Bildsensor

Das digitale Herz der Kamera

Objektiv, Blende und Verschlusszeit bekommen beim Fotografieren viel Aufmerksamkeit. Doch am Ende ihrer Reise trifft das Licht auf ein Bauteil, ohne das eine Digitalkamera kein Bild aufzeichnen könnte: den Bildsensor.

Er übernimmt vereinfacht gesagt die Aufgabe, die früher der Film hatte. Ganz gleich ist beides allerdings nicht. Ein moderner Sensor nimmt Licht nicht einfach nur auf, sondern wandelt es in elektrische Signale um, die anschließend von der Kamera weiterverarbeitet werden. Seine Größe, Auflösung und Bauweise beeinflussen deshalb viele Eigenschaften einer Kamera – von der Bildqualität über das Rauschverhalten bis zur möglichen Auslesegeschwindigkeit.

Definition: Was ist ein Bildsensor?

Ein Bildsensor ist ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil einer Digitalkamera. Er sitzt hinter dem Objektiv und wandelt das auftreffende Licht in elektrische Signale um. Aus diesen Messwerten entstehen nach weiterer Verarbeitung die digitalen Bilddaten.

Die Sensorfläche besteht aus sehr vielen lichtempfindlichen Elementen. Vereinfacht kann man sie sich als winzige Messstellen vorstellen, die registrieren, wie viel Licht während der Belichtung auf sie trifft.

Damit ist der Bildsensor eine der zentralen Schnittstellen zwischen Optik und digitalem Bild: Das Objektiv erzeugt ein optisches Bild – der Sensor macht daraus messbare Daten.

Wie aus Licht ein digitales Bild wird

Während der Belichtung fällt das vom Objektiv gebündelte Licht auf den Sensor. In dessen lichtempfindlichen Bereichen, den Photodioden, werden Photonen in elektrische Ladung umgesetzt. Je mehr Licht eine Photodiode empfängt, desto stärker ist grundsätzlich das erzeugte Signal.

Bei modernen CMOS-Sensoren befinden sich außerdem elektronische Schaltungen zur Auslesung und Verarbeitung auf beziehungsweise in Verbindung mit dem Sensor. Das zunächst analoge Signal wird schließlich digitalisiert und steht der weiteren Bildverarbeitung zur Verfügung. CMOS-Sensoren erlauben durch ihre Architektur eine schnelle und vergleichsweise energieeffiziente Auslesung.

Dabei gibt es einen wichtigen Punkt, der leicht übersehen wird: Ein einzelnes lichtempfindliches Sensorelement erkennt zunächst vor allem die Menge des einfallenden Lichts, nicht einfach direkt dessen Farbe.

Bei den meisten üblichen Kameras sorgt deshalb ein Farbfiltermuster über den lichtempfindlichen Elementen dafür, dass unterschiedliche Bereiche beispielsweise rotes, grünes oder blaues Licht erfassen. Aus diesen Informationen berechnet die Kamera beziehungsweise später der RAW-Konverter die Farbwerte des fertigen Bildes.

Der Bildsensor liefert also nicht einfach ein bereits fertiges Foto. Zwischen dem einfallenden Licht und dem Bild auf dem Display liegen mehrere Schritte der Erfassung, Digitalisierung und Verarbeitung.

Warum die Sensorgröße wichtig ist

Wenn von Bildsensoren gesprochen wird, tauchen schnell Begriffe wie Vollformat, APS-C, Micro Four Thirds oder 1-Zoll-Sensor auf. Sie beschreiben unterschiedliche Sensorformate.

Die Sensorgröße hat mehrere praktische Auswirkungen. Bei gleichem Bildwinkel und gleicher Aufnahmeposition beeinflusst sie unter anderem, welche Brennweite benötigt wird und welche Schärfentiefe sich bei vergleichbarer Bildgestaltung ergibt. Deshalb spielt der sogenannte Crop-Faktor beim Vergleich verschiedener Kamerasysteme eine Rolle.

Auch bei der Bildqualität kann die Sensorfläche relevant sein. Ein größerer Sensor bietet grundsätzlich mehr Fläche zum Sammeln von Licht. Wie gut eine Kamera dieses Potenzial tatsächlich nutzt, hängt allerdings zusätzlich von Pixelgröße, Sensortechnik, Ausleseelektronik und Bildverarbeitung ab.

Die einfache Aussage „größerer Sensor gleich besseres Bild“ greift daher zu kurz.

