KAMERAFUNKTIONEN

Elektronischer Verschluss und mechanischer Verschluss im Vergleich

Einige Kameras verfügen sowohl über einen elektronischen Verschluss als auch einen traditionellen mechanischen Verschluss – aber worin unterscheiden sie sich? Wie funktionieren sie und wann ist welche Option zu bevorzugen? Hier erfährst du alles, was du über die beiden Verschlussarten wissen musst.

Der Verschluss einer Kamera beeinflusst, wie viel Licht auf den Sensor fällt, um ein Foto aufzunehmen. Die Belichtungszeit wird durch die Verschlusszeit bestimmt.

Alle Canon EOS Kameras haben einen mechanischen Verschluss, und einige sind zusätzlich mit einem elektronischen Verschluss ausgestattet, wie z. B. die EOS 90D und EOS-1D X Mark III. Alle EOS R Systemkameras verfügen über beide Verschlusstypen. Im Folgenden erklären wir den Unterschied zwischen elektronischen und mechanischen Verschlüssen, wie sie funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie haben.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem elektronischen und einem mechanischen Verschluss?

In einer modernen Spiegelreflex- oder Systemkamera besteht der mechanische Verschluss aus zwei Verschlussvorhängen (oder einfach Vorhängen), die sich wiederum aus mehreren Lamellen zusammensetzen. Diese Vorhänge öffnen sich, damit das Licht den Sensor erreicht, und schließen sich nach der festgelegten Belichtungszeit wieder. Es werden zwei Verschlussvorhänge verwendet, um den kompletten Sensor gleichmäßig zu belichten. Die Funktionsweise mit nur einem Vorhang würde der einer Jalousie ähneln, die du hoch- und runterziehst – der Teil des Sensors, der zuerst belichtet wird, wäre auch der letzte, dementsprechend ungleichmäßig wäre die Belichtung. Stattdessen beginnt der Prozess also mit einem geschlossenen ersten Vorhang und einem geöffneten zweiten Vorhang. Der erste Vorhang öffnet sich, die Belichtung beginnt, und nach der festgelegten Belichtungszeit schließt sich der zweite Vorhang, um die Belichtung zu beenden. Beide Vorhänge bewegen sich in dieselbe Richtung (zum Beispiel von oben nach unten), damit alle Sensorbereiche gleich lang belichtet werden. Bei der Verwendung von zwei Vorhängen wird die Belichtungszeit von dem Zeitfenster zwischen dem Öffnen des ersten Vorhangs und dem Schließen des zweiten Vorhangs bestimmt. Diese Zeit kann sehr präzise gesteuert werden.

Anders als ein mechanischer Verschluss setzt ein elektronischer Verschluss keine beweglichen Teile ein. Die Bildinformationen werden stattdessen vom Sensor über die festgelegte Belichtungszeit gesammelt. Letztere kann viel kürzer sein, als jeder Mechanismus unterstützen könnte. Der Haken an der Sache ist jedoch, dass die Sensordaten aus technischen Gründen, wie z. B. elektronische Bandbreite, nicht alle auf einmal gespeichert werden können. Sie werden sequentiell abgelesen, also eine Pixelreihe (oder auch mehrere Pixelreihen) nach der anderen. Das ist in etwa so wie bei einem Scannerkopf, der sich in einem Flachbettscanner nach unten bewegt. Im Ergebnis kann die „Verschlusszeit“ (d. h. die Belichtungszeit) viel kürzer sein, aber die Auslesegeschwindigkeit setzt Grenzen und birgt potenzielle Probleme.

Eine Illustration, wie das Bild eines schnell fahrenden Zuges von einem Sensor erfasst wird. Erst wird das komplette Bild erfasst; dann wird ein Streifen des Bildes im oberen Bereich und anschließend im unteren Bereich erfasst; und schließlich ist ein verzerrtes Bild zu sehen, weil sich der Zug zwischen den beiden mittleren Schritten bewegt hat.

