Wie aus Licht Fotos entstehen: c’t Fotografie 3/2024
Entdecken Sie in der aktuellen Ausgabe die Technologie hinter den Bildsensoren in Kameras und wie sie Licht in hochauflösende Digitalfotos verwandeln.
- Thomas Hoffmann
Im Zentrum jeder Digitalkamera befindet sich der Sensor, der Licht in Daten umwandelt. Dieser Prozess ist komplex und von vielen Faktoren abhängig, darunter die Größe, Pixelzahl und Konstruktion des Sensors. Jeder dieser Aspekte hat Auswirkungen auf das resultierende Bild.
Licht trifft durch das Objektiv auf den Sensor und auf dessen Millionen lichtempfindlicher Rezeptoren, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jeder dieser Rezeptoren besteht aus einer lichtempfindlichen Fotodiode, umgeben von Leiterbahnen, Bauteilen, Schaltungen, Filtern und Linsen, all das eingebettet in ein Siliziumsubstrat. Wenn der Verschluss geöffnet wird, ist der Sensor dem Licht ausgesetzt. Mikrolinsen über den Fotodioden bündeln das einfallende Licht, um so viele Lichtteilchen wie möglich zu sammeln.
Die Farbinformationen eines Digitalbilds stammen von einem den Dioden vorgelagerten Arrangement aus roten, grünen und blauen Farbfiltern. Jedes Sensorelement liefert nur einen Wert für eine einzige Farbkomponente an dieser Stelle – entweder Rot, Grün oder Blau. Ein Großteil der Farbinformationen muss daher nachträglich "hinzuerfunden" werden, indem man die jeweils benachbarten Pixel derselben Farbe zur Farbinterpolation heranzieht.
Die Auflösung eines Sensors, meist in Megapixeln angegeben, und die Pixelgröße haben ebenfalls Auswirkungen auf die Bildqualität. Eine hohe Auflösung liefert detaillierte Bilder, aber auch immense Datenmengen. Die Größe des einzelnen Elements bestimmt, wie viele Elektronen der Speicher (Kondensator) der Fotodiode sammeln kann, ehe er gesättigt ist. Ein größerer Kondensator kann eine höhere Elektronenzahl aufnehmen und bietet zwischen dem dunkelsten und dem hellsten Wert mehr unterschiedliche Helligkeitsstufen, was zu einem potenziell höheren Dynamikumfang führt.
Der Dynamik- oder Kontrastumfang bezeichnet den maximalen Szenenkontrast, bei dem der Sensor noch die jeweils hellsten und dunkelsten Tonwerte wiedergeben kann, ohne dass es zu Tonwertverlusten kommt. Er wird oft in Lichtwerten (LW) angegeben.
Schlechte Lichtverhältnisse stellen auch moderne Kamerasensoren vor Herausforderungen. Weniger Licht bedeutet auch weniger Informationen, aus denen die Kamera ein Bild zusammensetzen kann. Es bedeutet zudem, dass die entsprechend schwachen Signale deutlicher verstärkt werden müssen, damit man sie nutzen kann. Beides vergrößert den Anteil der Fehler am Gesamtsignal; der Rauschabstand oder das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich.
Die ISO-Einstellung in Digitalkameras beeinflusst das Bildrauschen ebenso. Doch was weniger bekannt ist, auch der Dynamikumfang hängt von ihr ab. Bei der sogenannten Nennempfindlichkeit des Sensors (Native ISO oder Base ISO) findet weder eine Verstärkung der ausgelesenen Spannung statt noch eine Abschwächung. Dieses „sauberste Signal“ liefert in der Regel die optimale Bildqualität mit dem größtmöglichen Dynamikumfang und dem geringsten Rauschen. Wird die ISO innerhalb einer Verstärkerstufe verändert, nimmt der Dynamikumfang ab.
