grundlagen

Bildwandler und Kameraoptik Sensoren, Formate, Empfindlichkeit, Dynamik, Schärfentiefe

CCD-Bildwandler

CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) lösten die Röhrentechnik bei der Bildaufzeichnung ab. Dies brachte verschiedene Vorteile mit sich. Die Halbleiter sind robust, verbrauchen wenig Strom, sind leicht und unempfindlich gegen Überbelichtung. Der Sensor ist wie eine Art Schieberegister aufgebaut, bei dem die elektrische Ladung von Zelle zu Zelle übertragen wird (ähnlich einer Eimerkette). Es existieren vier Bauformen, welche unterschiedliche Ansätze beim Ladungstransport bzw. der Anordnung der Speicherbereiche aufweisen:

  • Full-Frame-CCD (FF): Nicht für den Videobereich geeignet, da der Auslesevorgang zu langsam ist.
  • Frame-Transfer-CCD (FT): Bietet eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung, hat aber den Nachteil, dass eine mechanische Blende verbaut ist (hohe Fehleranfälligkeit).
  • Interline-Transfer-CCD (IT): Keine mechanische Blende aber geringere Empfindlichkeit / Auflösung als der FT-CCD und ist anfälliger für den Smear Effekt.
  • Frame-Interline-Transfer-CCD (FIT): Keine mechanische Blende und reduzierter Smear Effekt durch schnelleres Auslesen aber auch hier geringere Empfindlichkeit / Auflösung als der FT-CCD und es ist ein hoher technischer Produktionsaufwand nötig.

Der CCD-Sensor wird heute nur noch selten in Videokameras allgemein und bei DSLR’s generell nicht verbaut, weshalb er an dieser Stelle nicht ausführlicher behandelt wird. Weitere Informationen und die genaue Funktionsweise lassen sich z. B. auf Wikipedia finden.

CMOS-Bildwandler

Der wesentliche Unterschied zwischen CCD- und CMOS-Bildwandler tritt beim Auslesen der Ladung und der Umwandlung in das Bildsignal auf. Im Gegensatz zum CCD-Sensor können die Ladungen direkt auf dem Chip verarbeitet werden, wodurch sich einzelne Bildpunkte getrennt voneinander auslesen lassen. Dieser ausgelesene Teilbereich wird auch als Region of Interest (ROI) bezeichnet. Die Ladungen müssen nicht wie beim CCD über den gesamten Chip transportiert werden, sondern können direkt am lichtempfindlichen Element (größter Signal-Rauschabstand) aufgefangen werden. Durch eine höhere Anzahl von Transistoren ist eine aufwendige Signalverarbeitung direkt auf dem Chip möglich. Hierzu zählen z. B. die Rauschreduktion oder die direkte Analog- / Digitalwandlung. Dadurch sind grundsätzlich höhere Bildraten und ein geringerer Stromverbrauch möglich. Teillineares Auslesen von Informationen ermöglicht weiterhin einen höheren Szenenkontrast als beim CCD-Sensor. Dies wird besonders in der digitalen Cinematografie benötigt. Aber auch der CMOS-Sensor besitzt verschiedene Einschränkungen. Die vielen Transistoren nehmen eine große Fläche auf dem Chip ein, wodurch die aktive Sensorfläche verringert wird. Ein weiteres Problem ist Bildrauschen (Fixed Pattern Noise). Dies wird durch die hohe Anzahl von Transistoren hervorgerufen, welche nicht komplett gleich geschaltet werden können. Heute kann dieses Problem größtenteils durch Filter reduziert werden. Durch das, zeitlich leicht verzögerte, zeilenweise Auslesen des Sensors entsteht ein zusätzliches Problem. Dieses wird als Rolling Shutter bezeichnet und auf folgender Seite näher erläutert. [1]

CCD vs. CMOS

Pauschal lässt sich an dieser Stelle keine Aussage darüber treffen, welcher Sensor für die audiovisuelle Produktion besser geeignet ist. Jeder Typ besitzt anwendungsbezogene Vor- und Nachteile. Der CCD-Sensor verfügt über eine höhere Empfindlichkeit (geringeres Rauschverhalten) und es treten keine Bildstörungen durch den Rolling Shutter Effekt auf. Der CMOS-Sensor hingegen bietet höhere Bildraten, kein Smearing / Blooming und einen geringeren Stromverbrauch. CMOS-Sensoren wurden in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt, die Schwächen größtenteils kompensiert und somit ist die Bildqualität mittlerweile mit der von CCD-Sensoren vergleichbar. Es lässt sich auch beobachten, dass der CCD-Sensor in aktuellen Video- und Filmkameras nur noch selten verbaut wird. Gerade die Punkte Schnelligkeit und der geringe Stromverbrauch sind in der heutigen Zeit gefragt. Jedes Smartphone, sowie Consumer Foto- und Videokameras verfügen über einen CMOS-Sensor. Auch im professionellen Sektor, bei Studio- und Filmkameras, ist der überwiegende Einsatz des CMOS-Sensors zu beobachten.

