Bildsensoren erklärt

Die Fotografie hat die magische Fähigkeit, einen einzelnen Moment festzuhalten. Der Schlüssel dazu ist der Bildsensor, das Herzstück einer jeden Digitalkamera. So wie die Netzhaut des menschlichen Auges Licht einfängt und es in Nervenimpulse umwandelt, die das Gehirn interpretieren kann, fängt der Sensor das Licht ein und wandelt es in ein elektrisches Signal um, das dann zu einem digitalen Bild verarbeitet wird.

Hier erfährst du mehr über die Funktionsweise von Bildsensoren und über die verschiedenen Arten von Bildsensoren, die in Canon Kameras verwendet werden.

• Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung
• CCD-Sensoren
• CMOS-Sensoren
• Entwicklungen bei CMOS-Sensoren
• DGO-Sensoren
• Der SPAD-Sensor
• Sensorgrößen erklärt

Unabhängig vom Sensortyp beginnt der Imaging-Prozess, wenn das Licht durch das Objektiv der Kamera auf den Sensor trifft. Der Sensor enthält Millionen von Lichtrezeptoren (Pixel), welche die Lichtenergie in elektrische Ladung umwandeln. Die Stärke dieser Ladung ist proportional zur Intensität des Lichts – je mehr Licht auf ein bestimmtes Pixel trifft, desto stärker ist die elektrische Ladung, die es erzeugt. (SPAD-Sensoren funktionieren ein wenig anders – dazu später mehr)

Um neben der Helligkeitsinformation auch die Farben zu erfassen, werden die Pixel mit roten, grünen und blauen Farbfiltern ausgestattet. Das bedeutet, dass einige Pixel die Intensität von rotem Licht, andere die Intensität von grünem und wieder andere die Intensität von blauem Licht aufzeichnen.

Die elektrischen Signale aller Pixel auf dem Sensor werden an den Bildprozessor der Kamera weitergeleitet, der all diese Informationen interpretiert und die Farb- und Helligkeitswerte aller einzelnen Bildpunkte (Bildelemente) bestimmt, aus denen sich ein digitales Bild zusammensetzt.

Bei Aufnahmen in RAW werden diese Daten zusammen mit den Informationen über die Kameraeinstellungen in einer RAW-Datei gespeichert. Wenn die Kamera die Bilder in einem anderen Dateiformat – JPEG, HEIF oder RAW+JPEG – speichert, erfolgt die weitere Verarbeitung in der Kamera, die unter anderem Weißabgleich, Schärfung, Rauschreduzierung und weitere Parameter ausführt – je nach Kameraeinstellungen. Dazu gehört auch das sogenannte Demosaicing oder Debayering, bei dem jedem Pixel der korrekte RGB-Farbwert zugewiesen wird (zur Erinnerung: die einzelnen Pixel nehmen zunächst nur eine Farbe auf – Rot, Grün oder Blau). Das Endergebnis ist ein vollständiges digitales Farbbild – tatsächlich werden bei einem JPEG-Bild mehr von den ursprünglichen, vom Sensor erfassten Informationen verworfen als beibehalten.

Üblicherweise spricht man von der Anzahl der Megapixel (Millionen von Bildpunkten) auf einem Sensor, aber genau genommen hat der Sensor gar keine Pixel, sondern Sensoren (einzelne Fotodioden). Außerdem gibt es aus einer ganzen Reihe von technischen Gründen keine Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen den Sensoren im Sensor und den Pixeln im resultierenden digitalen Bild. Es ist präziser, den Sensor mit einer bestimmten Anzahl von „effektiven Pixeln“ zu beschreiben. Das sagt einfach aus, dass die Kamera Fotos oder Videos mit dieser Anzahl von Megapixeln erzeugt. Die Canon PowerShot V10 zum Beispiel hat einen Sensor, der mit ca. 20,9 MP in „Pixel gesamt“ beschrieben wird. Ein Teil der Sensordaten wird jedoch für technische Prozesse wie Verzeichnungskorrektur und digitale Bildstabilisierung verwendet, so dass die PowerShot V10 Videos (mit Movie Digital IS) mit ca. 13,1 Megapixeln und Fotos (die andere Prozesse durchlaufen) mit ca. 15,2 Megapixeln liefert.

