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Kamerasensoren

Aktualisiert: 25. Okt. 2021

Aufbau, Funktion, Typen und Größen

 

Das Herzstück einer jeden Kamera ist der Sensor oder auch Bildwandler genannt. Wenn du verstehen möchtest, wie deine Kamera ein Bild aufnimmt, dann kommst du um den Sensor nicht herum. Damit du verstehen kannst, wie ein Sensor aufgebaut ist, wie er funktioniert und welche Typen es gibt, möchte ich dir dafür mal einen kleinen Überblick geben.



Grundlegender Aufbau eines Sensors


Ein Sensor besteht im Prinzip aus 3 Elementen:

  • Einem Glaselement

  • Verschiedenen Farbfiltern

  • Pixel

Diese 3 Elemente ergeben in Summe den Sensor. Schau dir einmal folgendes Bild an:

Vereinfachter Aufbau eines Sensors (Quelle: www.elmar-baumann.de)

Schauen wir uns als nächstes genauer an, was die unterschiedlichen Elemente bewirken.


Glasscheibe

Die Glasscheibe ist das oberste Element des Sensors. Sie kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen. Diese Glasscheibe kann unterschiedliche Filter oder Kristallsubrate beinhalten. Ein Beispiel für einen sehr häufig eingebauten Filter in der Glasscheibe ist der sogenannte Infrarot-Sperrfilter, der, wie der Name schon vermuten lässt, keine Infrarotstrahlen durch die Scheibe hindurch lässt. Die Hauptaufgabe dieser Glasscheibe besteht also darin, dass sich die Farbwiedergabe verbessert und störende Muster (Morié) verhindert werden. Das sogenannte Moiré kann durch einen Tiefpassfilter oder auch Anti-Aliasing-Filter verhindert werden.

Es gibt aber auch Sensoren, die keine Glasscheibe haben. Dadurch erhöht sich zwar die Bildschärfe, jedoch können dadurch Artefakte entstehen, die mit einer Glasschicht verhindert werden können.


Farbfilter

Die Farbfilter sorgen dafür, dass Informationen über Rot, Grün und Blau gespeichert werden können. Dabei hat ein Filter in der Regel doppelt so viele grüne Farbfilter wie rote und blaue. Das hat den Grund, dass das menschliche Auge sehr empfindlich für die Farbe Grün ist. Die Farbfilter wechseln sich in jeder Zeile also zwischen Grün und Rot, sowie Grün und Blau ab. Diese Anordnung wird als "Bayer" bezeichnet und ist die am häufigsten vorkommende.


Pixel

Die Pixel sind lichtempfindliche Bildpunkte. Sie liefern Informationen über die Helligkeit (Luma). Sie sind also die Herzstücke des Sensors, denn ohne Pixel bekommen wir kein Bild. Je mehr Pixel ein Sensor hat, desto größer ist auch die Auflösung. Diese wird in der Fotografie grundlegend in MP (Megapixel) angegeben.



Funktion eines Sensors


Ein Sensor funktioniert im Grunde genommen immer gleich:

Licht trifft durch das Objektiv auf den Sensor, wird durch die Glasscheibe (falls vorhanden) gefiltert, wird dann von den Farbfiltern nach Farben (RGB) gefiltert und anschließend von den Pixeln in elektrische Ladung umgewandelt. Diese Ladung wird dann ausgelesen und zum Signalausgang geschickt, wo sie gespeichert wird. Die Farbe im Bild wird durch die Summe aus Rot, Grün und Blau errechnet, wodurch wir dann ein farbiges Bild erhalten.

Durch die unterschiedlichen Bauweisen ergeben sich jedoch auch unterschiedliche Typen, die Vor- und Nachteile aufweisen. Welche Typen es gibt, schauen wir uns als nächstes an.



Sensortypen


In der heutigen Zeit unterscheiden wir zwischen zwei Sensortypen:

  • CCD

  • CMOS

Diese beiden Sensoren haben ihre Vor- und Nachteile und eine unterschiedliche Funktion. Wenn du eine Kamera kaufst, kann es dir helfen, wenn du weißt, welche Vorzüge welcher Sensor hat und genau das schauen wir uns jetzt an.


