• Dateiformate
• Wie entstehen Pixel?
• Was sind "echte" Pixel?
• Sind SW-Fotos sinnvoll?
• Sensortypen
• (Super-CCD- und X-Trans-Sensor)
• Größe der Sensoren
• (Wievile MP sind nötig?)

Wer sich jetzt wundert, warum im Folgenden eine 2 MP-Kamera beschrieben wird, dem sei gesagt, dass zum Startzeitpunkt dieser Website die Canon SLR D30 nur 3,1 MP hatte und stolze 6500.- DM kostete.
Aber es gibt auch einen anderen Grund: Noch heute reduziere ich die meisten meiner Fotos nach der Bearbeitung auf 2MP (1600 x 1200 Pixel). →Begründung 

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Üblicherweise liefert z.B. eine 2 MP-Kamera Bilddateien von 1600 x 1200 Pixel. Das sind 1.920.000 Pixel. Das Wort "Pixel" setzt sich übrigens aus den Begriffen "Picture" und "Element" (= Bildpunkt) zusammen.
Das heißt aber nicht, dass die 1.920.000 lichtempfindliche Zellen des Kamera-Sensors die gleiche Zahl "Pixel" liefern. Die Zellen können nämlich jeweils nur eine Farbe erkennen. Deshalb muss immer aus vier benachbarten Zellen ein "Pixel" berechnet werden. Das ergibt dann zwar am Ende die ca. 2 Mio. Pixel, aber naturgemäß ist die Schärfe nicht die gleiche wie bei einem mit 1600 x 1200 "echten" Pixel eingescannten Bild.
Übrigens entfallen auf je eine blaue und rote Zelle zwei grüne, um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen. Diese Anordnung wird nach dem Kodak-Mitarbeiter Dr. B. Bayer benannt, der sie 1976 entwickelt hat.

Fällt z.B. ein dünner roter Lichtstrahl auf eine rot-empfindliche Zelle, so entsteht nicht etwa ein rotes Pixel. An den vier Eckpunkten der betreffenden Zelle wird aus den jeweils benachbarten Zellen die Farbe eines Pixels berechnet. Das ist aber jeweils ein abgeschwächtes Rot, da drei von vier Nachbarzellen nicht beleuchtet wurden. Es ergeben sich folglich vier rötliche Pixel.

Würde aber ein blauer Lichtstrahl auf die rote Zelle fallen, dann würde er gar nicht bemerkt!


Deshalb werden in Digitalkameras "Anti-Aliasing-Filter" (2) vor dem Sensor (3) eingesetzt. Die machen die Bilder (geringfügig) "unschärfer". Dadurch wird der blaue Lichtstrahl etwas breiter und trifft in unserem Beispiel nicht nur auf die rote sondern auch auf die umgebenden blauen Zellen und wird dadurch bemerkt.
(Nur der Foveon X3 kennt dieses Problem nicht, da jede einzelne Zelle für alle Farben empfindlich ist. Er liefert deshalb "echte Pixel" und benötigt auch kein AA-Filter.)
 

Welchen Effekt das auf die Darstellung einer weißen oder schwarzen Linie hat, wird an dem folgenden Beispiel deutlich. Links die vier Testbildchen, aufgenommen mit einer Kamera mit AA-Filter, rechts mit einem zu schwachem AA-Filter (Quelle: computerfoto). Weiße Lichtstrahlen haben ja Anteile von allen Farben und werden deshalb auch dann erkannt, wenn sie jeweils nur auf eine rote, blaue oder grüne Zelle treffen und werden dann in der entspr. Farbe dargestellt (rechter Block). AA-Filter sorgen dafür, dass der weiße Strahl jeweils auf mind. drei Farb-Zellen trifft und dann korrekt zu weiß bzw. schwarz zusammengesetzt wird (linker Block).