Mit einem mechanischen Verschluss wird im Prinzip der gesamte Sensor für einen sehr kurzen Moment zwischen den beiden Verschlussvorhängen belichtet, wodurch der gesamte Bildausschnitt in dem Moment eingefangen wird (links). Mit einem elektronischen Verschluss (die mittleren beiden Abbildungen) werden die Sensordaten von oben nach unten in Zeilen ausgelesen. Das geschieht langsamer, als die Bewegung der Vorhänge – und während dieser Zeit kann ein Objekt, dass sich sehr schnell bewegt, bereits die Position verändert haben. Aus diesem Grund kann das Objekt auf dem aufgenommenen Bild verzerrt aussehen (rechts). Dieses Phänomen nennt man auch Rolling-Shutter-Verzerrung.

Was sind die Vorteile von elektronischen Verschlüssen?

Elektronische Verschlüsse haben mehrere Vorteile, einer der offensichtlichsten ist die kürzere Verschlusszeit (kürzere Belichtung) im Vergleich zu mechanischen Verschlüssen. In der EOS R3 beträgt die kürzeste Verschlusszeit mit einem mechanischen Verschluss beispielsweise 1/8000 , aber mit dem elektronischen Verschluss sind 1/64000 s möglich. So können schnellere Bewegungen eingefroren und mehr Sekundenbruchteile festgehalten werden.

Elektronische Verschlüsse können darüber hinaus die maximale Bildrate bei Reihenaufnahmen erhöhen. In der EOS R5 und EOS R6 erhöht sich die Bildrate beispielsweise von 12 B/s (Bilder pro Sekunde) mit dem mechanischen Verschluss auf 20 B/s mit dem elektronischen Verschluss. Und in der EOS R3 ist dieser Unterschied sogar noch drastischer – hier steigt die Bildrate von 12 B/s mit dem mechanischen Verschluss auf bis zu 195 B/s mit dem elektronischen Verschluss.* 

Da ein elektronischer Verschluss über keine beweglichen Teile verfügt, kann er komplett geräuschlos arbeiten. Das eröffnet neue Aufnahmemöglichkeiten: Fotografen können an Orten aufnehmen, die vorher nicht denkbar waren. Bei einigen Sportveranstaltungen, wie Tennis-, Snooker- oder Golfturnieren, gelten beispielsweise strikte Regeln, um zu verhindern, dass Kamerageräusche die Spieler im entscheidenden Moment ablenken. Mit einem elektronischen Verschluss ist das überhaupt kein Problem. Ein leiser Verschluss gibt Fotografen auch die Möglichkeit, während einer Theatervorstellung oder klassischer Musikkonzerte Fotos aufzunehmen, ohne das Publikum zu stören. Leise Aufnahmen können in vielen Situationen einen Vorteil bieten – von Baby-Fotoshootings über Hochzeiten bis hin zu Reden und Veranstaltungen.

Einer der entscheidendsten Vorteile einer Systemkamera gegenüber einer Spiegelreflexkamera ist, dass es keine Spiegelbewegung gibt, die im Moment der Aufnahme Vibrationen erzeugen kann. Ein elektronischer Verschluss geht noch einen Schritt weiter – weil er überhaupt keine beweglichen Teile verwendet, wird selbst die relativ geringe Verwacklung durch den „Shutter Shock“ eliminiert.

Was sind die Nachteile von elektronischen Verschlüssen?

Das größte potenzielle Problem mit elektronischen Verschlüssen ist der Rolling-Shutter-Effekt. Da die Bildinformationen Stück für Stück von den Sensorpixeln abgelesen werden, kann sich ein sehr schnell bewegendes Motiv während der Zeit, die es braucht, um den gesamten Sensor auszulesen, verschieben. Dadurch erscheint das Motiv auf dem finalen Bildergebnis verzerrt. Ein schneller Zug kann sich beispielsweise zur Hälfte im Bildausschnitt befinden, wenn die obere Pixelzeile ausgelesen wird, aber am Rand des Bildausschnitts, wenn die unterste Zeile ausgelesen wird. Folglich erscheint der Zug im Bild verzerrt. Die Verschlusszeit (oder, genauer gesagt, die Belichtungszeit) beträgt nach wie vor 1/8000 s oder je nach Einstellungen eine andere; es ist nur so, dass jede Zeile des Bildes eine ganz andere 1/8000-Sekunde ist.