Sensorformate / -größen und Formatfaktor

In Kameras werden Sensoren verschiedener Formate / Größen verbaut. Die Größe des Sensors hat einen indirekten Einfluss auf die Schärfentiefe und das Rauschverhalten. Letzteres kann bei großen Sensoren stärker reduziert werden, da hier im Verhältnis zu kleineren Sensoren mehr Licht auf einen einzelnen Bildpunkt fallen kann und das Signal geringer elektronisch verstärkt werden muss. In Videokameras werden hauptsächlich Sensorgrößen von 1/3“ bis 2/3“ verbaut. Filmkameras verwenden, besonders im Hinblick auf eine geringere Schärfentiefe, größere Sensoren wie Super 16 mm, 35mm oder 70 mm. Durch die große Verbreitung von videofähigen Fotokameras sind weitere Sensorgrößen hinzugekommen.

sensorgrößenSensorgrößenvergleich (Angaben in mm und gerundet)

Ein wichtiger Punkt, der bei der Wahl des richtigen Objektives eine entscheidende Rolle spielt, ist der sogenannte Formatfaktor (auch Crop Faktor). Der Formatfaktor ist abhängig von der Größe des eingesetzten Sensors. Als Ausgangsgröße wird hierbei der Vollformatsensor (Kleinbild), welcher einen Formatfaktor von 1 : 1,0 besitzt, festgelegt. Das heißt, dass bei Auswahl des Objektives die Brennweite mit einem entsprechenden Faktor multipliziert werden muss, um an einem kleineren Sensor denselben Ausschnitt zu erhalten wie ein entsprechend längeres Objektiv am Kleinbildsensor. Die nachfolgende Tabelle zeigt drei verschiedene Formatfaktoren von Fotokamerasensoren.

Bezeichnung Größe Formatfaktor
Four Thirds 17,3 mm x 13 mm 1 : 2,0
APS-C (Canon) 22,5 mm x 15 mm 1 : 1,6
Vollformat (Kleinbild) 36 mm x 24 mm 1 : 1,0

Die beiden nächsten Abbildungen zeigen wie sich der Bildausschnitt (Bildwinkel) bzw. die Brennweitenwirkung an den unterschiedlichen Sensoren verändert.

formatfaktor1
Veränderung des Bildwinkels

formatfaktor2Vergleich der Bildausschnitte

Schärfentiefe

Die Schärfentiefe (auch Tiefenschärfe) ist abhängig von der Blende, dem Aufnahmeabstand und der Brennweite in Verbindung mit der Sensorgröße. Sie beschreibt den Bereich einer Abbildung, welcher für das menschliche Auge zwischen zwei Punkten scharf dargestellt wird.

Objektive besitzen eine feste oder variable (Zoom-Objektiv) Brennweite, welche in Millimetern (mm) angegeben wird. Die Brennweite gibt den Abstand zwischen Linse und Brennpunkt (Fokus) an. Bei einer kleinen Brennweite wird der Bildwinkel vergrößert und bei einer großen Brennweite verkleinert.

  • Brennweite < 20 mm = Superweitwinkel
  • Brennweite 20 – 50 mm = Weitwinkel
  • Brennweite 50 mm = Normalbrennweite
  • Brennweite 50 – 300 mm = Tele
  • Brennweweite > 300 mm = Supertele

Um die auf den Sensor treffende Lichtmenge zu regulieren, befindet sich im Objektiv eine verstellbare Blende. Die sogenannte Blendenzahl k gibt die Größe der Öffnung in Abhängigkeit zur eingesetzten Brennweite f und dem Durchmesser der Eintrittspupille D an (k = \frac{f}{D}). Je größer die Blendenzahl ist (= kleinere Blendenöffnung), desto weniger Licht trifft auf den Sensor und umgekehrt. Die Blendenzahl ist Teil der internationalen Blendenreihe, welche mit 1 beginnt und sich jeweils um den Faktor 1,4 erhöht (1 – 1,2 – 1,4 – 1,7 – 2 – 2,4 – 2,8 – 3,4 – 4 – 4,8 – 5,6 – 6,7 – 8 – … – 22).

blendeZunahme der Schärfentiefe

Durch das Fokussieren werden Objekte in der Einstellungsebene scharf abgebildet. Es ist allerdings so, dass dem Betrachter nicht nur diese eine Ebene scharf erscheint, sondern ein größerer Schärfebereich wahrgenommen wird. Der Grund dafür ist, dass das menschliche Auge Flächen (Zerstreuungskreise) bis zu einem Durchmesser von 1/30 mm aus einer Sehentfernung von ca. 30 cm noch als scharf empfindet. Zerstreuungskreise entstehen, wenn der Brennpunkt sich nicht genau auf der Bildebene, sondern davor oder dahinter befindet und dadurch der Punkt nicht als Punkt (scharf), sondern als Scheibe (unscharf) auf den Sensor projiziert wird. Auf der optischen Achse gibt es im Gegenstandsraum neben der (scharfen) Einstellungsebene noch einen Nah und Fernpunkt. Als Schärfentiefe bezeichnet man den Bereich, welcher vor und hinter der Einstellungsebene (also zwischen Nah- und Fernpunkt) liegt. Dieser Bereich wird vom Betrachter noch als scharf wahrgenommen, obwohl er dies genaugenommen nicht ist. [2]