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Bildsensoren. Die Digitalfotografie kam Mitte der 1980er Jahre mit der Einführung von CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device) auf. Diese Sensoren waren die ersten, die es ermöglichten, Bilder ohne die Verwendung von Film aufzunehmen, was die Fotografie revolutionierte.

CCD-Sensoren bestehen aus einem integrierten Gitter von Halbleiterkondensatoren, die eine elektrische Ladung halten können. Wenn Licht auf den Sensor trifft, absorbieren diese Kondensatoren, die als einzelne Pixel fungieren, das Licht und wandeln es in eine elektrische Ladung um. Die Ladungsmenge an jedem Pixel ist direkt proportional zur Intensität des Lichts, das auf sie trifft.

Bei einem CCD-Sensor wird die Ladung von jedem Pixel durch das Sensorgitter übertragen (daher der Begriff „Charge-coupled“, also „ladungsgekoppelt“) und an einer Ecke des Arrays ausgelesen, so wie Wasser durch eine Eimerkette von Mensch zu Mensch geleitet wird. Diese Methode gewährleistet ein hohes Maß an Bildqualität und Einheitlichkeit, da jedes Pixel den gleichen Weg zur Ausgabe seines Signals nutzt. Aus diesem Grund hatte die erste professionelle Digitalkamera von Canon, die EOS-1D, die 2001 auf den Markt kam, einen 4,15-MP-CCD-Sensor. Allerdings ist der Ausleseprozess eines CCD-Sensors auch stromintensiver als bei einem CMOS-Sensor.

Im Jahr 2000 führte Canon den ersten CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit 3,1 MP in der EOS D30 ein. Im Gegensatz zum CCD-Sensor, der die Ladungen von der gesamten Sensorfläche an einen einzigen Ausgangsknoten überträgt, enthält ein CMOS-Sensor an jedem Pixel Transistoren, so dass die Ladung direkt an der Stelle verarbeitet werden kann. Das hat mehrere Auswirkungen.

Zunächst einmal benötigen CMOS-Sensoren weniger Strom, was sie energieeffizienter macht. Außerdem können sie elektrische Ladungen viel schneller ablesen, was für schnelle Reihenaufnahmen entscheidend ist. Zudem haben CMOS-Sensoren die gleiche Grundstruktur wie Computer-Mikroprozessoren, was eine kostengünstige Massenproduktion ermöglicht und gleichzeitig zusätzliche Funktionen wie Rauschreduzierung und Bildverarbeitung direkt auf dem Sensor erlaubt.

Alle spiegellosen EOS R System Kameras von Canon umfassen CMOS-Sensoren. Das ist auch beim Sortiment der EOS DSLR, Cinema EOS und PowerShot Kameras der Fall.

Die CMOS-Sensortechnologie hat sich ständig weiterentwickelt. Eine von Canon entwickelte Innovation ist die Dual Pixel CMOS AF-Technologie, die es ermöglicht, jedes Pixel auf dem Sensor sowohl für die Bildgebung als auch für den Autofokus zu nutzen, was zu einer schnelleren und präziseren AF-Leistung führt.

Eine erweiterte Version des Systems wurde 2020 eingeführt: Dual Pixel CMOS AF II. Er umfasst die EOS iTR AF X Technologie (Intelligent Tracking and Recognition Autofocus), das Motiverkennungs- und -verfolgungssystem mit Deep-Learning-KI von Canon. Dual Pixel CMOS AF II wird inzwischen weitläufig im EOS R System und Cinema EOS Angebot eingesetzt und stellt eine höhere Autofokusgeschwindigkeit, Präzision und Abdeckung für Fotos und Videos bei Kameras wie der EOS R7, EOS R6 Mark II und EOS C400 bereit.