Auch Farb-Moiré-Effekte werden - je nach Stärke des AA-Filters -  reduziert. Sie entstehen durch Überlagerung von Linienrastern (z.B. Dachziegel) mit dem regelmäßigen Farbraster der Bayer-Sensoren. (→Beispiel)

Hier ein weiteres Beispiel aus Testberichten der Systemkamera Canon M (links) und der RX100:

Der gleiche Effekt zeigt sich übrigens manchmal auch bei den zusammenlaufenden Linien des ISO-Testbildes kurz vor der Nyquest-Linie bei RAW-Bildern, da bei RAW die kamerainternen Algorithmen nicht aktiv sind.

Konventionelle Filme kennen solche Effekte nicht, da das Korn ungleichmäßig verteilt ist. Der Fuji X-Trans-Sensor simuliert das und benötigt wegen seines unregelmäßigen Farbrasters keine AA-Filter um Moiré zu vermeiden.

Am Bildschirm und bei Papierbildern kann es übrigens durch eine Überlagerung der Pixelstruktur mit bestimmten Bildstrukturen ebenfalls zu Moiré-Effekten kommen, die kuriose Muster erzeugen →Beispiel

Mit einem guten Scanner eingescannte Bilder sind optimal scharf, weil üblicherweise mit höherer Auflösung eingescannt und dann auf das gewünschte Format heruntergerechnet wird. Dadurch wird sogar eine Linie gezeigt, die nur ein Pixel breit ist (Beispielbild), Ein eingescanntes Bild nutzt deshalb die bei der jeweiligen Dateigröße maximal mögliche Bildqualität voll aus, besteht also aus "echten" Pixel..

Die Ermittlung der tatsächlichen Auflösung von Digitalkameras (→ Tabelle) zeigt, dass selbst SLRs z.T. nur 70% der theoretisch möglichen "Zeilen/Bildhöhe" erreichen. Aber mehr als ca. 80% sind wegen der Anti-Aliasing-Filter (sh. oben) nicht möglich. Nur spezielle Sensoren (X3 und X-Trans) benötigen kein AA-Filter und können mehr auflösen.
Aus allen diesen Überlegungen ergibt sich, dass z.B. eine 12 MP-Kamera (4000 x 3000) maximal nur 3200 x 2400 "echte" Pixel liefern kann. Das bedeutet: wenn die Bilder auf 3264 x 2448 (= 8MP) heruntergerechnet werden, gehen garantiert keine Details verloren und man hätte dann bestenfalls die Detailschärfe eines in dieser Größe eingescannten Bildes. Weiterer Vorteil: Bei 1:1 Betrachtung wirken diese (kleineren) Bilder schärfer. Bei den meisten 12MP-Kameras kann sogar ohne Detailverluste auf 2848 x 2136 (= 6MP) reduziert werden. D.h.: Wenn ich meine 12MP-Kamera auf diese MP-Anzahl einstelle, habe ich theoretisch ein optimal scharfes Bild. Wer mir nicht glaubt: Einfach das gleiche Motiv mit beiden Vorgaben fotografieren und dann am PC das kleinere Bild wieder auf die Größe des Originalbildes hochrechnen. Vermutlich werden sich die beiden Bilder nicht nennenswert unterscheiden. Wer allerdings auf höchste Bildqualität Wert legt, sollte besser mit voller Auflösung fotografieren, da evtl. die Umrechnungsalgorithmen der Kamera nicht optimal sind und deshalb evtl. doch Details verloren gehen können.

SW-Bilder

Die von einigen Kameras angebotene Möglichkeit, auf SW-Bilder umzuschalten, ist völliger Unfug. Man kann auch dann nicht auf die Zusammenfassung von jeweils 4 Zellen verzichten, was sonst eine Vervielfachung der Auflösung bedeuten würde. Da die Zellen aber jeweils nur für eine bestimmte Farbe empfindlich sind, muss grundsätzlich zunächst die Farbe für ein Pixel ganz normal ermittelt und dann in Grauwerte umgesetzt werden.
Diese Umwandlung ist später am PC auf Knopfdruck auch möglich. Zusätzlich kann dann sogar der Grauwert einzelner Farben beeinflusst werden, was bei bereits in der Kamera umgewandelten Bildern nicht mehr möglich ist.
Anders ist es, wenn eine Kamera einen speziellen SW-Sensor hat (sh. unten: "Sensor-Typen")

CCD-Sensor

Fast alle kleinen Digitalkameras arbeiteten bisher mit CCD-Sensoren. Sie bestehen aus einer großen Anzahl Fotodioden. Das Auslesen der Signale geschieht hier zeilenweise nacheinander ("Eimerkette"). Daher der Name Charge-coupled Device". Bei diesem Vorgang muss das Objektiv durch einen Verschluss abgedeckt werden, damit kein Licht einfällt. Bei Video ist kann dieser Verschluss nicht benutzt werden, was zu sog. "Smear" führt.

