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Sensoren

Wie funktioniert der Sensor?

Der Sensor ist der Film in Digitalkameras: Auf ihn projiziert das Objektiv das Bild, die einzelnen Bildpunkte können vom Sensor ausgelesen und digital gespeichert werden.

Abbildung: Sensor. Erklärung siehe unten.

Pixel

Jeder Bildpunkt ist ein lichtempfindlicher Pixel. Die Abbildung oben zeigt, wie die Pixel angeordnet sind: Senkrecht übereinander und waagrecht nebeneinander.

Farbfilter

Über jedem Pixel ist ein Farbfilter in Rot, Grün oder Blau. In einer Zeile wiederholen sich Blau und Grün, in der folgenden Grün und Rot, in der nächsten wieder Blau und Grün und so weiter. Es gibt doppelt so viel grüne Pixel wie rote oder blaue.

Glasscheibe

Über dem Sensor ist eine Glasscheibe. Diese kann aus mehreren Schichten bestehen, beispielsweise einem Infrarot-Sperrfilter und Gläsern mit Kristallsubstraten. Das soll die Farbwiedergabe verbessern und Moiré (störende Muster) verhindern.

Tiefpassfilter oder Anti-Aliasing-Filter sind zwei Glasschichten aus doppelbrechendem Material. Sie verhindern oder reduzieren Moiré, aber zeichnen das Bild weich. Es wird später geschärft durch RAW-Konverter, Bildbearbeitungsprogramme oder von der Kamera, falls sie RGB-Bilder erzeugt.

Elektrische Ladung

Das Licht des Bilds ändert die elektrische Ladung eines Pixels. Nach der Belichtung wird die Ladung jedes Pixels ausgelesen und als Zahl gespeichert, die besagt, wie hell der Bildpunkt ist.

Bauarten (Sensortypen)

Wie oben beschrieben funktionieren CCD- und Active Pixel Sensoren (CMOS-Sensoren), nicht der Foveon-X3-Sensor (siehe unten).

Folgend sind die unterschiedlichen Bauarten sehr kurz beschrieben: Kein Fotograf sucht eine Kamera aus aufgrund ihres Sensortyps und ich kenne keine Kamera, die mit unterschiedlichen Sensoren zur Auswahl angeboten wird. Die Technik schreitet rasch voran und Aussagen über Vor- und Nachteile einer Sensorbauart sind für die "bildnerische" Fotografie nicht relevant: Ich will wissen, ob eine bestimmte Kamera gute Bilder fotografiert gemessen am "Stand der Technik". Interessiert mich dich technische Qualität, vergleiche ich nicht abstrakte Vor- und Nachteile von Sensorbauweisen, sondern die Bilder, die verschiedene Kameras bei unterschiedlichen ISO-Einstellungen liefern.

CCD-Sensoren

CCD ist das Akronym für Charge-coupled Device ("ladungsgekoppeltes Bauteil"). Die Ladungen der Pixel werden vor dem Auslesen verschoben hin zu einem Verstärker, was Zeit benötigt.

Active Pixel Sensoren (CMOS-Sensoren)

CMOS ist die Abkürzung für Complementary Metal Oxide Semiconductor ("komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter"). Jeder Pixel hat einen Verstärker und kann "direkt" ausgelesen werden (schneller als ein CCD-Sensor).

Foveon-X3-Sensor

Foveon ist ein amerikanisches Unternehmen. Ihr Produkt, der X3-Sensor, hat für jeden Pixel 3 übereinander liegende Dioden, je eine für die Lichtfarben Blau, Grün und Rot (von oben nach unten). Diese Bauart weicht ab vom oben beschriebenen Mosaikmuster des CCD- und CMOS-Sensors.

RAW-Format

Die Kamera speichert im RAW-Format die Sensordaten ohne weitere Veränderung, zum Beispiel auf eine Compact-Flash-Karte. Alle Spiegelreflexkameras sollten Bilder im RAW-Format speichern können, die meisten kompakten (Sucher-) Kameras speichern meist nur umgerechnete RGB-Bilder.

RGB-Format

In RGB-Bildern, zum Beispiel JPEGs, ist für jeden Bildpunkt gespeichert, wieviel Rot, Grün und Blau er enthält. Das sind die drei Grundfarben der additiven Farbmischung, aus denen alle Farben gemischt werden können.

Farbinterpolation

Die Abbildung oben zeigt: Jeder Pixel kennt nur den Anteil einer Farbe: Rot, Grün oder Blau. Ein roter Filter vor einem Pixel lässt nur rotes Licht durch, ein grüner nur grünes und ein blauer nur blaues. Die beiden fehlenden Farbanteile werden erraten (interpoliert) anhand der Farben der angrenzenden Pixel.

Qualität

Die Qualität der Farben hängt auch ab von der Güte der Interpolation. Speichert die Kamera RGB-Bilder, berechnet ihre Software die Farben, bei RAW-Bildern erledigt das auf einem Computer (Notebook, Desktop) eine Software: Der RAW-Konverter.

Ein RAW-Konverter kann sich mehr Zeit lassen und es gibt mehrere RAW-Konverter, von denen ich den besten benutzen kann. Das ist ein Grund, Bilder im RAW-Format zu speichern.

Elmar Baumann, 23.07.2006

Letzte Bearbeitung: 07.06.2011.