Entwicklungen in der Sensortechnologie, sowie die Stacked-Architektur des CMOS-Sensors mit rückwärtiger Belichtung (Backside Illumination, BSI) in der EOS R3, ermöglichen bedeutend schnellere Auslesegeschwindigkeiten als zuvor, wodurch die Rolling-Shutter-Verzerrung maßgeblich reduziert wird. Eine weitere technologische Neuheit ist der Global Shutter (oder Total Shutter), der alle Bildinformationen vom gesamten Sensor auf einmal abliest, anstatt sie Zeile für Zeile auszuwerten. Diese Technologie ist jedoch sehr komplex, erhöht sowohl das Bildrauschen als auch die Kosten und kann bisher noch keine besonders hochwertigen Ergebnisse liefern. Obwohl die Technologie für einige Videoaufnahmen verwendet wird, ist sie noch nicht ausgereift genug für Videos oder Fotos, bei denen die Bildqualität von wesentlicher Bedeutung ist.

Das Flackern einiger Lichtquellen, wie Leuchtstofflicht und LED-Beleuchtung, kann Streifen – so genanntes Banding – verursachen, wenn ein elektronischer Verschluss verwendet wird. Das liegt daran, dass sich die Helligkeit und Farbtemperatur der Umgebung während des Zeitraums, in dem der Sensor ausgelesen wird, verändern. In ähnlicher Weise kann es mit einem elektronischen Verschluss schwierig sein, einen Blitz zu synchronisieren, weil die meisten Blitzgeräte ein sehr helles und kurzes Licht erzeugen. Das heißt, die Intensität der Beleuchtung kann über die Dauer der Sensorauslesung nicht aufrecht erhalten werden. Diese Probleme können allerdings unter bestimmten Umständen auch mit mechanischen Verschlüssen auftreten. Und die aktuellen Technologien in der EOS R3 umfassen die hochfrequente Flacker-Erkennung sowie die Blitzsynchronisierung mit elektronischem Verschluss – bei Verschlusszeiten von bis zu 1/180 s (was sehr nah an den 1/200 s ist, die mit einem mechanischen Verschluss möglich sind) und entweder mit Canon Speedlites oder Blitzgeräten von Drittanbietern.

Zwei Abbildungen zeigen den Verschlussablauf bei Verschlusszeiten, die länger (links) und kürzer (rechts) sind als die Blitzsynchronzeit. Im ersten Fall gibt es einen Moment, in dem der Sensor komplett belichtet wird. Im zweiten Fall wird der Sensor hingegen nur in Abschnitten belichtet.

Auch mechanische Verschlüsse können nur bis zu einer bestimmten Verschlusszeit mit dem Blitzlicht synchronisiert werden. Das ist der Grund dafür. Die Abbildung auf der linken Seite zeigt, was passiert, wenn die Verschlusszeit der Blitzsynchronzeit der Kamera entspricht, z. B. 1/200 s. Das Licht trifft auf die Kamera (1) und die Verschlussabfolge (2) vollzieht sich wie folgt. Der erste Vorhang (A) öffnet sich, und am Ende der festgelegten Belichtungszeit schließt sich der zweite Vorhang (C), um die Belichtung zu beenden. In der Zwischenzeit wird der Sensor für einen Moment komplett belichtet (B) und kann das gesamte Bild aufzeichnen, während der Blitz auf den Sensor fällt (3B). Wenn die Verschlusszeit schneller ist als die Blitzsynchronzeit, z. B. 1/2000 s, (Abbildung rechts), schließt sich der zweite Vorhang (C), bevor der erste Vorhang (A) vollständig geöffnet ist. Der Sensor wird also nicht vollständig, sondern durch einen sich bewegenden Schlitz belichtet (B). Das Bild wird in schnell aufeinanderfolgenden „Abschnitten“ belichtet (6 A-B-C), und es gibt keinen Moment, in dem der gesamte Bildausschnitt zur selben Zeit belichtet wird. Durch eine kurze Blitzdauer oder das Flackern einer künstlichen Lichtquelle können die Helligkeit und Farbe des Bildes je nach Abschnitt variieren und in Banding resultieren.

Was sind die Vorteile von mechanischen Verschlüssen?

