CMOS-Sensoren
Bei Kamerasensoren unterscheidet man nach deren Abmessungen, der Anzahl der Pixel und der Funktionsweise bei der Bilddatenverarbeitung.
Abmessungen des Fotosensors
- Kleinbildfilmformat
Als man noch mit Filmmaterial fotografierte, betrugen die Abmessungen eines Negativs oder Dias 36 x 24 mm, was man als Kleinbildformat bezeichnete. Eine Sensorgröße von 36 x 24 mm wird heute als Vollformat bezeichnet. - Vollformat-Sensoren
Für professionelle Spiegelreflex und spiegellose Kleinbildkameras, ist man bei einer Sensorfläche von 36 x 24 mm bei einem Seitenverhältnis von 3:2 geblieben. - APS-C-Sensoren
Als elektronische Sensoren Anfang der Jahrtausendwende noch schwer herzustellen und teuer waren, hat man kleinere als die Vollformat-Sensoren, die sogenannten APS-C Sensoren, mit 25,1 x 16,7 mm bzw. 22,2 x 14,8 mm hergestellt. Diese Sensortypen haben das klassische Seitenverhältnis von 3:2. - Cropfaktor
Ein Vollformat-Sensor ist somit 63% oder 1,6-mal so groß als ein APS-C Sensor. Der Faktor 1,6 wird als Cropfaktor bezeichnet. Mit diesem Cropfaktor von 1,6 muss man die Brennweite eines Objektivs, welches für Vollformat-Sensoren gebaut wurde, multiplizieren, um auf die effektive Brennweite dieses Objektivs beim Einsatz mit einem APS-C Sensor zu kommen. Diese Brennweitenverlängerung ist bei Wildlife und Action-Fotografie von Vorteil, aber bei Architektur und Innenraum-Fotografie von Nachteil, weil dort der Bildwinkel zu klein wird, um nahe Objekte vollständig fotografieren zu können.
Sensorgrößen
Benchmark: Für einen 4k Monitor benötigt man 8,3 Megapixel, für einen 8k Monitor benötigt man 33 Megapixel
53,4 x 40 mm → 14.204 x 10.652 → 150 Megapixel | Mittelformat (Phase One, Hasselblad), Dynamikumfang: 15 EV |
36 x 24 mm → 8.192 x 5.464 → 45 Megapixel | Vollformat (Landschaft), Dynamikumfang: 10 EV |
36 x 24 mm → 6.000 x 4.000 → 24 Megapixel | Vollformat (Sport), Dynamikumfang: 13 EV |
22,2 x 14,8 mm | APS-C(Canon) |
17,3 x 13,0 mm | Micro Four Thirds |
12,8 x 9,6 mm | 1'' |
10,67 x 8 mm | 1/1,2'' |
9,85 x 7,4 → 16.384 x 12.288 → 200 Megapixel durch Pixel-Binning 50 Megapixel |
1/1,3 (Samsung Galaxy S23 Ultra, Weitwinkel) |
9,8 x 7,3 mm → 48 Megapixel | 1/1,31 (iPhone 14 Pro) |
8,8 x 6,6 mm | 2/3'' |
6,17 x 4,55 mm → 12 Megapixel | 1/2,3'' (Olympus Tough TG-6) |
4,5 x 3,4 | 1/3,2'' |
Pixelzahl bzw. Bildauflösung
Je mehr Pixel auf dem Sensor verbaut sind, umso größer kann ein Ausdruck werden, wenn man für einen qualitativ hochwertigen Druck 300 PPI zugrunde legt. Eine höhere Pixelzahl erlaubt auch mehr Freiheiten bei der Wahl des Bildausschnitts in der Nachbearbeitung, ohne Qualitätseinbuße.
