Technik erklärt: Die Sensoren

Nachdem der letzte Blogbeitrag unerwartet doch sehr technisch geworden ist, möchte ich hier gerne das Thema Sensoren nochmals gesondert aufgreifen. Die Sensoren sind das Herzstück einer jeden Digitalkamera und weisen durch die unterschiedliche Bauweise auch verschiedene Funktionen mit allen dazu gehörenden Vor- und Nachteilen auf.

Die Anzahl der Megapixel

Fangen wir mit dem Punkt an, der auch aus Marketingsicht immer besonders hervorgehoben wird – die Anzahl der Pixel auf dem Sensor. Je mehr Pixel auf dem Sensor verteilt sind, desto detailreicher wird das Bild und desto mehr Bildinformationen gibt der Sensor aus. Beachten sollte man bei der Anzahl der Pixel aber auch unbedingt die Fläche des Sensors, auf der die Pixel verteilt werden, denn dies ist der springende Punkt! Je kleiner die einzelnen Pixel werden, desto mehr Probleme bringt das mit sich: Zum Einen nimmt die Lichtempfindlichkeit ab, was bedeutet, dass die einzelnen Pixel weniger Licht einfangen können. Das hat zur Folge, dass man schon bei geringen ISO-Einstellungen ein Bildrauschen, sprich erste Signalfehler auf den Bildern sehen kann. Auch die Schärfe der Bilder leidet unter den kleineren Pixeln. Ein Verwackeln fällt bei solchen Kameras deutlich mehr ins Gewicht als bei Kameras mit weniger Pixeln. Auch dies ist hauptsächlich der Pixelgröße geschuldet, denn ein Versatz über zwei oder mehr Pixel wirkt sich deutlich schlimmer aus als wenn sich der Bildinhalt nur innerhalb eines einzelnen Pixels verschiebt. Wesentlich kürzere Belichtungszeiten werden somit nötig. Ein weiterer wichtiger Punkt, den einige vielleicht noch gar nicht bedacht haben: Können die vorhandenen Objektive überhaupt so viele Megapixel auflösen? Viele alte und auch günstige Objektive schaffen es gar nicht 20 Megapixel oder mehr aufzulösen. Das volle Potential des Sensors kann in einigen Fällen also gar nicht genutzt werden. So muss wiederum viel Geld in gute Objektive investiert werden.

Die Sensor-Größen

Wie eingangs schon angesprochen gibt es einige verschiedene Sensorgrößen auf dem Markt. Ich möchte in der folgenden Grafik einmal die Unterschiede zu allen Sensorflächen schematisch aufzeigen, im Detail werde ich dann aber nur auf die gängigen Größen eingehen.

Die gängisten Sensorgrößen im Vergleich

Der wohl am meisten verbreitete Sensor ist der sogenannte APS-C Sensor. Dieser befindet sich in nahezu allen Unter- und Mittelklasse Spiegelreflex-Kameras. Er ist von der Fläche her nur etwa halb so groß wie ein 35mm-Kleinbildsensor (das Format stammt aus der Analog-Zeit). Die geringere Größe macht den Sensor relativ günstig in der Herstellung und erlaubt noch einigermaßen kompakte Gehäuse-Dimensionen. Bei der Lichtempfindlichkeit muss man allerdings einige Abstriche machen, denn die aktuellen Kameras haben oft um die 20 Megapixel auf dieser Fläche verteilt. Ab einer ISO-Einstellung von etwa 400 sieht man bei einigen Sensoren schon ein leichtes Bildrauschen, was dann exponentiell ansteigt mit Erhöhung des ISO-Wertes. Ich möchte dem Ganzen aber gleich ein bisschen Wind aus den Segeln nehmen, denn in der Praxis merkt man gerade bei guten Bedingungen kaum etwas davon. Auch ich nehme heute noch viele Fotos mit meiner APS-C Kamera auf. Dass eine Vollformat-Kamera mit 35mm-Kleinbildsensor ein besseres Rauschverhalten aufweist, ist natürlich nicht zu verleugnen. Hier ist das Rauschen oft erst viel später wahr zu nehmen, selbst mit ISO 1600 sieht man in der Regel nur minimale Bildfehler.

Mit der Größe der Sensoren verändern sich neben dem Bildrauschen aber auch noch weitere Parameter. Fotos, die mit kleinen Sensoren aufgenommen werden, besitzen in der Regel mehr Tiefenschärfe. Was bedeutet, dass auf dem fertigen Foto selbst bei kleineren Blenden mehr vom Hintergrund bzw. dem Vordergrund scharfgestellt wird. Dies kann gerade bei Makro-Aufnahmen ein großer Vorteil sein, in der Portrait-Fotografie aber eher ein Nachteil. Ein weiterer Punkt ist die Menge der Bildinformationen, denn je größer ein Sensor, desto mehr Informationen kann dieser sammeln. Das Schreiben dieser Datenflut auf die Speicherkarte dauert bei großen Sensoren in der Regel länger. So ist eine Mittelformat-Kamera weniger für Sportaufnahmen geeignet als bspw. eine APS-C oder Four-Thirds Kamera.