Mechanische Verschlüsse haben Fotografen etliche Jahre sehr gute Dienste geleistet, und sie bieten auch heute noch einige Vorteile gegenüber elektronischen Verschlüssen. Mechanische Verschlüsse belichten den Sensor bei kürzeren Verschlusszeiten auch in „Abschnitten“ (siehe Abbildung oben) und können daher unter dem Einfluss von flackernden Lichtquellen auch von Banding oder ungleichmäßiger Belichtung und unterschiedlichen Farbtemperaturen betroffen sein. In der Regel tritt dieses Problem mit einem mechanischen Verschluss jedoch wesentlich seltener auf als mit einem elektronischen Verschluss.

Einer der am häufigsten genannten Vorteile bei der Verwendung von mechanischen Verschlüssen ist darüber hinaus die geringere Rolling-Shutter-Verzerrung. Der Effekt kann zwar auftreten, ist aber mit einem mechanischen Verschluss für das Auge wesentlich weniger wahrnehmbar als mit einem elektronischer Verschluss bei einer Kamera mit relativ langsamer Auslesegeschwindigkeit. 

Mechanische Verschlüsse bieten normalerweise höhere Blitzsynchronzeiten, als es mit elektronischen Verschlüssen möglich ist. Diese liegen jedoch selten über 1/250 s, weil der Sensor bei höherer Verschlusszeit selbst mit einem mechanischen Verschluss durch einen bewegten Schlitz belichtet wird, und es gibt keinen Moment, in dem der gesamte Bildausschnitt vom Blitz belichtet wird.

Was sind die Nachteile von mechanischen Verschlüssen?

Da ein mechanischer Verschluss aus Teilen besteht, die sich präzise und mit einem genau festgelegten Tempo bewegen müssen, ist die kürzestmögliche Verschlusszeit signifikant niedriger als bei einem elektronischen Verschluss. Ein mechanischer Verschluss reagiert zudem nicht ganz so schnell wie ein elektronischer Verschluss, was wiederum ein Problem darstellen kann, wenn Schnelligkeit von Bedeutung ist. Folglich kannst du Motive, die sich schnell bewegen, oder flüchtige Momente mit einem mechanischen Verschluss nicht so effektiv einfangen wie mit einem elektronischen Verschluss.

Darüber hinaus erzeugt die Bewegung der Verschlussvorhänge ein Geräusch, das in bestimmten Situationen stören kann. Diese Bewegung kann außerdem eine leichte Vibration hervorrufen, die eventuell zu Verwacklungen führt. Bei der Verwendung von Teleobjektiven mit langer Verschlusszeit macht sich das besonders bemerkbar.

Und nicht zuletzt können sich mechanische Verschlüsse aufgrund ihrer physischen Natur abnutzen.

Die Abbildung zeigt einen Kamerasensor, von dem jeweils eine Pixelzeile ausgelesen wird. Die Abbildung daneben zeigt einen Sensor, der erst ausgeschaltet, dann eingeschaltet und dann wieder ausgeschaltet ist.

Bei den heute verwendeten elektronischen Verschlüssen (1) werden die Sensordaten zeilenweise ausgelesen. Mit einem Global Shutter (2) wird der gesamte Sensor auf einmal ausgelesen. Der Verschluss ist also erst komplett geschlossen, öffnet sich dann komplett und schließt sich zum Schluss wieder. Dadurch können viele Nachteile von elektronischen Verschlüssen behoben werden. Es gibt jedoch signifikante technische Hürden auf dem Weg, diese Technologie praktikabel zu machen, z. B. das Erreichen einer ausreichenden Sensorgeschwindigkeit und Datenbandbreite für hochauflösende Bilder.

Eine EOS R3 Verschlusseinheit.

Die mechanische Verschlusseinheit in einer EOS R3 ist hochmodern, aber jeder Mechanismus stößt in Sachen Geschwindigkeit auf physische Grenzen. Es ist hauptsächlich den Entwicklungen in den Sensortechnologien zu verdanken, dass Kameras in Sachen Verschlusszeit, Blitzsynchronzeit und hochfrequenter Flacker-Erkennung neue Maßstäbe setzen.

Was ist ein elektronischer erster Verschlussvorhang?