Heute werden Bilder zunehmend auf TV-Geräten und PC-Monitoren betrachtet. Mit dem Ersatz von heute veralteten TV-Geräten mit Bildröhre im 4:3 Format, durch elektronische Bildschirme in Full-HD-Auflösung mit 1920x1080 Pixel setzte sich das Breitbildformat 16:9 im Wohnzimmer durch. Diesem folgten das UHD und das 8k-Format. Die nachfolgende Tabelle zeigt, dass selbst für einen High-End-8k-Bildschirm 33M Pixel ausreichend für eine 1:1 Pixelabbildung sind. Mit 24 M Pixel schafft man eine 6k-Auflösung und mit 8,3 M-Pixel eine UHD-Auflösung.
720 x 576 Pixel & Seitenverhältnis 4:3 |
SD-TV-Format, veraltet |
1920 x 1080 Pixel & Seitenverhältnis 16:9 |
Full-HD-TV-Format, 2M-Pixel pro Bild |
3840 x 2160 Pixel & Seitenverhältnis 16:9 |
4k-UHD-Format, 8,3M-Pixel pro Bild |
7680 x 4320 Pixel & Seitenverhältnis 16:9 | 8k-Format, 33 M-Pixel pro Bild |
Entscheidend für die Qualität, die ein Sensor liefert, ist aber nicht nur die Anzahl an Megapixel, sondern auch die Fläche, die pro Pixel am Sensor zur Verfügung steht. So haben etwa 33 Megapixel auf einem Vollformat Sensor mit 36 x 24 mm Abmessung 56-mal mehr Platz, als auf einem Handysensor von 4,5 x 3,4 mm Abmessung und können auch 56-mal mehr Licht aufsammeln. Dadurch muss bei schwacher Beleuchtung das Nutzsignal auch wesentlich weniger stark elektronisch verstärkt werden, wodurch es zu weniger Bildrauschen und einer höheren Bildqualität kommt, die dann deutlich sichtbar wird, wenn man das Handybild und das Kamerabild auf einem großen Bildschirm betrachtet.
Bilddatenerfassung mit analogem Film
Analoge Filme zeichnen das Bild mit Hilfe von Silberhalogenid-Kristallen auf. Abhängig von Größe und chemischer Zusammensetzung dieser Kristalle, resultiert eine Filmempfindlichkeit, die als ISO-Wert angegeben wird. Je höher der ISO-Wert, umso weniger Licht ist erforderlich, um den Film korrekt zu belichten.
Der ISO-Wert ist ein Maß dafür wie stark das Bild aufgehellt werden soll. Erhöht sich der ISO-Wert um eine Stufe, so wird doppelt so stark aufgehellt, bzw es muss nur halb so viel Licht auf den Sensor fallen.
- Einer Verdoppelung der ISO-Zahl entspricht eine Verdoppelung der Lichtempfindlichkeit und somit reicht bei gleicher Blende die halbe Belichtungszeit für eine korrekte Belichtung. Die ISO-Reihe im Abstand von einem Lichtwert lautet: 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1.600, 3.200, 6.400, 12.800
Filme haben 12, 24 oder 36 Bilder, man muss den Film ausknipsen, um einen weiteren Film mit einer anderen ISO-Empfindlichkeit einlegen zu können.
- ISO 25 ist ein Film mit sehr feinem Korn, etwa für einen Badetag am Strand.
- ISO 100 einer für bewölkte Tage.
- ISO 400 ist ein grobkörniger Film für bewölkte Tage mit wenig Licht und
- ISO 800 ist ein Film mit sichtbarem Korn für Innenaufnahmen ohne Blitz
- ISO > 800: Bestimmte Filme eignen sich für eine Unterbelichtung während der Aufnahme (Pushen) und erfordern dann eine forcierte Entwicklung im Fotolabor, um die Unterbelichtung wieder auszugleichen. Dadurch kann man mit einer kürzeren Belichtungszeit fotografieren, was vor allem dann Sinn macht, wenn man deshalb ohne Stativ verwacklungsfrei fotografieren kann. Dieser Trick wirkt sich aber sichtbar auf die Bildqualität in Form von starken Kontrasten aus.
