerweile sehr gut im Griff haben, ist meist eine Kamera mit größerem Sensor und etwas kleinerer Auflösung einem Megapixel Moster mit mini-Chip vorzuziehen.

Ob eine Kamera einen CCD, oder CMOS Sensor benutzt ist eher nebensächlich. Obwohl CMOS Sensoren aus dem Bereich der Kompaktkameras kommen, werden Sie auch in immer mehr Spiegelreflex Kameras eingesetzt. So setzt zum Beispiel Canon derzeit in allen DSLR Modellen, inklusive den Profimodellen EOS-1Ds und EOS-1D Mark II ausschließlich CMOS Sensoren ein. Auch Nikon hat sich bei der neuen Profikamera D2X für CMOS entschieden, während die kleinere im Frühling 2004 vorgestellte D70 einen CCD verwendet. Mir erscheint vor Allem das Konzept des Foveon X3 interessant, da durch seinen Aufbau viele Nachteile herkömmlicher Sensoren ausgeschaltet werden. Allerdings hat dieser Sensor in anderen Bereichen teilweise erhebliche Probleme, weshalb er zur Zeit noch keine wirkliche Alternative zu Bayer-Sensoren darstellt.

Häufig wird in der Werbung die Megapixel-Anzahl einer Kamera als einziges, oder zumindest wesentlichstes, Kriterium für die Qualität eines Digitalfotos dargestellt. Wie Sie in diesem Artikel gesehen haben, stellt die Auflösung eines Bildsensors nur einen Qualitätsaspekt unter vielen dar. Vor Allem die Baugröße des Chips hat enormen Einfluss auf die Lichtempfindlichkeit und Dynamik - beides Eigenschaften die mindestens den gleichen Stellenwert haben wie die Auflösung.

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