Fotoschule 1.3: Sensor und Prozessor

Im folgenden soll nur ein prinzipielles Verständnis der Abläufe zur Bilderstellung in einer digitalen Kamera vermittelt werden. Der Anspruch einer technisch exakten und im Detail korrekten Beschreibung moderner Sensoren besteht hierbei nicht.

Der Sensor einer Digitalkamera ist vergleichbar mit der Netzhaut eines Auges. Diese besteht aus vielen kleinen, auf Licht reagierenden Rezeptoren. Beim Sensor sind dieses kleine Dioden, welche als Pixel benannt werden. Die Dioden können die Lichtintensität nach hell und dunkel erfassen. Farben können nicht unterschieden werden!

Zur Farberkennung wird ein Filter über die Dioden bzw. Pixel gelegt, und zwar so, dass jede einzelne Diode genau einer der Farben Rot, Grün oder Blau (RGB) zugeordnet ist. Um einen farbigen Punkt auf einem Foto darstellen zu können, müssen die Daten von drei Dioden zusammen geführt (gemischt) werden. Diese Datenverarbeitung macht der Prozessor!

Hat der Prozessor alle Sensordaten zu einem Bild verarbeitet, schreibt er das Bild als Datei zunächst in einen kamerainternen Zwischen- bzw. Pufferspeicher und von hier dann z.B. auf eine Speicherkarte.

Sensor Aufbau

Gemäß obiger Skizze des vereinfachten Aufbaus eines Sensors wäre in der Theorie die Pixel-Auflösung des fertigen Fotos 1/3 derer des Sensors. Ob dem wirklich so ist hängt vom Prozessor ab, wobei sich durchaus Unterschiede bei den Kameraherstellern zeigen.

Die Herstellung der Sensoren ist schwierig und teuer. Schließlich stellt sich die Frage der technischen Machbarkeit. Ein Pixel ist der kleinste darstellbare Punkt eines Bildes. Bei einem Sensor ist dieses gleich einer Diode. – Wie dicht können die Dioden auf dem Sensor gepackt werden? – Das ist die eine Frage! Die andere Frage ist die, wie gross ein Sensor sein muss?

In frühen Zeiten kämpfte die Digitalfotografie noch damit, im Vergleich zum Film gleichwertig auflösende Bilder erzeugen zu können. Um Fotografen zum Wechsel von analog auf digital bewegen zu können, war es notwendig, dass die alten Objektive, welche auf die Belichtung der Fläche eines Kleinbildfilms (36 x 24 mm) ausgelegt waren, weiter verwendet werden konnten.

Um dem Markt Kameras zu halbwegs verträglichen Preisen anbieten zu können, wurden kleinere Sensoren eingebaut. In der Übergangszeit von analog zu digital, brachte man Filme oder Speicherkarten noch in ein Fotogeschäft um sich Abzüge bzw. Ausdrucke machen zu lassen. Seit Einführung des Kleinbildfilms haben Fotos üblicher Weise Abmessungen mit einem Seitenverhältnis von 3:2. Es gab also Drucke z.B. mit den Maßen 12 x 9 cm, 15 x 10 cm usw.

Bei einem Sensor der Fläche 23 x 15 mm = 345 mm^2 brauchte es ca. 6.000.000 Pixel (6 MP), um Bilder zu erzeugen, bei denen das menschliche Auge keinen Unterschied zu Filmabzügen bis zu der Grösse DIN-A5 mehr erkennen konnte. Heutzutage stellt sich diese Frage der Auflösung eines Sensors im Vergleich zum Film nicht mehr.

Sensorgrössen

Stellen Sie sich vor, ein Foto mit einer Vollformat-Kamera (Sensorgrösse = 36 x 24 mm) mit einem Objektiv der Brennweite 100 mm aufzunehmen und hiervon einen Ausdruck z.B. der Größe 15 x 10 cm zu machen. Jetzt nehmen Sie eine andere Kamera mit kleinerem Sensor, z.B. 23 x 15 mm, aber ebenfalls mit einem 100-mm-Objektiv und machen ein Foto vom gleichen Motiv.

Mit dem kleineren Sensor nehmen Sie nur einen Ausschnitt (englisch: crop) des Vollformatbildes auf. Um hiervon ebenfalls einen Ausdruck der Größe 15 x 10 cm machen zu können, müssen Sie das Bild entsprechend vergrößern. Das Vergrößern wird auch als „zoomen“ bezeichnet.

Wenn Sie nun ein Bild dieser Vergrösserung mit einer Vollformat-Kamera machen wollten, müssten Sie ein Objektiv mit einer längeren Brennweite verwenden. In dem genannten Beispiel ist diese um einen Faktor 1,6 verlängert, also auf 160 mm. Dieser Faktor wird als Sensor-, Zoom-, Brennweiten-, Ausschnitts- oder Crop-Faktor bezeichnet.

Der Crop-Factor hat Vor- und Nachteile, die davon abhängen, was der Fotograf fotografieren möchte. Ein Sport- und Action-Fotograf wird den Zoomeffekt schätzen, während der Landschafts- und „Kreativ-Fotograf“ diesen nun gar nicht mag und möglichst im Vollformat arbeiten möchte. Nur im Vollformat kann er alle Fähigkeiten der Objektive ausnutzen.

Besonders deutlich wird dieses bei der Verwendung eines Fischaugen-Objektives. Der 1,6’er-Sensor beschneidet den Krümmungs-Effekt doch sehr, ein 1,3’er-Sensor schon weniger und der Vollformat-Sensor gar nicht:

Fischauge mit 1,6 Sensor
Fischaugen-Effekt mit 1,6’er Sensor (Canon EOS 7D Mark II)

 

Fischauge mit 1,3 Sensor
Fischaugen-Effekt mit 1,3’er Sensor (Canon EOS 1D Mark II)

 

Fischauge mit Vollformat
Fischaugen-Effekt mit Vollformat-Sensor (Canon EOS 6D Mark II)

Anfänglich der Digitalisierung gab es zwei unterschiedliche Sensorarten. Das eine war der CCD (charged couple device) und der andere der CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Bis ca. 2010 wurde der CCD in fast allen Kompaktkameras verbaut, während der CMOS, wenn überhaupt, den Spiegelreflexkameras vorbehalten war. Heutzutage werden fast ausschliesslich CMOS verbaut, da diese mehr technische Weiterentwicklungen erlauben.

Eine dieser Entwicklungen ist die Anbringung von Signalverstärkern direkt an jeder einzelnen Diode des Sensors. Die stärkeren Signale erlauben im Prozessor eine verbesserte und feinere Datenverarbeitung, welche sich positiv auf die Qualität des erzeugten Bildes auswirkt. Zu dem wird eine erhöhte Lichtempfindlichkeit durch die verstärkten Signale erreicht. Der Prozessor erfährt folglich eine aktive Unterstützung seitens des Sensors. Es wird vom Active Pixel Sensor (APS) gesprochen. Ein APS-C hat einen Cropfactor von 1,6 und ein APS-H hat 1,3.

 

Fotoschule Teil 1: Inhalt

(klicken Sie auf die blauen Links)

Vorwort

Aufbau einer Fotokamera

Kameratypen

Sensor und Prozessor

Lichtempfindlichkeit

Verschluss

Belichtungszeit

Objektiv und Blende

Weißabgleich

Kamera-Aufnahme-Modi

Teil 2: Das Fotografieren