Vollformatchip

Der Vollformatsensor – oder Vollformatchip – ist ein elektronischer Bildsensor, dessen Bildformat 3:2 entspricht, also genau dem Format des Kleinbildfilms. Digitalkameras mit Vollformatsensoren sind in der Lage, Objektive analoger Spiegelreflexkameras zu verwenden, ohne dass ein Formatfaktor berücksichtigt werden muss, da der Bildwinkel identisch ist. Das Bildrauschen eines Sensors bei einer gewissen Bildhelligkeit – also das Signal-Rausch-Verhältnis, wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Zum einen ist das störende Bildrauschen abhängig von den festkörperphysikalischen Merkmalen des Sensors. Zum anderen ist das Bildrauschen umso geringer, je größer die Lichtmenge ist, die auf die einzelnen Pixel fällt.

Vollformatchip: Belichtungsbedingungen wichtig

Abhängig von den Belichtungsbedingungen kann ein Vollformatsensor in vielen Fällen bei gleicher Gesamtpixelzahl und größerer Sensorfläche eine größere Lichtmenge erhalten als ein kleinerer Sensor. Möchte man den gleichen Bildwinkel erfassen, so muss man den Vollformatsensor durch ein Objektiv mit längerer Brennweite belichten als einen kleinformatigen Sensor. Man kann hier entscheiden zwischen Objektiven mit gleicher Lichtstärke oder Objektiven mit gleicher Öffnung (d. h. gleichem Linsendurchmesser). Verwendet man Objektive mit gleicher Lichtstärke, so fällt bei einem Vollformatchip aufgrund der größeren Brennweite auch eine höhere Lichtmenge auf den Sensor. Diese Lichtmenge verteilt sich jedoch auf eine größere Sensorfläche, so dass die Intensität im Ergebnis gleich bleibt. Ist die Gesamtpixelzahl gleich, so bekommt auch jeder einzelne Pixel des Sensors eine größere Lichtmenge, was sich positiv auf das Signal-Rausch-Verhältnis, also das Bildrauschen auswirkt.

Vollformatsensoren teurer als kleine Sensoren

Verwendet man stattdessen Objektive mit gleicher Öffnung, so fällt die gleiche Lichtmenge in die Kamera und der Vollformatsensor erhält bei identischer Gesamtpixelanzahl pro Pixel dieselbe Lichtmenge wie ein Pixel des kleinformatigen Sensors. Hieraus ergibt sich kein Vorteil für den Vollformatsensor, die Ergebnisse sind vergleichbar. Allerdings sind Vollformatsensoren deutlich teurer als kleinere Sensoren. Ein weiteres Problem stellen mitunter auftretende Schwächen der Objektive im Randbereich von Wechselobjektiven dar, sofern die jeweiligen Objektive nicht für die Verwendung mit den Sensoren von Digitalkameras optimiert sind. Bei Verwendung von Vollformat-Objektiven mit kleinformatigen Sensoren werden diese Fehler (z. B. schlechtere Schärfe) ausgeblendet und sind daher nicht sichtbar.

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Digitale Spiegelreflexkamera

Als digitale Spiegelreflexkameras werden Digitalkameras bezeichnet, die einen Spiegel verwenden, mit dessen Hilfe das zu photografierende Objekt betrachtet wird. Das Motiv wird vom Objekt über den Spiegel umgelenkt und auf einer Mattscheibe abgebildet bzw. direkt mit dem Auge betrachtet. Digitale Spiegelreflexkameras sind eher im mittleren bis höheren Preisbereich der Digitalkameras anzutreffen und sind ihren analogen Vorfahren bzw. Gegenstück, der analogen Spiegelreflexkamera, vom Aufbau her sehr ähnlich. Als Bildsensoren werden – wie bei Kompaktkameras – CCD- und CMOS-Sensoren sowie neuerdings auch spezielle APS-Sensoren verwendet.

Digitale Spiegelreflexkamera: Daten schnell verfügbar

Ein wesentlicher Vorteil ist jedoch die direkte Verfügbarkeit der Bilddaten sowie die häufig vorhandene graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung, mit deren Hilfe eine sofortige Beurteilung der Bildqualität möglich wird. Auch Hilfestellungen bei Über- und Unterbelichtung in Form entsprechender Warnfunktionen sind sehr hilfreich. Digitale Spiegelreflexkameras verfügen meist über größere Bildsensoren als Kompaktkameras. Daher haben Spiegelreflexkameras nicht das Problem der immer kleiner werdenden Bildpunkte, wodurch das problematische Bildrauschen erzeugt wird. Auch bei einer sehr großen Auflösung von beispielsweise mehr als 35 Megapixeln sind die Bildpunkte so groß wie bei einer Kompaktkamera mit etwa drei Megapixeln. Daher ist das Bildrauschen für digitale Spiegelreflexkameras eigentlich nicht wichtig.

