Der unbekannte Kamerasensor: was er ist und Wie funktioniert er?

Dieser Artikel ist Teil der Fotografie lernen-Reihe “Grundwissen Fotografie: Lernen, wie was funktioniert” und erklärt die Bedeutung des Bildsensors für die Digitalfotografie und wie er funktioniert.

Auf die Größe kommt es an…

Denn die Fläche und Pixelgröße des Kamerasensors sind die wichtigsten Faktoren für die Bestimmung der Gesamtleistung und Bildqualität der Kamera. Doch ich bin mir sicher, Dich interessiert nicht nur das Fazit, sondern auch meine Analyse und ein wenig Hintergrundwissen, wie Dein Sensor funktioniert und worauf Du beim Kauf einer neuen Kamera achten kannst.

Was ist ein Kamerasensor?

Der Kamerasensor, auch Bildsensor genannt, ist ein elektronisches Gerät, das Lichtinformationen sammelt, die aus Farbe und Intensität bestehen.

Dieses Licht muss aber erst die Blende passieren; die Verschlusszeit bestimmt die Zeitspanne, in der die Lichtinformationen vom Kamerasensor erfasst werden. Der ISO-Wert stellt ein, wie sehr diese Lichtinformationen vom Sensor verstärkt werden, bevor sie in ein digitales Format übertragen und letzten Endes als Bilddatei gespeichert werden.

CCD- und CMOS-Sensor

Es gibt aktuell zwei Arten von Bildsensoren auf dem Markt: CMOS-Sensoren (“Complementary Metal Oxide Semiconductor”, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) und CCD-Sensoren (“Charge Coupled Device”, ladungsgekoppelte Vorrichtung), die unterschiedliche Technologien zur digitalen Erfassung von Bildern verwenden.

Aufgrund der hohen Leistung, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen, und der geringen Produktionskosten ist der CMOS-Sensor in fast allen modernen Digitalkameras und Smartphones zu finden. CCDs erfreuen sich dafür großer Beliebtheit im Bereich der Astronomie wegen der hohen Quanteneffizienz: Pro einfallendes Lichtphoton wird ein Elektron erzeugt und vom Sensor erfasst.

Im Folgenden werde ich wegen der sehr großen Verbreitung der CMOS-Sensoren nur auf diese eingehen, auch wenn viele Informationen und Zusammenhänge ebenso für die CCD-Sensoren gelten.

Was ist Licht und welche informationen transportiert es?

Licht besteht aus Photonen, Elementarteilchen, die kein Gewicht haben, aber wie kleine Pakete Informationen über Licht tragen.

Wenn Photonen mit bestimmten Materialien, zum Beispiel dem Silizium in den CMOS-Bildsensoren, kollidieren, werden freie Elektronen aus dem Sensormaterial freigesetzt und diese erzeugen eine geringe elektrische Ladung. Das ist der sogenannte photoelektrische Effekt.

Die freien Elektronen werden von den Pixeln auf dem Kamerasensor gesammelt und durch diese gezählt. Jedes Pixel hat eine maximale Kapazität an Elektronen, die es sammeln kann. Dieses Maximum wird als volle Bohrlochkapazität bezeichnet.

was ist ein Pixel in der Fotografie?

Der Kamerasensor ist als rechteckiges Gitter aufgebaut, das Millionen mikroskopischer, quadratischer Pixel enthält, die die Basiseinheit des Bildsensors darstellen. Diese nehmen die Informationen über Farbe und Lichtintensität auf, das auf den Kamerasensor fällt.

Jedes Pixel speichert immer nur eine Information über Farbe und Intensität. Die Kombination von Millionen dieser Pixel, sozusagen die Zusammenführung dieser einzelnen Informationen, erzeugt im digitalen Prozess das Bild als Ganzes.

Ein Pixel kann deswegen nur eine einzige Farbe anzeigen bzw. deren Informationen speichern, einschließlich der Werte für Schwarz, Weiß, Graustufen und RGB-Farbe. Die Farbe, die jedes Pixels speichert, wird durch die Menge und Art der gesammelten Lichtinformationen beeinflusst.

Einzelne Pixel kannst Du sehen, wenn Du das fertige Bild stark vergrößerst. Wenn die Auflösung eines Bildes sehr niedrig ist - sprich: wenn das Bild aus wenigen Pixeln besteht - werden die einzelnen Pixel schneller sichbar als bei einem Bild mit sehr großer Auflösung.

Wenn die Kameraeinstellungen richtig ausgewählt sind, also Blende, Verschlusszeit und ISO, erfasst und zeichnet jedes Pixel im Kamerasensor die genaue Farbe des fotografierten Bildes an der entsprechenden Position auf. Dann entspricht das digitale Foto dem fotografierten Bild der realen Welt. In der Fotografie wird dies als korrekte Belichtung bezeichnet.

Wenn die Kameraeinstellungen nicht richtig ausgewählt sind – oder Du das Bild bewusst “verzerren” willst, stimmen die Farben oder Intensitäten der Pixel nicht mit denen der fotografierten Szene überein, so dass das digitales Foto nicht der realen Szene entspricht.