Der ISO-Wert des Sensors einer Digitalkamera kann, im Unterschied zum analogen Film- oder Dia-Material, für jedes Bild neu gewählt werden. Moderne Kameras decken dabei den Wertebereich von ISO 50 bis ISO 204.800 ab, wodurch sie praktisch zu Nachtsichtgeräten werden.
Bilddatenerfassung mit digitalem Fotosensor
Kamerasensoren
Kamerasensoren zeichnen ein Abbild vom Motiv mit Hilfe von lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen auf. Dabei kommen zwei Kategorien von Sensoren zum Einsatz:
- CCD-Sensoren (Charge Coupled Device)
- CMOS-Technik (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)
Kamerasensoren arbeiten grundsätzlich analog, da sie die Photonen des einfallenden Lichts in einen Strom aus Elektronen umwandeln. Erst ein nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler erzeugt mittels eines Kondensators aus dem Strom eine Spannung und gibt diesen analogen Eingangswert an seinem Ausgang als einen Digitalwert der Helligkeit aus.
In jedem Pixel des Fotosensors werden durch den Inneren Photoelektrischen Effekt im Idealfall ein Photon in eine elektrische Ladung (Elektron) umgewandelt. Der Innere Photoelektrische Effekt besagt, dass Elektronen in einem Metall aus dem Valenzband in das Leitungsband angehoben werden, wenn die Energie des einstrahlenden Photons hf größer ist als die Bindungsenergie EB des Elektrons. Dabei wird durch den Photonenbeschuß aus stationär in der Atomhülle gebundenen Elektronen ein aus frei fließenden Elektronen bestehender elektrischer Gleichstrom.
Quanteneffizienz
Die Quanteneffizienz QE ist eine Kennzahl für das reale Verhältnis zwischen den eintreffenden Photonen und dem durch den Inneren Photoelektrischen Effekt erzeugten Elektronen. Wenn 6 Photonen zusammen 3 Elektronen erzeugen, dann gilt QE=50%. Ist der QE-Wert hoch, verbessert sich des Signal to Noise Ratio von Sensoren und in dunkeln Bildteilen entsteht eine bessere Detailzeichnung.
Belichtung (Exposure)
Die Belichtung, das ist die Lichtdichte welche auf den Sensor fällt, wird kameraseitig ausschließlich durch die gewählte Blende (Lichtintensität) und die gewählte Belichtungszeit (Dauer der Einwirkung der Photonen auf die Photodiode) bestimmt.
Der Sensor erfasst dieses Licht und führt es einer Signalverarbeitung zu. Die Empfindlichkeit des Sensors ist physikalisch bedingt, und kann nicht durch Kameraeinstellungen beeinflusst werden. In der analogen Fotografie musste man auch den Film wechseln, um eine andere Lichtempfindlichkeit zu erhalten.
Photodiode
Um der Photodiode im Sensor maximal viel Licht zuzuführen, befindet sich unter dem Infrarot Sperrfilter und einem Tiefpass-Filtern und über jedem Pixel eine Mikrolinse zur Bündelung des einfallenden Lichts, die heutzutage lückenlos aneinandergereiht sind (gapless microlenses).
- Front-Side-Illuminated-Sensor: Bei FSI befindet sich unter dem Bayer-Filter auf derselben Fläche zum einen die Verdrahtung, die erforderlich ist, um den Elektronenfluss zum A/D-Wandler zu ermöglichen und zum anderen die zugehörige Photodiode. Beim FSI-Sensor verläuft die Verdrahtung zwischen den Photodioden und nimmt diesen Platz weg, da Verdrahtung und Diode in der selben Ebene liegen.
- Back-Illuminated-Sensor: Beim BSI befindet sich unter dem Bayer-Filter zuerst die Schicht mit den Photodioden, welche die ganze Fläche ausfüllen können und erst darunter in einer weiteren Schicht die Verdrahtung, was die Empfindlichkeit des BSI-Sensors gegenüber dem FSI-Sensor verdoppelt, da die Verdrahtung der Photodiode keinen Platz wegnimmt.