Der Crop-Faktor

Was ist ein Crop-Faktor, wie berechne ich ihn und was bedeutet das für meine Objektive? Als Umrechnungsbasis wird immer das 35mm-Kleinbild-Format verwendet – Faktor 1 (Brennweite: 50mm = 50mm). Also alle Sensoren, die kleiner oder größer sind als ein Vollformat-Sensor, haben eine Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungswirkung um einen bestimmten Faktor. Klingt kompliziert, ist aber eigentlich ganz einfach. Bei einem APS-C Sensor wird aufgrund der halben Größe immer mit dem Faktor 1,5 gerechnet. Der Wert von 1,5 ergibt sich, weil die Fläche des Vollformat-Sensors 50%, sprich 1,5-Mal größer ist. Wenn ein Foto also mit einem solchen APS-C Sensor aufgenommen wird, wirkt es etwa 1,5-fach vergrößert im Vergleich zur selben Aufnahme mit dem Vollformat-Sensor. Ein Bild mit einem 50mm Objektiv wirkt folglich wie ein Foto, welches mit einem 75mm Objektiv an einer Vollformat-Kamera aufgenommen wurde.

50mm x Crop-Faktor = erzielte Brennweite // 50mm x 1,5 (APS-C) = 75mm

Wobei aber zu beachten ist, dass die Objektivcharakteristik (besonders bei Weitwinkel-/Teleobjektiven) weitgehend erhalten bleibt. Viele Blogs und Foren im Internet verwechseln das und schreiben immer, das aus einem 50mm Objektiv dann ein 75mm Objektiv wird, das ist aber nicht korrekt. Die Brennweite bleibt physikalisch gesehen immer die gleiche, nur der Vergrößerungsfaktor ändert sich. Man kann sich das so vorstellen, als würde aus der Vollformat-Aufnahme einfach ein Ausschnitt mit den Abmessungen eines APS-C Sensors entnommen werden. Folglich nimmt ein kleinerer Sensor also nur einen kleineren Bildausschnitt auf.

Vollformat und APS-C im Vergleich unter Studiobedingungen

Vergleich zwischen APS-C- und Vollformat-Sensor

Der Crop-Faktor kann aber auch sinnvoll genutzt werden, zum Beispiel in der Makro-Fotografie. Hier kommt es darauf an, eine möglichst große Vergrößerung zu erreichen und was wäre da wohl besser als ein Sensor mit Vergrößerungsfaktor?! Aber auch im Telezoom-Bereich kann der APS-C Sensor diesen Bonus ausspielen. Während man den Crop-Faktor an einer Vollformat-Kamera nur mit einem Telekonverter erreicht, bringt die APS-C Kamera diese Funktion bereits von Hause aus mit. In Verbindung mit Vollformat-Objektiven ergibt sich aber noch ein Vorteil: Der Sensor befindet sich immer im Sweet-Spot, also in dem Bereich in dem das Objektiv die größte Schärfe und die besten Kontraste erreicht. Von Vollformat-Kameras kennt man das Problem mit der Abschattung (Vignettierung) und der Unschärfe zu den Rändern eines Objektivs. Da bei einem APS-C Sensor diese Ränder aber nicht im sichtbaren Bereich liegen, zeigen sich die Probleme hier oft nicht so intensiv. Nun zum Nachteil: Bei Weitwinkel-Objektiven verliert man leider einen großen Teil der Bildinformationen an den Rändern. Also gerade das, was diesen Weitwinkel-Look ausmacht – so kann es passieren, dass man schon fast zum Fisheye-Objektiv greifen muss, um noch alles auf’s Bild zu bekommen, was eine Vollformat-Kamera vielleicht gerade noch so hätte aufnehmen können.

Die besonderen Sensoren

Inzwischen entwickeln viele Kamera-Hersteller immer ausgefallenere Techniken, um ihre Sensoren noch weiter zu verbessern. Die größte Neuerung auf dem Markt stellen bspw. die Kameras von Lytro, welche mehrere Schärfeebenen gleichzeitig aufnehmen können. So lässt sich der Fokuspunkt in der Nachbearbeitung noch einmal verändern und die Schärfe der Bilder neu einstellen. Um möglichst große Bilder, also Fotos mit vielen Megapixeln aufnehmen zu können, geht Olympus einen ungewöhnlichen Weg. Der Hersteller arbeitet bekanntermaßen mit sehr kleinen Sensoren (MFT = Micro Four Third), aber trotzdem lassen sich damit Bilder mit über 42 MP aufnehmen. Die Kamera verwendet dafür die „Sensor-Shifting“-Technik, bei der mit Hilfe des mechanischen Stabilisators der Sensor verschoben wird. Wird der Auslöser gedrückt, so verschiebt die Kamera den Sensor immer wieder um wenige Millimeter und nimmt mehrere Bilder auf, die in der Kamera dann zu einem großen Bild verrechnet werden. Die Technik funktioniert ähnlich wie die Panorama-Funktion an Smartphones.

Gestapelte Sensoren gibt es bei Sigma. In der neuen DP3 quattro kommt ein sogenannter Foveon-Sensor zum Einsatz, der anders als die herkömmlichen Bayer-Sensoren keine RGB-Pixel in einem bestimmten Muster aufweist, sondern für jede Farbe eine eigene Sensor-Schicht besitzt. Das Licht durchläuft jeden einzelnen Layer und daraus entstehen vier einzelne Fotos in den Farben RGB und Schwarzweiß. Diese Einzelbilder werden anschließend auch wieder in der Kamera zusammengerechnet. Der Vorteil hier ist eine ausgezeichnete Farbbrillanz bei maximaler Detailtreue.

In den nächsten Jahren werden gerade diese kleinen eher unbekannteren Hersteller den Markt nochmals ordentlich aufräumen. Aber wie heißt es so schön? „Konkurrenz treibt den Fortschritt an.“