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Bildsensoren - Gute Pixel - schlechte Pixel - Pixel sind nicht alles

Bildsensoren sind das Herzstück digitaler Kamerasysteme. Ihre Eigenschaften wie Typ, Größe, Pixelzahl, Empfindlichkeit, Dynamikumfang, Farbfilterraster oder Rauschverhalten sind entscheidende Parameter für die erreichbare Bildqualität. Nicht alle Pixel sind also gleich. Um das Potenzial einer hohen Pixelzahl für eine bessere Bildqualität voll ausschöpfen zu können, muss das gesamte Aufnahmesystem eine ganze Reihe zusätzlicher Voraussetzungen erfüllen. Dazu gehören im Besonderen ein entsprechend hoch auflösendes Objektiv sowie ein leistungsstarker Prozessor, der die größere Zahl an Bildinformationen ausreichend schnell und effektiv verarbeiten kann. Höhere Pixelzahlen setzen zudem größere Speicherkapazitäten und gesteigerte Rechenleistung für die Weiterverarbeitung voraus.

Zwei gegenläufige Trends bestimmen derzeit die Entwicklung der Bildsensoren: Die Miniaturisierung der Bilderfassungsgeräte einerseits und der wachsende Anspruch an die Bildqualität andererseits. Dabei erschwert die Miniaturisierung die Steigerung der Abbildungsleistung. Beide Entwicklungen finden ihre Grenzen in Bezug auf die Machbarkeit im stets erforderlichen Kompromiss zwischen Bildqualität und Wirtschaftlichkeit.

Das populärste Qualitätsmerkmal der Bildsensoren ist ihre Auflösung, definiert durch die Anzahl der Pixel. Hier sind die Innovationsschübe auch am dynamischsten. Nahezu mit jeder neuen Kamerageneration steigt die Pixelzahl der Bildsensoren. Um immer mehr Bildelemente auf den Sensor zu packen, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder die Pixel werden kleiner oder die Bildsensoren größer. Um Kameras so kompakt wie möglich zu machen oder um Bilderfassungssysteme in mobile Geräte wie Handys zu integrieren, sind möglichst kleine Sensoren wünschenswert. Doch eine hohe Pixelzahl zwingt dazu, die lichtempfindlichen Elemente kleiner zu machen und dichter zu packen. Damit steigt die Gefahr des Rauschens, das sich durch Farbsäume und Körnigkeit der Bilder bemerkbar macht. Größere Sensoren, wie sie in digitalen Spiegelreflexkameras oder digitalen Rückteilen für Mittelformatkameras eingesetzt werden, sind deutlich teuerer, bieten aber eine höhere Auflösung bei geringem Rauschen.

Technologien und Formate
Bestimmten früher CCD-Bildsensoren die digitale Photographie, setzen sich zunehmend CMOS-Chips durch, die inzwischen frühere Leistungsmängel im Vergleich zu den CCD-Bildsensoren ausgleichen konnten. Auf Grund der günstigeren Fertigungsverfahren der auf dem Sensor integrierbaren Schaltungen sowie weiterer Vorzüge gewinnen die CMOS Sensoren immer mehr an Bedeutung. Das Problem kleinerer Pixel haben aber CCD- und CMOS- Lösungen gemeinsam. Um mit kleiner werdenden Pixel dennoch eine gute Bildqualität zu erreichen, haben die Wissenschaftler sowohl die Lichtempfindlichkeit der Sensorelemente selbst verbessert als auch spezielle Linsenraster für die Sensoroberfläche entwickelt, mit denen die einfallenden Lichtstrahlen gebündelt auf die Photozellen gelenkt werden. Zudem konnten Empfindlichkeit und Dynamikumfang der CCD- und CMOS-Bildsensoren durch optimierte Farbraster weiter gesteigert werden. Statt des bisher allgemein üblichen Bayer-Filterrasters, das die Farben durch ein Muster roter, grüner und blauer Filter erzeugt, wurde ein farbloses „Klarfilter“ in das Muster eingefügt, mit dem zusätzlich zu den Filtern die Helligkeit für das Licht aller Wellenlängen erfasst wird. Das Ergebnis: Bildsensoren mit einer bis zu vier Belichtungsstufen höheren Empfindlichkeit und deutlich größerem Dynamikumfang für bessere Bilder bei wenig Licht und Motiven mit hohen Kontrasten.

Bildsensoren, wie sie bisher in Kamerahandys eingesetzt wurden, litten unter ihrer eingeschränkten Abbildungsqualität. Den Sensoren mit auf kleinstem Raum gedrängten Pixelen fehlte eine ausreichende Empfindlichkeit für Aufnahmen bei Dämmerlicht. Zudem war das Rauschverhalten nicht zufriedenstellend. Auf der Basis neuer Technologien im Verbund mit einem innovativen Pixellayout sowie Pixelgrößen von nur 1,4 Micron soll es schon Ende das Jahres die ersten Camphones mit Auflösungen von 5 Megapixel geben - und das bei einer Sensorgröße von nur ¼ Zoll. Aber auch bei den größeren Sensoren sind Verbesserungen durch Optimierung der Pixeleigenschaften zu vermelden. Durch die Verkleinerung der Pixel bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Lichtempfindlichkeit finden mehr Pixel auf der Bildfläche der Sensoren Platz, die so höher auflösende Bilder liefern können.

Das Pixelrennen bleibt ein Marathon, dessen Ende noch lange nicht abzusehen ist. Welche Innovationen der Sensortechnik die Photographie in den kommenden Jahren bestimmen wird, können Besucher vom 23. bis 28. September 2008 auf der photokina in Köln erkunden. Wer im Bilde sein und bleiben möchte, der kommt um einen Besuch der World of Imaging mit ihren über 1.600 Ausstellern nicht herum.
 

Digitalfotografie 04 / 2008

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