Dual Pixel Intelligent AF, welcher 2024 bei der EOS R1 und der EOS R5 Mark II eingeführt wurde, hat die Erkennungs- und Verfolgungseigenschaften weiter verbessert und die Einführung von Funktionen wie AF mit Aktionspriorität ermöglicht, durch den die Kamera Aktionen nachverfolgen kann, die bei bestimmten Sportarten zu sehen sind, um dort den Fokus automatisch auf den Bereich zu richten, in dem die Action stattfindet.

Bei der EOS R1 wurde der Autofokus zudem um den Kreuz-Fokussierungs-AF ergänzt, der es ermöglicht, Phasenunterschiede nicht nur vertikal, wie bei anderen AF-Systemen, sondern gleichzeitig auch horizontal zu erkennen. Diese höhere Empfindlichkeit führt zu einer höheren Fokussiergenauigkeit und -geschwindigkeit in Situationen mit wenig Licht und geringem Kontrast sowie zu einer noch stabileren AF-Leistung bei Reihenaufnahmen.

Eine weitere Entwicklung in der Canon CMOS-Technologie ist der Stacked Back-Illuminated Sensor, der in der EOS R1, EOS R5 Mark II und EOS R3 verwendet wird. Bei diesem Design sind die Fotodioden oberhalb der Transistorschicht angeordnet, um die Lichtsammeleffizienz zu verbessern, was zu weniger Bildrauschen und besserer Bildqualität führt. Außerdem ermöglicht die gestapelte Struktur (Stacked) ein schnelleres Auslesen der Daten und trägt so zur Hochgeschwindigkeitsleistung der Kamera bei.

Sowohl die EOS R1 als auch die EOS R5 Mark II sind mit einem DIGIC Accelerator ausgestattet, der das von der Kamera verarbeitbare Datenvolumen erhöht. In Kombination mit dem Back-Illuminated Stacked Sensor mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht der DIGIC Accelerator zahlreiche Funktionen, darunter höhere Geschwindigkeiten deselektronischen Verschlusses, gleichzeitige Aufnahme von Fotos und Videos sowie eine erhebliche Verringerung der Rolling-Shutter-Verzerrung im Vergleich zu früheren Kameras.

Ein ähnliche Senortechnik wird auch in ausgewählten Cinema EOS Kameras eingesetzt. Die EOS C80 und EOS C400 umfassen 6K Vollformat BSI-CMOS-Sensoren (Back-Side Illuminated), die im Vergleich zu Front-Illuminated-Sensoren eine verbesserte Leistung bei wenig Licht bieten. Sie stellen nicht nur einen Dynamikumfang von 16 Blendenstufen bei minimalem Bildrauschen bereit, die hohen Auslesegeschwindigkeiten des BSI-Sensors minimieren zudem die Rolling-Shutter-Verzerrung.

Die Forschung und Entwicklung der CMOS-Sensoren von Canon geht aber ständig weiter. Ein Ergebnis hieraus ist ein ultra hochempfindlicher 35mm-Vollformat-CMOS-Sensor mit viel größeren Fotorezeptoren (etwa 7,5-mal so groß wie die in früheren Sensoren). Größere Fotorezeptoren sind in der Lage, mehr Licht einzufangen. In diesem Fall wird eine Empfindlichkeit erreicht, die ISO 4 Millionen entspricht, so dass eine Kamera auch in sehr dunklen Umgebungen lebendige Farbbilder aufnehmen kann. Diese Technologie kommt in der Canon ME20F-SH Ultra-Low-Light Videokamera zum Einsatz.

Canon hat außerdem einen Sensor mit extrem hoher Pixelanzahl entwickelt, bei dem fortschrittliche Miniaturisierungstechniken eingesetzt werden, um die Größe der einzelnen Pixel zu verringern. Das ermöglicht eine extrem hochauflösende Bildaufnahme mit bis zu 250 MP. In einem Bild, das mit dieser Technologie aufgenommen wurde, ist es möglich, den Schriftzug eines Flugzeugs in 18 km Entfernung zu erkennen und eine Auflösung zu erreichen, die etwa 30-mal höher ist als die eines 4K-Videos. Das birgt ein großes Potenzial für Anwendungen in den Bereichen Überwachung, astronomische Beobachtung und medizinische Bildgebung.