CMOS-Sensor

Bei CMOS-Sensoren ist zu jeder Fotozelle ein Kondensator parallel geschaltet. So kann jedes Signal direkt erfasst werden. Nachteil ist, dass diese Elektronik viel Platz benötigt, wodurch dazwischen weniger lichtempfindliche Sensorzellen pro cm² des Sensors möglich waren. Bei den rel. großen Sensorflächen der SLR-Kameras war das aber kein Problem. Allerdings hatten sie dadurch deutlich weniger MP/cm² als die kleinen CCD-Kompaktkameras. Beispiel: Zwei 12 MP Canon-Kameras: Die SLR 450D hat 3,7 MP/cm²; die Ixus 960 hat 43 MP/cm².
Andererseits benötigen CMOS-Sensoren nur ein Zehntel so viel Strom wie die CCDs, sind schneller (erlauben kürzere Bildfolgezeiten), neigen weniger zum Blooming, sind in der Herstellung billiger und zeigen bei Video kein "Smear". Dafür haben sie dann Probleme bei schnellen Schwenks →mehr.


BSI-CMOS
Bei der Herstellung von CMOS-Sensoren werden zunächst die Sensorzellen und dann die Elektronik aufgebracht. Jahrelang wählte man die einfachste (und billigste) Lösung und brachte die Farbfilter und Mikrolinsen über der Elektronik an.
Um die notwendige Anzahl von Sensorzellen auf den kleinen Sensorflächen der Kompaktkameras unterzubringen, war zwischen der Elektronik aber nicht mehr genug Platz und es kam deshalb nicht genug Licht bei den Zellen an. Da entwickelte man 2008 eine aufwendige Methode, die Sensorzellen von der "Rückseite" her freizulegen und brachte Filter und Linsen direkt auf den Sensorzellen an. Deshalb spricht man von einem "Rückseitig-belichtetem CMOS" (BSI).

Dadurch sind 55 MP/cm² (16MP auf 1/2,3") und mehr möglich, was noch vor kurzem unmöglich erschien. Das hat dem CMOS einen Siegeszug bei den kleinen Kameras ermöglicht.
Erste Kamera mit diesem Sensor war die Sony WX1
Der höhere Aufwand bei der Herstellung des BSI ist allerdings nur bei kleinen Sensoren bis zu 1/2,3" sinnvoll, weil bei größeren Sensoren genügend Platz für die Leitungsbahnen zur Verfügung steht.

Unbestreitbarer Vorteil der CMOS-Sensoren ist ihre hohe Geschwindigkeit. Die von der Werbung hochgelobte "sensationelle Lichtempfindlichkeit" (doppelt so hoch wie bisher) bezieht sich allerdings auf die alten CMOS-Sensoren, die ohnehin nicht in kleinen Kameras verwendet wurden. Verglichen mit guten CCD-Sensoren gleicher Größe und MP-Anzahl ist die Lichtempfindlichkeit des BSI keineswegs höher, eher niedriger.