- Stacked-Sensor: Um die Auslesegeschwindigkeit je Photodiode massiv zu vergrößern, wird bei Stacked-Sensoren (das ist ein in die Höhe gestapelter Sensor) nach der Verdrahtung in einer weiteren Ebene ein DRAM-Speicher je Pixel vorgesehen. Zudem liegen die A/D-Wander nicht außerhalb der lichtempfindlichen Fläche am Rand des Sensors, sondern in einer weiteren Schicht direkt unterhalb der Photodioden.
ISO-Wert (Bildaufhellungs-Wert)
Der gewählte ISO-Wert (Bildaufhellungs-Wert) wirkt sich natürlich nicht auf die Quanteneffizienz QE des einzelnen Pixels aus, sondern er dient der nachträglichen Anpassung der Helligkeit zufolge der gewählten Belichtung, an die vom Auge erwartete Helligkeit im endgültig betrachteten Bild (JPEG, HEIF, TIFF). Der ISO-Wert ist daher der Zusammenhang zwischen der Belichtung des Sensors und der Helligkeit des finalen Bildes. Der ISO-Wert entspricht einer Bildaufhellung, egal ob diese durch analoge Verstärkung vor dem A/D-Wandler oder durch die anschließende digitale Verarbeitung erfolgt.
Dynamik
Während der Belichtung muss eine Mindestanzahl an Photonen auf der lichtempfindlichen Sensorschicht auftreffen, damit die Kamera das Nutzsignal vom Störsignal unterscheiden kann. Je weniger Photonen erforderlich sind, damit das Signal to Noise Ration SNR größer als 1 wird, umso lichtempfindlicher ist der Sensor.
Treffen hingegen zu viele Photonen die lichtempfindliche Sensorschicht, so geht diese in Sättigung und es werden keine zusätzlichen elektrischen Ladungen freigesetzt.
Der Bereich zwischen der mindestens erforderlichen und der maximal zulässigen Photonenanzahl bestimmt die Dynamik des Sensors. Sensoren mit einer hohen Dynamik liefern über die Sensorfläche verteilt, sowohl in dunklen als auch in hellen Bildbereichen detaillierte Bildinformationen.
Analog-Digital-Wandler
Der Analog-Digital-Wandler im Kamerasensor wandelt - die der Anzahl der dedektierten Photonen proportionale Spannung - in einen digitalen Helligkeitswert um. Bei einem analogen Signal, welches während der Digitalisierung konstant bleibt, bestimmt allein die Bittiefe die Qualität des A/D-Wandlers. Ändert sich das analoge Signal mit der Zeit, etwa bei den Einzelbildern eines Videos oder einer Serienaufnahme mit x-Fotos pro Sekunde, so bestimmt auch die Abtastrate, also die Häufigkeit, mit der das analoge Signal abgetastet werden kann, die Qualität des A/D-Wandlers bzw. die Anzahl der Raw-Dateien, die pro Sekunde dem Digitalen Signalprozessor zugeführt und folglich abgespeichert werden können.
Vor der Belichtung werden die elektrischen Kreise des Sensors entladen. Während der Belichtung ändert sich die elektrische Ladung für jedes einzelne Pixel im Sensor proportional zur auftreffenden Lichtmenge, bildlich gesprochen, proportional zur Anzahl der auftreffenden Photonen.
Diese Ladung je Pixel wird in einem Gleichstromkreis mittels eines Kondensators in eine – natürlich analoge, was sonst - Spannung umgewandelt, je nach der gewählten ISO-Einstellung mehr oder weniger analog verstärkt, einem Analog-Digital-Wandler zugeführt.
Der A/D-Wandler soll die Digitalisierung mit möglichst hoher Geschwindigkeit durchführen, um eine hohe Serienbildfrequenz und eine hohe Framezahl bei Videoaufnahmen und für das elektronische Sucherbild zu ermöglichen. Ein Sensor mit 24 Megapixel beinhaltet 6.000 Pixel je Reihe, für die es je einen eigenen, also in Summe 6000, A/D Wandler gibt. D.h. alle 6.000 Spalten werden zeitgleich digitalisiert.