Ein Manko der aktuellen CMOS-Sensoren ist, dass ihre Daten aus technischen Gründen, u.a. wegen der Datenbandbreite, nicht auf einmal, sondern nacheinander ausgelesen werden. Das führt zu Problemen wie dem „Rolling-Shutter-Effekt“, einer Verzeichnung, die bei sich schnell bewegenden Motiven auftreten kann, die ihre Position während der Auslesung der Sensordaten verändert haben. Das fortschrittliche Back-Illuminated Stacked CMOS-Sensordesign in Kameras wie der EOS R1 und derEOS R5 Mark II ermöglichen allerdings viel höhere Auslesegeschwindigkeiten, was dieses Problem erheblich entschärft. Es tritt bei der EOS R1, die eine Verringerung um 40 % beim Rolling-Shutter im Vergleich zum bereits schnell auslesenden CMOS-Sensor der EOS R3 aufweist, praktisch gar nicht auf.

Außerdem untersucht Canon aktiv andere Lösungen wie die „Global Shutter“-Technologie, die das Auslesen des gesamten Sensors in einem Durchgang ermöglicht. Allerdings ist diese Technologie sehr komplex, verursacht zusätzliches Bildrauschen und höhere Kosten und kann bislang noch keine besonders hochwertigen Ergebnisse liefern.

Der DGO-Sensor (Dual Gain Output) ist ein moderner Bildsensor, der in den professionellen Videokameras Canon EOS C300 Mark III und EOS C70 eingesetzt wird.

Der Canon DGO-Sensor liest jedes Pixel mit zwei verschiedenen Verstärkungsstufen aus: eine hohe und eine niedrige. Diese beiden Messwerte kombiniert er denn zu einem einzigen Bild. Die Auslesung mit hoher Verstärkung wurde optimiert, um feine Details in Schattenbereichen zu erfassen und gleichzeitig das Rauschen zu reduzieren. Die Auslesung mit geringer Verstärkung ist so konzipiert, dass die Informationen in den besonders hellen Bildbereichen erhalten bleiben und präzise wiedergegeben werden. Durch diese Kombination entsteht ein Bild mit einem größeren Dynamikumfang, mehr Details und weniger Rauschen im Vergleich zu Bildern mit herkömmlichen Sensortechnologien.

Die DGO-Technologie verbraucht nicht mehr Strom als ein herkömmlicher Sensor und ist zudem mit dem Canon Dual Pixel CMOS AF-System und der elektronischen Bildstabilisierung kompatibel, was für einen schnellen und zuverlässigen Autofokus und ein besonders stabiles Bild sorgt.

CCD- und CMOS-Sensoren messen die Intensität des Lichts, d. h. wie viele Photonen den Sensor innerhalb einer bestimmten Zeit erreichen. SPAD-Sensoren (Single Photon Avalanche Diode) arbeiten anders: Sie nutzen den „Lawineneffekt“ oder „Avalanche-Effekt“ in Halbleitern. Wenn ein Photon auf den Sensor trifft, erzeugt es ein Elektron, das dann eine Kettenreaktion also eine „Lawine“ der Elektronenproduktion auslöst. Durch diesen Kaskadeneffekt fließt augenblicklich ein großer Strom, der als Spannungssignal in Form einer Folge von Impulsen, die einzelnen Photonen entsprechen, ausgelesen wird.

Diese einzigartige Lichtsensortechnologie verleiht SPAD-Sensoren unglaubliche Low-Light-Eigenschaften. Mit diesem herausragenden SPAD-Sensor hat Canon die MS-500 entwickelt. Sie ist eine bahnbrechende Kamera für Wechselobjektive, die Full HD-Farbaufnahmen bei extrem wenig Licht, sogar bei der fast völligen Dunkelheit einer nächtlichen Umgebung, aufnehmen kann.