Viele neue Kameras verfügen über einen elektronischen ersten Verschlussvorhang – Electronic First Shutter Curtain (EFSC) oder Electronic Front-Curtain Shutter (EFCS). Dabei handelt es sich um eine Mischung aus mechanischem und elektronischem Verschluss. Alle Canon Kameras mit Live-Ansicht (Live View, LV) verfügen seit der EOS 40D (veröffentlicht im Jahr 2007) über diese Option, die im Modus „Leise LV-Aufnahme“ automatisch aktiviert wird. Bei aktivem EFCS ist der mechanische Verschluss erst komplett offen (sodass das Licht den Sensor erreicht, was die Live-Ansicht ermöglicht). Für die Bildaufnahme wird die Belichtung elektronisch gestartet, aber sie wird durch das Schließen des mechanischen Verschlusses beendet (zweiter Vorhang).

Das hat einige Vorteile. Dadurch ist das System, obwohl es nicht komplett geräuschlos ist, zumindest nicht so laut wie ein komplett mechanischer Verschluss. Durch die Verwendung des elektronischen Verschlusses zu Beginn der Belichtung ist die Kamera sehr reaktionsschnell, und es gibt keinen Shutter Shock. (Verwacklungen durch den zweiten Verschlussvorhang werden nicht aufgezeichnet, da dieser Verschluss die Belichtung beendet.) Der EFCS ermöglicht auch eine schnellere Blitzsynchronzeit als mechanische oder elektronische Verschlüsse. Bei der EOS R3 beschleunigt sich die Blitzsynchronzeit auf 1/250 s.

Der Nachteil bei der Verwendung von EFCS besteht darin, dass es Banding unter flackernden, künstlichem Lichtquellen verursachen kann. In der Regel tritt das jedoch nicht so intensiv auf wie bei einem normalen elektronischen Verschluss. Darüber hinaus kann die durch den Bokeh-Effekt erzeugte Hintergrundunschärfe bei kurzen Verschlusszeiten kantig oder „unruhig“ werden. Und da auch für diesen Vorgang der mechanische zweite Verschlussvorhang zum Einsatz kommt, bleibt die Bildrate die gleiche wie bei der Verwendung des mechanischen Verschlusses.

Wann solltest du einen elektronischen Verschluss und wann einen mechanischen Verschluss verwenden?

Der elektronische Verschluss ist die beste Wahl, wenn du eine möglichst schnelle Geschwindigkeit für Reihenaufnahmen und/oder kürzeste Verschlusszeiten benötigst. Er ist zudem die logische Wahl, wenn du leise sein musst, da er komplett geräuschlos arbeitet. 

Wenn du bei künstlichem Licht fotografierst oder Blitzlicht verwendest, könnte jedoch ein mechanischer Verschluss (oder der elektronische erste Verschlussvorhang) kürzere Verschlusszeiten unterstützen. Und wenn du der Meinung bist, dass ein elektronischer Verschluss in Rolling-Shutter-Verzerrungen auf dem Bild resultiert, sollte der Wechsel zum mechanischen Verschluss oder EFCS das Problem lösen.

Es ist auch zu beachten, dass die maximale Farbtiefe bei allen Canon EOS Spiegelreflex- und Systemkameras, mit Ausnahme der EOS R3, von 14 Bit mit mechanischem Verschluss auf 12 Bit mit elektronischem Verschluss fällt. Das heißt, wenn du mit einem elektronischen Verschluss im RAW-Modus aufnimmst, speichert die Kamera Bilder mit einer leicht geringeren Bandbreite an Farben und Farbtönen. Das gilt nicht, wenn du JPEGs oder HEIF-Dateien aufnimmst, weil diese Dateitypen bereits eine niedrigere Farbtiefe haben.

Aufnahme eines Golfspielers mit weißer Hose und gelbem Polo-Shirt kurz nachdem er den Ball geschlagen hat. Der Schaft des Schlägers sieht gebogen aus.