Die 4.000 Reihen werden hingegen zeitlich gestaffelt, also nacheinander digitalisiert. Dabei vergehen bis zu 0,05 Sekunden bzw. 1/20 Sekunde, ehe alle Pixel zwischen der ersten und der letzten Zeile des Sensors ausgelesen sind. Das reicht nicht für ein 6k-Video mit 60 Bildern pro Sekunde. Daher muss man unterhalb von jedem Pixel einen DRAM-Speicher vorsehen, was die Bauform eines Stacked-Sensors erfordert. Der A/D-Wandler speichert die Daten nach einer Vorverarbeitung über einen schnellen Schreibzugriff in den DRAM-Speicher, von wo aus sie mit der für den nachgeschalteten Digitalen Signalprozessor idealen Lesegeschwindigkeit weitergereicht werden. Dadurch kann die Auslesezeit für alle Pixel des Sensors auf 1/120 Sekunde reduziert werden. Der nächste technologische Schritt wäre ein A/D-Wandler pro Pixel.
Digitaler Signalprozessor
Letztlich wird für jedes Pixel der digitale 14-Bit-Wert zusammen mit der Zeilen- und Spaltenkennung des jeweiligen Pixels aus dem AD-Wandler in Form eines Zahlenwerts, welcher für die Anzahl der Photonen und damit für den Helligkeitswert – die Luminanz - des jeweiligen Pixels steht, einem DSP Digitalen Signalprozessor zugeführt. Dabei wird die Anzahl der detektierten Photonen linear in einen Zahlenwert umgerechnet. Der DSP speichert diesen Luminanzwert für jedes Pixel einzeln in Form von Bits und Bytes als Camera-RAW-Datei auf eine Speicherkarte. Bei einer 14-Bit Camera-RAW-Datei kann man also pro Pixel 16.385 Grauwerte unterscheiden. In der Camera-RAW-Datei wird auch der gewählte ISO-Wert hinterlegt. Der Digitale Signalprozessor ist neben der oben beschriebenen Bilddatenverrechnung auch noch für Kamerasteuerungsfunktionen wie Belichtungsmessung, Autofokus, automatischer Weißabgleich usw. zuständig.
Sensor-Rauschen
Die analoge Verstärkung der Spannung vor dem AD-Wandler hat den Nachteil, dass ISO-abhängig, auch das im Signal enthaltene, im Sensor erzeugte Rauschen (Upstream Noise, Shot-Rauschen, Photonen-Rauschen) verstärkt wird.
ISO-invarianter Sensor
Bei einem ISO-invarianten Sensor wird nicht die analoge Spannung, samt dem darin enthaltenen Rauschen verstärkt, sondern die Spannung wird unverstärkt dem Analog-Digital-Wandler zugeführt.
Erst nach der Digitalisierung wird der eingestellte ISO-Wert für die Anzeige der JPEG-Fotovorschau samt dem damit verbundenen Histogramm verwendet. Beim ISO-invarianten Sensor gibt es zwei Möglichkeiten der Belichtungsverstärkung:
- Kameraextern: Der ISO-Wert wird in die RAW-Datei geschrieben, und dient kameraextern als Startwert für die Bildbearbeitung.
- Kameraintern: Der ISO-Wert wird kameraintern im DSP berücksichtigt und die angepassten Helligkeitswerte in die RAW-Datei geschrieben. Das hat den Vorteil, dass der Sensorhersteller (z.B.: Canon) die Eigenheiten seines Sensors besser kennt und berücksichtigen kann als der Hersteller eines RAW-Konverters (z.B.: Adobe), der dutzende Sensoren emulieren muss.
Moderne Kameras decken dabei den Wertebereich von ISO 50 bis ISO 204.800 ab, wodurch sie praktisch zu Nachtsichtgeräten werden.