X3 Sensor von Fa. Foveon

Seit 2002 gibt es einen ersten Sensor, bei dem jede Zelle für alle drei Grundfarben empfindlich ist. Er macht sich zunutze, dass Silizium mit zunehmender Tiefe mehr und mehr Farben absorbiert. So wird zunächst der blaue, dann der grüne und dann der rote Anteil erkannt.
Diese Sensoren liefern schärfere Bilder, weil sie die Farbe nicht aus jeweils vier Zellen berechnen müssen, sondern jede Zelle für alle Farben zuständig ist. Ein AA-Filter wird nicht benötigt. Die weiter oben gezeigten Farb-Artefakte bei weißen Linien treten trotzdem nicht auf.
Der erste X3 hatte  3,4 MP (2268 x 1512). Die Sigma SD9 und SD10 Spiegelreflexkameras sind damit ausgestattet.
Die SD1 hat einen X3-Sensor mit 15MP. Da es 4800x3200 "echte Pixel" sind, liefert er die Auflösung einer "guten" 24MP-Kamera mit normalen Bayer-Sensor.

X-Tans-Sensor (Fuji)

Ohne AA-Filter kommt auch dieser von Fuji entwickelte Sensor aus. Dadurch sind die Bilder schärfer als bei Kameras mit "normalen" Bayer-Sensoren mit gleicher MP-Anzahl. →Mehr Infos

Der SuperCCD-Sensor

Die SuperCCD-Sensoren der Firma Fuji sind inzwischen "aus der Mode gekommen". Sie sind um 45° gedreht. →Mehr Infos
 

Schwarz-Weiß-Sensor

Es gibt eine exotische Kamera mit einem SW-Sensor (Leica M-Monochrome) zu einem horrenden Preis. Da hier die Sensorzellen des 18MP Vollformat-Sensors keine Farbfilter nötig haben, um aus jeweils vier "farbigen" Sensorzellen ein Farbpixel zu berechnen, liefert jede einzelne Sensorzelle direkt ein SW-Pixel. Dadurch ergibt sich eine extrem hohe Auflösung.

Farbteiler-Sensor

Panasonic hat einen neuartigen Sensor zum Patent angemeldet, der eine etwa doppelt so hohe Lichtausbeute verspricht. Das Prinzip: Anstelle der Farbfilter werden "Farbteiler" eingesetzt. Im Gegensatz zu den Farbfiltern, die nur den betreffenden Farbanteil des Lichts durchlassen und den Rest verschlucken, wird von den Farbteilern z.B. weißes Licht (das ja aus allen Farben besteht) auf die jeweils "zuständigen" Sensorzellen aufgeteilt und so geht nichts verloren. Bei z.B. einfarbigen roten Flächen erkannten das bisher nur die mit roten Farbfiltern versehenen Zellen, jetzt schicken alle umliegenden Zellen "Rot-Info" an die zuständigen Rot-Zellen.
Auch der ganz oben geschilderte Fall (blauer Strahl fällt auf rote Zelle) ist dann kein Problem. Ein AA-Filter ist vermutlich nicht mehr notwendig und die Bilder sind nicht nur heller, sondern dann auch schärfer.
Aber leider wird es noch etwas dauern, bis dieser Sensor in Serie gehen kann.

Verglichen mit dem Kleinbild-Format sind die Kamera-Sensoren extrem klein. Ein 1/2,7"-Sensor hat weniger als ein Viertel der Fläche eines Minox-Negativs. Das setzt hoch auflösende Objektive voraus.

Anmerkung für Dinosaurier wie ich, die noch mit "Super 8" Schmalfilmen gearbeitet haben: Der 1/2,7"-Sensor hat exakt die Maße des (projizierten) Super 8 - Filmbildchens.

Das waren noch Zeiten ....! (1969: Benzin für -.71 DM = 36 Cent)

Je kleiner der Sensor, desto geringer ist die Bilddiagonale. Per Definition ist das die jeweilige Standard-Brennweite (= Brennweite, die etwa den gleichen Bildwinkel ergibt, wie 43,3 mm bei KB; dh. ca. 53°).
Das ist der Grund für die gegenüber den KB-Objektiven sehr viel kleineren (und leichteren) Zoom-Objektive der meisten Digitalkameras ....  und deren sehr viel größere Schärfentiefe.
 