Die Weiterentwicklung der Sensoren verlagert sich zunehmend in die dritte Dimension. Beim traditionellen FSI-Sensoraufbau (FrontSide Illuminated) verlaufen die Leiterbahnen oberhalb der Fotodioden, was das Licht auf seinem Weg zu den Fotodioden behindert. Ein wichtiger erster Schritt, um Platz zu gewinnen, war, den Sensoraufbau gewissermaßen umzudrehen und die Leiterbahnen unter den Fotodioden zu platzieren. Die Abkürzung dafür lautet BSI (BackSide Illuminated). Inzwischen stapeln die Sensorenhersteller immer höher, um mehr Bauteile auf immer kleinerem Raum unterzubringen. Diese Sensoren erhalten den Namenszusatz "stacked".
Die nächste Stufe der Sensor-Entwicklung könnte eine breite Einführung des Global Shutter sein, der alle Bildinformationen auf einen Schlag belichtet und ausliest. Damit gehören Rolling Shutter und Banding der Vergangenheit an.
Mehr zum aktuellen Stand der Sensortechnik und wie sich der erste Sensor in einer Systemkamera mit Global Shutter schlägt, lesen Sie in der aktuellen Ausgabe der c’t Fotografie.
c'*t Fotografie 3/2024 (13 Bilder)
Weitere Themen der Ausgabe
Sony Alpha 9 III: High-Speed-Fotografie dank Global Shutter.
Die Sony Alpha 9 III ist eine professionelle Kamera, die sich durch eine besondere Eigenschaft auszeichnet: einen Global Shutter. Dieser ermöglicht es der Kamera, Bilder mit einer beeindruckenden Geschwindigkeit von 120 Bildern pro Sekunde in voller Auflösung aufzunehmen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren, die Pixel für Pixel auslesen, liest der Global Shutter alle Pixel gleichzeitig aus. Dies verhindert nicht nur Helligkeits-Banding, sondern auch Verzerrungen gerader Linien, die bei der zeilenweisen Auslesung eines Rolling-Shutter-Sensors auftreten können.
Großen Fotografen über die Schulter geschaut: Kai Pfaffenbach
Der Reuters-Fotograf Kai Pfaffenbach ist bekannt für seine authentischen, emotionalen Bilder vom Tagesgeschehen – von sportlichen Großevents bis zu Kriegsschauplätzen. Er ist überzeugt, dass ein Foto Emotionen wecken muss, um gut zu sein. Effekte oder besondere Styles lehnt er ab. Im Interview verrät Pfaffenbach, dass man offen und spontan fotografieren sollte, anstatt mit festen Bildideen zum Termin zu gehen. Beim Bildaufbau sollten ein Anker, der Goldene Schnitt und ein Wechsel zwischen Weitwinkel und Tele genutzt werden. KI sieht er für die Tagesberichterstattung nicht als Konkurrenz.
Tablets und Apps für Fotografen
Tablets mit 10–13 Zoll Bildschirmgröße sind eine praktische Ergänzung zu Smartphone und Laptop. Sie sind handlicher als Laptops, haben längere Akkulaufzeiten und bieten oft Stiftbedienung, was neue Möglichkeiten eröffnet. Apps für Fotografen verwandeln Tablets in hilfreiche Begleiter für unterwegs, zum Beispiel für die Tourenplanung, Kamerasteuerung oder Bildbearbeitung. Doch auch weniger offensichtliche Funktionen wie Videoschnitt oder als Zweit-Monitor sind möglich. Wir geben Tipps für nützliche Apps.
Fotostadt Helsinki
Helsinki beeindruckt durch den Kontrast zwischen klassischer und moderner Architektur sowie die Nähe zur Natur. Sowohl historische Bauten wie der Dom oder Hauptbahnhof als auch avantgardistische Gebäude wie die Oodi-Bibliothek oder das Kiasma-Museum sind lohnenswerte Fotomotive. Die finnische Hauptstadt bietet mit ihren Parks, der vorgelagerten Festungsinsel Suomenlinna und der maritimen Atmosphäre entlang der Küste auch Naturliebhabern und Landschaftsfotografen viele reizvolle Perspektiven.
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(tho)