Ein kleinerer Sensor kann beispielsweise eine kompaktere Kamera ermöglichen und bei Natur- oder Telefotografie durchaus praktische Vorteile bieten. Ein größerer Sensor wiederum kann unter bestimmten Bedingungen Vorteile bei Rauschen und Dynamikumfang bieten und ermöglicht andere Kombinationen aus Bildwinkel und Schärfentiefe.

Die Sensorgröße ist deshalb keine Qualitätsnote, sondern zunächst eine technische und gestalterische Eigenschaft des Kamerasystems.

Sensorformate im kurzen Überblick

1-Zoll-Sensor
Mit etwa 13,2 × 8,8 mm größer als viele Sensoren klassischer Kompaktkameras, aber kleiner als Micro Four Thirds. Der Crop-Faktor gegenüber Vollformat beträgt ungefähr 2,7.

Micro Four Thirds
Etwa 17,3 × 13 mm groß und mit einem Crop-Faktor von 2 ein vergleichsweise kompaktes Sensorformat.

APS-C
Je nach Hersteller ungefähr 22 bis 24 × 15 bis 16 mm groß. Der Crop-Faktor liegt typischerweise bei etwa 1,5 beziehungsweise 1,6.

Vollformat
Mit ungefähr 36 × 24 mm entspricht dieses Format in seinen Abmessungen dem Aufnahmeformat des klassischen Kleinbildfilms.

Sensorgröße und Megapixel sind zwei verschiedene Dinge

Ein häufiger Denkfehler besteht darin, Sensorgröße und Auflösung miteinander gleichzusetzen.

Eine Kamera mit 40 Megapixeln besitzt nicht automatisch einen größeren Sensor als eine Kamera mit 24 Megapixeln. Die Megapixelzahl beschreibt zunächst, aus wie vielen Bildpunkten das resultierende Bild aufgebaut werden kann. Die Sensorgröße beschreibt dagegen die physische Fläche des Sensors.

So können zwei gleich große Sensoren sehr unterschiedliche Auflösungen besitzen.

Eine hohe Auflösung kann praktisch sinnvoll sein, wenn Du große Ausdrucke erstellen möchtest oder häufig Bildausschnitte verwendest. Gleichzeitig steigen unter anderem die Anforderungen an Objektiv, Fokussierung, Aufnahmetechnik, Verarbeitung und Speicherplatz.

Mehr Megapixel sind deshalb nicht automatisch besser – aber ebenso wenig grundsätzlich schlechter.

CMOS, BSI und Stacked – was steckt dahinter?

In heutigen Digitalkameras dominieren CMOS-Sensoren. Die früher ebenfalls verbreiteten CCD-Sensoren spielen in aktuellen Fotokameras nur noch eine geringe Rolle. CMOS ermöglicht unter anderem schnelle Ausleseverfahren und einen vergleichsweise niedrigen Energiebedarf.

Innerhalb der CMOS-Technik gibt es unterschiedliche Bauweisen.

Bei einem BSI-Sensor – Back Side Illuminated, also rückwärtig belichtet – ist der Aufbau so gestaltet, dass das Licht die lichtempfindlichen Bereiche erreichen kann, ohne zuvor in gleichem Maß durch darüberliegende Verdrahtungsstrukturen behindert zu werden. Dadurch kann Licht effizienter genutzt werden.

Ein Stacked Sensor trennt bestimmte Sensorbereiche auf unterschiedliche Ebenen. Pixelbereich und Verarbeitungsschaltungen können dadurch stärker unabhängig voneinander optimiert werden. Das schafft unter anderem Möglichkeiten für leistungsfähigere und schnellere Signalverarbeitung auf engem Raum.

Solche Begriffe beschreiben also nicht einfach verschiedene Sensorgrößen, sondern unterschiedliche technische Konstruktionen.

Was bedeutet der Bildsensor in der fotografischen Praxis?

Stell Dir vor, Du fotografierst am Abend eine Straßenszene. Das Licht wird schwächer, Menschen bewegen sich und Du möchtest trotzdem eine ausreichend kurze Belichtungszeit verwenden.

Du erhöhst den ISO-Wert.

Dabei wird der Sensor nicht plötzlich lichtempfindlicher wie ein Film, den Du gegen einen empfindlicheren Film austauschst. Vereinfacht gesagt verändert die Kamera die Verarbeitung beziehungsweise Verstärkung des vom Sensor erzeugten Signals. Mit steigender ISO-Einstellung wird dadurch auch das im Signal vorhandene Rauschen stärker relevant.