Objektivsysteme nicht kompatibel

Leider werden Sensoren dieser Baugröße für Kompaktkameras nur selten eingesetzt, nicht zuletzt aufgrund des Preises und der deutlich größeren Baumaße. Auch für digitale Spiegelreflexkameras sind gemäßigte Weitwinkelobjektive mit sehr hohen Lichtstärken verfügbar. Die meisten Hersteller verwenden eigene, speziell entwickelte Objektivsysteme, die oft nicht mit anderen Bautypen kompatibel sind. Grundsätzlich hat die digitale Spiegelreflexkamera oft mit Staub und anderen Verschmutzungen des Bildsensors zu kämpfen. Beim Objektivwechsel besteht immer die Gefahr, dass Staub in den Spiegelkasten eindringt und sich später auf dem Aufnahmesensor ablagert. Auch winzige Tröpfchen der Schmierung und mechanischer Abrieb können zu solchen Problemen führen. Gerade bei kleinen Blenden sind diese Ablagerungen oft recht deutlich auf den Bildern erkennbar, was die Bildqualität doch erheblich beeinträchtigen kann.

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Bildsensor

Als Bildsensor bezeichnet man die Vorrichtung zur Aufnahme zweidimensionaler Abbilder aus Licht. Dies kann auf elektrischem oder mechanischem Weg erfolgen. Um ein Bild im sichtbaren Bereich aufnehmen zu können, werden häufig zweidimensionale Anordnungen von Strahlungssensoren eingesetzt. Die Signale werden elektronisch ausgelesen. In der Regel werden Halbleiterdetektoren für diesen Zweck verwendet, wie beispielsweise CCD- und CMOS-Sensoren.

Bei diesen Sensoren handelt es sich um Silizium-Sensoren mit relativ geringem Bildrauschen. CCD-Sensoren gibt es mit Filterrad oder farbsensitiven Sensoren auch für Farbbilder. CMOS-Sensoren beruhen auf der CMOS-Technologie, hierbei handelt es sich um Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal als auch n-Kanal Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (sog. MOSFETs) auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. Hier liegen die farbsensitiven Sensoren entweder neben – oder übereinander. Beide Systeme nutzen den inneren fotoelektrischen Effekt, sie arbeiten im Prinzip wie eine Anordnung von Solarzellen – mehr Licht bedeutet hier mehr Ladung bzw. mehr Strom. Es ist auch möglich, spezielle Sensoren für mittleres und fernes Infrarot, wie beispielsweise in Wärmebildkameras, zu konstruieren.

Bildsensor: Wichtig ist die Auflösung

Meist werden Restlichtverstärker nicht als Bildsensoren bezeichnet, obwohl sie der Definition genügen und die entsprechenden Merkmale aufweisen. Generell werden in der Digitalphotographie unterschiedliche Sensorgrößen verwendet. Wichtig sind hierbei die erreichte Auflösung, die i. d. R. in sog. „Megapixeln“ angegeben wird, und das Seitenverhältnis des Bildes, gängige Seitenverhältnisse sind 4:3 und 3:2 (3:2 entspricht dem Kleinbildfilm-Format). Beide Größen beeinflussen die Bildqualität erheblich und stellen wichtige Qualitätsmerkmale für Digitalkameras dar. Allgemein sind CMOS-Sensoren weniger lichtempfindlich als CCD-Sensoren und rauschen stärker.

Allerdings haben sie eine deutlich geringere Leistungsaufnahme, da sie im Gegensatz zu den CCD-Sensoren oft nur eine Versorgungsspannung benötigen und nicht mehrere. Erschwerend kommt hinzu, dass CCD-Technologie nur von sehr spezialisierten Halbleiterherstellern beherrscht wird, Prinzip-bedingt sinkt die Ausbeute mit steigender Pixelzahl dramatisch. CMOS-Sensoren basieren hingegen auf einer wesentlich gängigeren Technologie, daher sind sie leichter und mit geringerer Fehlerquote herstellbar und natürlich auch preiswerter. Darüber hinaus lassen sich hier weitere Schaltungen auf demselben Chip integrieren, so dass die Kamera kleiner und flexibler wird.

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