Das muss nicht zwangsläuft etwas Schlechtes sein: Bewusst eingesetzt, kann der Effekt zu richtig guten Ergebnissen führen. Es hängt nur von Deiner Intention ab, Dich für oder gegen bestimmte Kameraeinstellungen zu entscheiden, um das von Dir gewollte Ergebnis herbeizuführen. 

Pixelfarbe & -ton

Die Anzahl der Elektronen, die jedes Pixel sammelt, bestimmt die Helligkeit (Tonwert) der dargestellten Farbe auf einer Skala von Schwarz bis Weiß (Tonwertbereich). Je mehr Elektronen ein Pixel sammelt, desto heller ist der entsprechende Tonwert im Bild.

Ein weißes Pixel enthält die maximale Menge an Elektronen. Ein schwarzes Pixel enthält keine Elektronen.
Alle Werte zwischen Maximum und Minimum erzeugen Graustufentonwerte.

Aus der Anzahl der Elektronen kann die Farbinformation nicht bestimmen werden. Daher verwenden die meisten CMOS-Sensoren einen Bayer-Filter, der wie ein einfach gewebter Teppich aus roten, grünen und blauen Quadrate aussieht, wobei jedes einzelne Quadrat genau ein Pixel abdeckt. So liegt über jedem Pixel ein Farbfilter, entweder rot, grün oder blau, und die Farbe jedes Pixels wird durch die Lichtfarbe (Frequenz der Lichtwelle) bestimmt, die diesen Filter durchläuft.

Jedes Pixel kann nur die Primärfarbinformationen des zugewiesenen Rot-, Grün- oder Blaufilters sowie die Anzahl der gesammelten Elektronen erfassen, die den Tonwert bestimmen. Diese Informationen werden dann von Algorithmen und Interpolationen verarbeitet, so dass die Kamera die Farbe jedes im Kamerasensor enthaltenen Pixels bestimmen kann.

Wie viele Megapixel hat Deine Kamera?

Diese Frage hast Du bestimmt schon oft gehört, oder vielleicht schon selbst einem anderen Fotografen gestellt. Denn Kameras werden oft anhand der Anzahl der Gesamtpixel bewertet, die ihre Sensoren enthalten.

Die Zahl ergibt sich auf der Anzahl an Pixel, die sich auf dem Sensor befinden. Die Digitalkamera Canon 5d Mark IV hat zum Beispiel 30,1 Megapixel (30,1 Millionen Pixel). Der Sensor ist dann 6.720 Pixel breit, 4.480 Pixel hoch, und die genaue Anzahl an Pixeln beträgt 30.105.600 Pixel – einfach Breite mit Höhe multipliziert.

Megapixel bedeutet 1 Million Pixel. Dies ist eine Standardmaßeinheit in der Elektronik.

Doch mehr Megapixel bedeuten nicht immer eine bessere Bildqualität! Schließlich sind die Bilder, die mit einer 50 MP-Smartphone-Kamera gemacht werden, bei genauen Betrachtung nicht annährend so gut wie Bilder aus einer Digitalkamera.

Pixelgröße, nicht Pixelanzahl!

Entgegen der landläufigen Meinung ist nicht die Pixelanzahl eines Sensors ausschlaggebend für die Bildqualität. Viel wichtiger ist die Pixelgröße!

Klar spielen auch andere Faktoren eine Rolle, doch bei Dynamikbereich und Farbtiefe ist es die Pixelgröße, die die Qualität des Bildes bestimmt. Große Pixel erfassen das Lichtsignal und die darin enthaltene Information viel effizienter als kleine.

Selbst bei einer niedrigen Auflösung weist eine Digitalkamera mit großen Pixeln geringes Rauschen, eine sehr gute Farbwiedergabe und großen Detailsreichtum, insbesondere bei hohen ISO-Werten.

Die physikalische Größe Deines Sensors

Neben der Anzahl an Pixeln ist auch die tatsächliche Fläche des Kamerasensors wichtig. Die Sensoroberfläche bestimmt nämlich indirekt die Größe jedes Pixels.

Physikalische Sensorgrößen werden in Bezug auf Breite und Höhe angegeben, üblicherweise in Millimetern. Ein Vollformat-Kamerasensor beträgt 36 mm × 24 mm und deckt somit eine Fläche von 864 mm². Ein APS-C-Sensor, manchmal auch Crop-Sensor genannt, ist dagegen etwas kleiner und die Seiten sind 22 mm bzw. ca. 15 mm lang, so dass die Fläche ungefähr 350 mm² beträgt.

Je größer der Sensor, desto größer die Oberfläche, also desto mehr Licht (Photonen) kann er einfangen. Deswegen ist Bildqualität von Vollformat-Sensoren oft besser als die von APS-C-Sensoren. 

Ausschlaggebend ist auch das Alter des Sensors: Neue Bildsensoren arbeiten deutlich besser als alte, unabhängig von deren Größe.