Ein häufig auftretendes Problem beim Einsatz elektronischer Verschlüsse ist der Rolling-Shutter-Effekt, der Motive verzerrt, die sich schnell bewegen, z. B. Ventilatoren oder Propeller, die sich schnell drehen, oder der Schaft eines Golfschlägers, sodass diese Objekte leicht gebogen aussehen. Aufgenommen mit einer Canon EOS-1D X Mark III mit einem Canon EF 70-200mm f/4L IS II USM Objektiv bei 200 mm, Verschlusszeit 1/2700 s, Blende 1:4 und ISO 800.

Derselbe Golfspieler mit weißer Hose und gelbem Polo-Shirt wurde im selben Moment aufgenommen, kurz nachdem er den Ball geschlagen hat. Der Schaft des Schlägers sieht gerade aus.

Der neu entwickelte BI-Sensor mit Stacked-Architektur in der EOS R3 kann Bilddaten so schnell bereinigen, dass Rolling-Shutter-Verzerrungen nahezu vollständig verschwinden. Nun können Fotografen die Vorteile des elektronischen Verschlusses komplett ausschöpfen, um Bewegungen einzufrieren, und zwar mit bahnbrechenden Geschwindigkeiten von bis zu 1/64000 s – und das völlig geräuschlos. Aufgenommen mit einer Canon EOS R3 mit einem Canon RF 70-200mm F4L IS USM Objektiv bei 200 mm, Verschlusszeit 1/2700 s, Blende 1:4 und ISO 800.

Wie gehst du am besten mit Rolling-Shutter-Verzerrungen und Banding um?

Wie bereits erwähnt, treten diese Probleme vor allem mit elektronischen Verschlüssen auf, können aber auch durch mechanische Verschlüsse nicht vollständig eliminiert werden. Ein simpler Wechsel zu letzteren (wie gewöhnlich empfohlen) löst das Problem also womöglich nicht.

Auch wenn manche Bild- und Videobearbeitungsprogramme einige durch den Rolling-Shutter-Effekt verursachte Verzerrungen korrigieren können, ist es am besten, das Problem bereits bei der Aufnahme so gut wie möglich zu umgehen. Mit etwas Glück reicht es aus, die Verschlusszeit zu verkürzen. Bei Videoaufnahmen solltest du außerdem die Bildrate erhöhen, damit die Kamera den Sensor schneller abscannt.

Rolling-Shutter-Verzerrungen sind stärker ausgeprägt, wenn sich das Motiv von einer Seite des Bildausschnitts zur anderen bewegt, also senkrecht zu der Richtung, in welcher der Sensor ausgelesen wird. Im Umkehrschluss bewirkt eine Veränderung des Aufnahmewinkels, sodass sich das Motiv 45° oder sogar 90° zur Kamera bewegt, eine Abmilderung der Verzerrung.

Der Banding-Effekt, der auf Bildern zu sehen ist, die bei flackerndem Licht aufgenommen wurden, ist ein Ergebnis der variierenden Helligkeit während der Auslesung des Sensors. Die meisten künstlichen Lichtquellen, insbesondere Leuchtstofflampen und LEDs, flackern entsprechend der Frequenz der Wechselstromversorgung. Die Anpassung der Verschlusszeit auf 1/50 s oder 1/100 s kann das Problem lösen. Sollten die Streifen dadurch nicht verschwinden, kannst du mit anderen Verschlusszeiten experimentieren, bis du eine Einstellung gefunden hast, die dem Flackerzyklus der Lichtquelle entspricht. 

Falls verfügbar, ist es auch eine gute Idee, die Anti-Flacker-Aufnahme an deiner Kamera zu aktivieren. Dadurch erkennt die Kamera das Flackern und verzögert die Verschlussöffnung leicht, um die Belichtung entsprechend anzupassen. Dank der Fortschritte in der Canon Sensor-Technologie ist die EOS R3 die erste EOS Systemkamera, die hochfrequente Flacker-Erkennung bietet, wenn der elektronische Verschluss verwendet wird. Dadurch kann der Banding-Effekt bei Aufnahmen in künstlichem Licht verschwinden.

*Benutzerdefinierte Einstellung für Reihenaufnahmen mit hoher Geschwindigkeit, Reihenaufnahmen mit bis zu 195 B/s für bis zu 50 Bilder, verfügbar in der EOS R3 mit Firmware-Aktualisierung.

Verfasser Angela Nicholson and Alex Summersby


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