²)  Verlängerungsfaktor, mit dem die entsprechende KB-Brennweite berechnet werden kann.
*)  Standard von 4:3 Camcordern
**) Full-HD Camcorder (16:9)

Die geheimnisvolle Bezeichnung für die Sensorgröße einer Kamera ist übrigens eine Angabe, die noch aus den 50er Jahren stammt! Sie bezeichnet die Länge der Diagonale (in Zoll) einer Bildaufnahmeröhre(!). Damals wurden nur ca. die inneren 2/3 des Durchmessers für die Bild-Erzeugung genutzt.
Für eine Röhre mit einer Diagonale von z.B. 1/1,8" (= 14,1 mm) sind 8,9 mm dann etwa 2/3 davon . Das ist die Länge der Bilddiagonale und daraus ergibt sich bei einem 4:3 Bild : 7,2 x 5,3 mm.

Dieses Bild zeigt die Größenverhältnisse einiger typischer Kamera-Sensoren, bezogen auf konventionelle KB- und APS-C Filmformate.
Die rel. großen 2/3" Sensoren und die etwas kleineren 1/1,7" Sensoren werden nur noch in wenige, hochwertigere Kameras eingebaut →Mehr. "Standard" ist heutzutage der 1/2,3" Sensor. Er ermöglicht sehr flache Kameras bzw. kleine und lichtstarke Superzoom-Objektive.
Hinzu kommt, dass die sehr kleinen Sensoren natürlich auch entspr. kleine Objektive erfordern. Und deren Auflösungsvermögen ist begrenzt →Mehr.

Hier noch ein Vergleichsbild. Es zeigt die Größe eines 1/2,3" Sensors auf meinem Daumennagel. Ein 4/3" Sensor ist breiter als mein Damennagel. Entsprechend größer können die Sensorzellen sein, wenn beide Sensoren 12MP beherbergen.

Viele Handy-Kameras haben Sensoren mit nur ca. 1/3 der Fläche des hier gezeigten Sensors. Entsprechend kleine sind dann die Zellen.

Sensoren in Systemkameras

Es gibt Sensoren in KB-Größe, die in (sehr teure) Systemkameras für Profis eingebaut werden.
Fast alle Spiegelreflexkameras für ambitionierte Amateure haben einen Sensor, der etwas kleiner als das klassische APS-Format ist. Die Sensorfläche ist etwa 12x größer als die eines 1/2,3" Sensors.
Die etwas kleineren 4/3" Sensoren haben genau die halbe Breite des KB-Formats.  →mehr Infos

Seitenverhältnis der Sensoren

Neben dem üblichen Seitenverhältnis von 4:3 und dem 3:2 Format (z.B. APS) gibt es auch das an die HDTV-Bildschirme angepasste 16:9 Seitenverhältnis..  → Hinweis
Außerdem können die meisten Sensoren (durch Abschalten von Bildbereichen) auf 16:9 oder andere Seitenverhältnisse umgeschaltet werden. →Hinweis

Sensorgröße und Rauschen

Der Einfluss der Sensorgröße darf nicht unerwähnt bleiben. Je größer der Sensor ist, um so größer können - bei gleicher MP-Anzahl - die einzelnen Sensorzellen sein. Und das bestimmt das Rauschverhalten. Besonders kritisch wird das, wenn man höherer ISO-Werte einstellt. .
→ mehr Infos

Pixel-Mixing

Manche Kameras reduzieren das Rausch-Problem bei hohen ISO-Werten dadurch, dass sie dann mehrere Sensorzellen zusammenschalten (Pixel-Mixing). Dann ist das Bild natürlich erheblich kleiner als vorher, aber es zeigt weniger Rauschen, weil das stärkere Signal nicht so sehr elektronisch verstärkt werden muss.
Allerdings ist das kein vollwertiger Ersatz für größere Sensorzellen. Werden z.B. zwei rote Zellen zusammengeschaltet, so ist die lichtempfindliche Fläche kleiner als bei einer größeren Zelle, weil die weniger Randbereiche hat. Hinzu kommt, dass die Zellen gleicher Farbe relativ weit voneinander entfernt sind. Dadurch - und durch die deshalb notwendigen Korrekturrechungen - ergibt sich eine weitere Reduzierung der Bildqualität. Der EXR-Sensor von Fuji vermeidet dieses Problem.

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