Gängige Kamerasensoren nach Größe:

• Mittelformat-Sensor (48 mm x 36 mm): Aktuell größter und sehr teurer Kamerasensor. Mittelformatkameras sind wegen des großen Bildsensors normalerweise sperrig, schwer und teuer. Dafür ist die Bildqualität extrem gut.
• Vollformat-Sensor (36 mm x 24 mm): Standard für die professionelle Fotografie. Sehr gute Bildqualität und guter Dynamikbereich ohne das zusätzliche Volumen, das Gewicht oder die Kosten der Mittelformatkamera.
• APS-C-/Crop-Sensor (22,2 mm x 14,8 mm): Die geringe Größe des Kamerasensors bietet im Vergleich zu den größeren Formaten eine etwas geringere Bildqualität, ein erhöhtes Rauschen und einen geringeren Dynamikbereich, dafür kostet eine APS-C-Digitalkamera nicht viel und es gibt schon für wenig Geld Objektive dafür . Für einige Zwecke ist der Crop-Sensor dennoch sehr gut.

Dynamikbereich & Sensorgröße

Der Dynamikbereich ist definiert als Differenz oder Bereich zwischen dem stärksten unverzerrten Signal (hellsten Tonwert) und dem schwächsten unverzerrten Signal (dunkelsten Tonwert), das von einem Bildsensor in einem Foto erfasst wird.

Je größer der Dynamikbereich des Kamerasensors ist ist, desto größer ist der Bereich der Tonwerte und Farben, die jedes Bild erfassen und anzeigen kann. Beispielsweise könntest Du mit einer Kamera mit hohem Dynamikbereich direkt in das helle Sonnenlicht fotografieren und dennoch Informationen aus dunklen Schattenbereichen sammeln, ohne viel Rauschen im Bild zu erzeugen.

Große Sensorflächen in Kombination mit vielen Megapixeln sorgen für eine hohe Kameraleistung bei geringem Rauschen, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen. Deswegen kannst Du bei großen Bildsensoren den ISO-Wert höher einstellen als bei kleinen.

Wie bestimme ich die Qualität eines Bildsensors?

Folgende Faktoren können Dir als Stütze bei der Bestimmung des richtigen Kamerasensors dienen:

• Sensorfläche: Bestimmt die Lichtsammelfläche des Sensors; je größer, desto detailreicher die Bilder.
• Sensoralter: Das Alter des Sensors deutet auf die verwendete Hardware; neue Hardware führt zu einer besseren Bildqualität.
• Software: Der Code bestimmt, wie effizient die Lichtinformationen verarbeitet werden; neue Software arbeitet besser als alte.
• Pixelgröße/Pixelabstand: Die Breite jedes quadratischen Pixels; je größer, desto genauer die Aufnahme der Lichtinformation.
• Megapixelzahl: Bei gleichbleibender Sensor- und Pixelgröße ist es besser, so viele Pixel wie möglich zu haben.
• Farbtiefe: Je mehr Farben und Tonwerte der Sensor erfassen kann, desto mehr Details und Dynamik das Foto enthält. Ein großer Dynamikbereich ist immer zu bevorzugen.

Bitte beachte, dass die Qualitätsunterschiede zwischen den  vielen Sensoren bzw. Kameras zwar in einigen Situationen spürbar sind, dennoch heißt es nicht, dass Du keine hochwertigen Fotos mit einer älteren APS-C-Kamera machen kannst. Und ob der Qualitätssprung den Preisunterschied gerechtfertigt, ist auch nicht gesagt.

Kamera- und Sensorempfehlungen

Jeder Fotograf hat unterschiedliche Anforderungen an die Sensorgröße, um die gewünschten Fotos zu erstellen. Ich kann keine an Deinen Bedürfnisse abgestimmte Empfehlung aussprechen, aber ich kann Dir einige meiner persönlichen Favoriten nennen, die sich sehr gut für die Landschafts- und Outdoor-Fotografie machen:

Der erste Tipp: Wenn Du wirklich gerne fotografierst und schon ein Jahr oder länger Fotografieerfahrung gesammelt hast, kaufe die beste Kamera, die Du Dir leisten kannst. Dann musst Du in den kommenden Jahren nicht wieder in die Tasche greifen. Am Ende sparst Du Geld, das weiß ich aus eigener Erfahrung …

Allgemein bevorzuge ich beim Kauf einer neuen Digitalkamera große Sensoren, besonders weil ich oft bei schlechten Lichtverhältnissen aufnehme, da diese bei hohen ISO-Werten noch eine gute Bildqualität liefern.

Profis und ernsthafte Enthusiasten sollten Vollformat-Digitalkameras in Betracht ziehen, aber die neuesten Modelle mit APS-C- oder 1-Zoll-Sensoren bieten ebenfalls eine gute Bildqualität bei ISO-Werten um 1600 und darüber hinaus.

Kürzlich eingeführte Kameras werden wahrscheinlich auch die neuesten Bildverarbeitungssoftware haben, die die Bildqualität bei sehr hohen ISO-Werten weiter verbessern.

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