schärfentiefe1Das optische System

Durch Öffnen und Schließen der Blende kann die Schärfentiefe beeinflusst werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass bei einer weit geöffneten Blende (= geringe Blendenzahl) der Schärfentiefebereich kleiner ist, als bei einer gering geöffneten Blende (= große Blendenzahl). Beim Schließen der Blende trifft weniger Licht auf den Sensor, wodurch der Lichtkegel schmaler wird. Die Lichtstrahlen werden somit gestaucht und der Zerstreuungskreis wird kleiner. [3]

schärfentiefe2Veränderung der Schärfentiefe anhand der Blende

Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Schärfentiefe ist die Brennweite. Der Brennpunkt, „des von einem Objekt reflektierten Lichts [wird] bei einer Veränderung der Entfernung zum Objekt bei Objektiven mit geringer Brennweite nur geringfügig verändert [(geringere Vergrößerung des Zerstreuungskreises)], während bei Objektiven mit größerer Brennweite die Veränderungen stärker ausfallen [(stärkere Vergrößerung des Zerstreuungskreises)].“ [3]

Der Aufnahmeabstand zum Objekt führt ebenfalls zu einer Beeinflussung der Schärfentiefe. Mit zunehmender Entfernung zu einem Objekt fallen die Verschiebungen des Brennpunktes immer geringer auf. Ein kurzer Aufnahmeabstand führt somit zu einer geringen und ein großer Abstand zu einer hohen Schärfentiefe. [3]

Die Größe des Zerstreuungskreises wird weiterhin von der Sensorgröße beeinflusst. Dies liegt an der Bildausschnittsveränderung / Brennweitenwirkung durch den Formatfaktor bei Sensoren kleiner als das Vollformat. Je größer ein Sensor ist, desto geringer ist die Schärfentiefe bei gleicher Brennweite.

Die Schärfentiefe ist ein wichtiges gestalterisches Mittel beim Film. Eine geringe Schärfentiefe (auch selektive Schärfe) ermöglicht es, den Fokus auf das Wesentliche im Bild zu lenken. Sie ist weiterhin großer Bestandteil des Film Look und findet somit oft Verwendung in Filmproduktionen.

Empfindlichkeit und Dynamik

Durch eine hohe Empfindlichkeit bei Sensoren können auch bei schlechten Lichtverhältnissen störungsfreie Aufnahmen durchgeführt werden. Es handelt sich also um die Lichtempfindlichkeit, welche heute überwiegend in ISO-Werten oder als Signalverstärkung in Dezibel (dB) angegeben wird. Die Empfindlichkeit wird durch die Sensorgröße beeinflusst, da bei größeren Pixeln auch die jeweilige Lichtausbeute größer ist. Die Lichtempfindlichkeit kann durch die Wahl eines höheren ISO-Wertes verstärkt werden und somit ist je nach verfügbarer Empfindlichkeit, auch bei schlechten Lichtverhältnissen eine korrekte Belichtung des Bildes möglich. Durch diese Signalverstärkung wird aber auch das Bildrauschen erhöht und der Signal-Rauschabstand verringert sich. Wie Stark ein Bildrauschen ist, lässt sich nicht direkt am ISO-Wert selbst ablesen, da dies je nach Aufbau und Größe des Sensors und ggf. verwendeter Korrekturfilter unterschiedlich ist. Die nachfolgende Abbildung und das Video zeigen die Rauschzunahme bei höheren ISO-Werten anhand der Canon EOS 600D.

Rauschzunahme bei höheren ISO-Werten

Das Rauschen beeinflusst auch die Dynamik, also den Szenenkontrast der Aufnahme, welcher durch die Maximalladung der Pixel (obere Grenze) und durch das Rauschen (untere Grenze) beschränkt ist. Diese Spanne wird als Dynamikumfang bezeichnet und in Blendenstufen angegeben. Beim analogen Film, aber auch bei  aktuellen digitalen Filmkameras ist ein Dynamikumfang von bis zu 13 Blendenstufen möglich und bietet somit viele Optionen in der Lichtsetzung und der Farbkorrektur in der Postproduktion. [1]

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Zusammenfassung:
Artikel:
Video-DSLR Bildwandler und Kameraoptik (DoF, ISO)
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In Kameras werden Bildwandler verschiedener Formate / Größen verbaut. Die Größe des Sensors hat einen indirekten Einfluss auf die Schärfentiefe.

Einzelnachweise:

  1. Quelle: Professionelle Videotechnik (Ulrich Schmidt), ISBN 978-3-642-38991-7. [] []
  2. Quelle: Kompendium der Mediengestaltung : Konzeption und Gestaltung für Digitalund Printmedien, ISBN 978-3642-20654-2 []
  3. Quelle: Handbuch der Fotografie – Schärfe (Ulrich, Nierhoff) [] [] []

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