Darüber hinaus kann die MS-500 dank des Bajonetts für ein 2/3-Zoll-Broadcast-Objektiv die umfangreiche Palette der Canon Broadcast-Objektive mit ihren außergewöhnlichen optischen Supertele-Leistungen nutzen. Damit ist die Kamera in der Lage, Motive in mehreren Kilometern Entfernung sichtbar zu machen, selbst wenn diese unbeleuchtet sind. Das macht sie zu einem unschätzbaren Vorteil für Sicherheit, Überwachung und eine breite Palette wissenschaftlicher Anwendungen.

Sicher ist jedem klar, dass die Anzahl der Megapixel auf einem Sensor (unabhängig davon, ob es sich um die gesamten oder effektiven Pixel handelt) nicht alles aussagt. Die physische Größe des Sensors ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. APS-C-Sensoren sind physisch kleiner als Vollformatsensoren. Das bedeutet, dass eine Kamera mit einem Vollformatsensor selbst bei identischer Pixelanzahl einen größeren Dynamikumfang und bessere Low-Light-Eigenschaften bietet. Wenn sie nämlich die gleiche Megapixelanzahl hat, diese aber auf einem größeren Bereich angeordnet sind, dann müssen die einzelnen Pixel größer sein und können daher mehr Licht einfangen. Das macht Vollformatkameras wie die EOS R1 und die EOS R5 Mark II zur bevorzugten Wahl für professionelle Fotografen, insbesondere für Landschaften, Architektur oder Porträts.

Da die APS-C-Sensoren kleiner sind, füllt das Motiv mehr Bildfläche aus, als wenn man es mit dem gleichen Objektiv und den gleichen Einstellungen mit einer Vollformatkamera aufnehmen würde – ein APS-C-Sensor verlängert also praktisch die Reichweite des Objektivs. Bei Canon Kameras beträgt dieser sogenannte „Cropfaktor“ etwa das 1,6-fache, so dass die effektive Brennweite 1,6-mal länger ist als die des gleichen Objektivs an einer Vollformatkamera. Damit bildet ein 50mm-Objektiv zum Beispiel das Bildfeld eines 80mm-Objektivs (50 x 1,6 = 80) ab. Darum sind APS-C-Kameras für ein breites Spektrum von Anwendungen geeignet, darunter die Wildlife- und die Street-Fotografie. Außerdem sind APS-C-Kameras wie die EOS R50 und die EOS R10 dank des kleineren Sensors kompakter und leichter als ihre Vollformat-Pendants, was sie zu einer guten Wahl für Reise- oder Natur-Aufnahmen macht.

Einige Videokameras arbeiten mit Super-35mm-Sensoren (aktive Fläche ca. 24,6 x 13,8 mm, je nach Auflösungseinstellung), die etwas größer sind als APS-C (22,2 x 14,8 mm), aber immer noch weniger als die Hälfte der Fläche des Vollformats (36 x 24 mm) haben. Sie sind in der Filmindustrie weit verbreitet, da sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten, Bildqualität und Kino-Look (mit geringer Schärfentiefe) bieten. Camcorder und andere Kameratypen arbeiten meist mit anderen Sensorgrößen, z.B. dem 1,0-Zoll-Typ 20,1 MP Stacked CMOS-Sensor in der kompakten PowerShot G7 X Mark III oder dem 11,7 MP 1/2,3-Zoll-Typ CMOS-Sensor in der PowerShot PX.

Die Wahl der Sensorgröße hängt weitgehend von Ihren Aufnahmeanforderungen und Ihrem Budget ab. Jede Sensorgröße bietet unterschiedliche Vorteile. Wenn Sie diese verstehen, können Sie die richtige Kamera für Ihre spezifischen Anforderungen auswählen. Sie können jedoch verstehen, warum die Standardisierung auf „effektive Pixel“ eine einfachere Messgröße für den Vergleich verschiedener Kameras und verschiedener Technologien darstellt!