CCD (Coupled-Charged Device)

Fangen wir mit dem älteren der beiden Typen an: Dem CCD Sensor. Dieser Typ von Sensor hat einen sehr einfachen, aber effektiven Aufbau. Wenn du mit diesem Sensor ein Foto machst, werden die Pixel belichtet und geben die elektrische Information direkt zum Signalausgang weiter. Das hat den Vorteil, dass beinahe der ganze Bereich für die Pixel genutzt werden kann, was zu einem hohen Füllfaktor führt. Ein weiterer Vorteil dieses Typs ist, dass die Qualität hervorragend ist und auch das Rauschen ist sehr niedrig. Ein Nachteil dieses Sensors ist, dass er viel Energie benötigt und sehr teuer ist.


CMOS (Complementary-Metal-Oxide Semiconductor)

Der zweite Sensortyp ist der CMOS-Sensor. Dieser Sensor gibt die Information nicht direkt an den Signalausgang, sondern zuerst an anliegende Transistoren weiter. Dadurch kann während des Auslesens bereits erneut belichtet werden und die elektrische Information wird im Hintergrund weitergeleitet. So kann die Information viel schneller und effektiver ausgelesen werden. Die Vorteile dieses Typs sind ein geringerer Energieverbrauch, eine höhere Geschwindigkeit und geringere Kosten. Durch die Transistoren ist aber weniger Platz verfügbar, wodurch der nutzbare Bereich des Pixels nicht vollständig für die Belichtung genutzt werden kann. Dadurch ist der Füllfaktor wesentlich geringer als beim CCD Sensor und somit auch die Lichtempfindlichkeit und das Rauschen.


Nun kennst du also den Unterschied zwischen CCD und CMOS Sensoren. Im folgenden Bild siehst du nochmal den Unterschied beim Aufbau und Datentransfer.


Vergleich eines CCD und CMOS Sensors (©fotoMAGAZIN, Rainer Jahnke)

Doch nicht nur der Typ bei Kameras ist entscheidend für das fertige Bild, sondern auch die Größe des Sensors entscheidet über Qualität und Bildausschnitt. Aus diesem Grund schauen wir uns als Nächstes an, welche Sensorgrößen es gibt.



Sensorgrößen


Je nach Marke und Typ der Kamera gibt es unterschiedliche Sensorgrößen. In der Regel gilt: "Je größer der Sensor, desto größer der Bildausschnitt". Also nimmt eine Kamera mit einem Vollformatsensor einen größeren Bildbereich auf als eine Kamera mit einem APS-C Sensor. Im nachfolgenden Bild erhält du einen kleinen Überblick über die unterschiedlichen Sensorengrößen im Vergleich.


Unterschiedliche Sensorgrößen im Vergleich.

Das ist natürlich nur ein kleiner Ausschnitt an unterschiedlichen Größen, es gibt noch viele mehr. Ein kleiner Sensor bedeutet aber nicht automatisch, dass das Bild schlecht wird. Es kommt hier unter anderem auf die Qualität, Auflösung und Lichtempfindlichkeit an. Hast du einen kleineren Sensor wie zum Beispiel APS-C, dann hast du im Vergleich zum Vollformatsensor einen kleineren Bildausschnitt, den du aufnimmst. Hier kommt also der sogenannte "Cropfaktor" ins Spiel. Was das ist, erkläre ich dir jetzt.


Cropfaktor

Wie bereits erwähnt wird der aufgenommene Bildbereich mit einem kleineren Sensor ebenso kleiner. Das bedeutet also, dass ein kleiner APS-C Sensor nicht denselben Bildausschnitt aufnimmt wie ein Vollformatsensor. Der Cropfaktor oder auch Bildausschnittsfaktor bezeichnet ergibt sich durch die Größe des Sensors. Hast du zum Beispiel einen APS-C Sensor, wird dein Bildausschnitt um den Faktor 1,6 (Canon) bzw. 1,5 (Nikon) kleiner als der des Vollformat Sensors.

Der Cropfaktor sorgt dafür, dass bei kleineren Sensoren ein kleinerer Bildausschnitt aufgenommen wird.


Zusammenfassung


Ein Sensor besteht aus mehreren Komponenten wie Glasscheibe, Farbfilter und Pixel. Dadurch kann Licht, das auf den Sensor trifft, in Form von Daten gespeichert werden. Dabei sammeln die Pixel das Licht und leiten es über eine elektrische Leitung weiter. Je nach Aufbau des Sensors kann dieser als CCD oder CMOS Typ eingeteilt werden. Auch die Größe des Sensors ist entscheidend für das fertige Foto. Je größer der Sensor, desto größer ist auch der Bildausschnitt, der von deiner Kamera aufgenommen wird. Dieser Unterschied kann mit Hilfe des Cropfaktors bestimmt werden.



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