Hier zeigt sich, warum Sensortechnik in der Praxis wichtig ist: Wie viel Licht erfasst werden kann, wie groß das nutzbare Signal gegenüber verschiedenen Rauschanteilen ist und wie die Daten ausgelesen werden, beeinflusst den fotografischen Spielraum.

Ähnliches gilt bei Motiven mit sehr hellen und sehr dunklen Bereichen. Wie große Helligkeitsunterschiede der Sensor in einer Aufnahme sinnvoll erfassen kann, beschreibt sein Dynamikumfang.

Moderne Sensorarchitekturen werden unter anderem darauf optimiert, mehr Licht nutzbar zu machen, Rauschen zu reduzieren, größere Ladungsmengen zu speichern oder Daten schneller auszulesen.

Ein Bildsensor arbeitet nicht allein

Dem Sensor wird gerne ein sehr großer Anteil an der Bildqualität zugeschrieben. Das ist verständlich, aber fotografisch nur ein Teil der Geschichte.

Vor dem Sensor sitzt das Objektiv. Blende und Verschlusszeit bestimmen zusammen mit dem vorhandenen Licht die Belichtung. Die Fokussierung entscheidet darüber, wo die Schärfe liegt. Anschließend beeinflussen Signalverarbeitung, RAW-Entwicklung, Rauschreduzierung und weitere Bearbeitung das Ergebnis.

Und über allem steht natürlich die eigentliche Fotografie: Motiv, Licht, Perspektive und Bildgestaltung.

Ein moderner Sensor kann Dir technisch erstaunliche Möglichkeiten geben. Ein interessantes Foto findet er deshalb noch lange nicht für Dich.

Abgrenzung: Sensor, Pixel und Photosite

Die Begriffe Sensor, Pixel und Photosite werden im Alltag häufig etwas locker verwendet.

Der Sensor ist das gesamte elektronische Bauteil. Auf seiner Fläche befinden sich die einzelnen lichtempfindlichen Strukturen. Dafür wird häufig der Begriff Photosite verwendet.

Ein Pixel des fertigen Bildes ist dagegen ein digitaler Bildpunkt. Das ist nicht in jedem technischen Zusammenhang exakt dasselbe wie ein einzelnes lichtempfindliches Element auf dem Sensor. Gerade bei Farbfilteranordnungen und speziellen Sensorarchitekturen lohnt es sich deshalb, zwischen physischem Sensorelement und resultierendem Bildpixel zu unterscheiden.

Für den fotografischen Alltag reicht meist die vereinfachte Vorstellung vieler lichtempfindlicher Elemente. Wenn es jedoch um Auflösung, Farbinterpolation oder spezielle Sensortechnik geht, wird die Unterscheidung wichtig.

Ein kurzer Blick zurück: von CCD zu CMOS

Die Geschichte digitaler Bildsensoren ist eng mit CCD und CMOS verbunden. CCD-Sensoren waren lange eine wichtige Technologie in digitalen Kameras. Bei ihnen werden die erzeugten Ladungen schrittweise zur Ausleseelektronik weitergereicht.

CMOS verfolgt eine andere Architektur und erlaubt stärker parallele Auslesestrukturen. Mit der technischen Weiterentwicklung setzte sich CMOS in digitalen Consumer-Kameras zunehmend durch.

Die Entwicklung blieb dabei nicht stehen. Rückwärtig belichtete und später gestapelte Konstruktionen zeigen, dass auch der heute allgegenwärtige CMOS-Sensor kein feststehendes Konzept ist. Sony brachte beispielsweise 2009 rückwärtig belichtete CMOS-Sensoren in die Serienproduktion und stellte 2012 seine Stacked-CMOS-Technik vor.

Der Bildsensor ist die Stelle in der Digitalkamera, an der aus Licht zunächst ein elektrisches und schließlich ein digitales Signal wird. Seine Größe, Auflösung, Architektur und Auslesetechnik beeinflussen deshalb wesentlich, welche technischen Möglichkeiten eine Kamera bietet.

Für Dich als Fotograf ist aber vor allem der Zusammenhang wichtig: Sensorgröße, Megapixel, Rauschen, Dynamikumfang und ISO sind keine voneinander unabhängigen Datenblattwerte. Sie hängen auf unterschiedliche Weise mit der Erfassung und Verarbeitung des einfallenden Lichts zusammen.

Wer das verstanden hat, kann technische Angaben zu Kameras wesentlich besser einordnen – ohne daraus eine Rangliste zu machen.