Wie funktioniert eigentlich der Bildsensor?

Yashica FX-1

Hat keinen Bildsensor

Es gehört heute fast schon zum guten Ton, nicht nur über Bilder, sondern auch über die ganze Technik darum zu reden. Da werden schnell Brennweiten verglichen, Vor- und Nachteile von bestimmten Blendenöffnungen besprochen und über die ideale Belichtungszeit diskutiert. Man könnte meinen, ein Bild besteht aus nichts anderem.

Eher selten wird über den Bildsensor gesprochen. Und wenn doch, dann allerhöchstens darüber, wie viele Megapixel er hat und ob das zu viel oder zu wenig ist.

Dabei ist der Bildsensor das Herzstück einer jeden Kamera. Ohne ihn geht in der digitalen Fotowelt nichts mehr. Er wandelt alle optischen Signale in digitale Daten um, die wiederum vom Bildwandler verarbeitet werden können. Alles Licht, das über das Objektiv und durch die Blende auf den Sensor fällt, wird von ihm erfasst und in elektronische Impulse umgewandelt.

Der digitale Sensor ist der Film aus der analogen Fotografie. Auf ihm wird das Bild gespeichert. Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele Begriffe aus der analogen auch in der digitalen Fotografie verwendet werden. Film und Chip sind sich sehr ähnlich und doch so verschieden: in den analogen Zeiten konnte man den Film austauschen, jedes Bild entstand auf einem absolut jungräulichen Filmabschnitt. Der Chip hingegen ist fest mit der Kamera verbunden*, begleitet sie ein leben lang. Er ist nicht nur die wichtigste Komponente des Kamerabodys. Meistens ist er auch die teuerste Komponente.

Wie wichtig und empfindlich der Sensor ist, merkt man spätestens, wenn es darum geht, ihn zu reinigen. Davor schrecken viele (zu Recht) zurück.

Der Sensor – das fremde Wesen

In den marktüblichen Kameras sind heutzutage CCD und CMOS Sensoren verbaut, die eine verhältnismäßig kleine Oberfläche haben. Bei Kameras im Format APS-C, wie z.B. der Canon 40D, sind es  gerade mal 22,2 × 14,8 mm. Bei einem Vollformatsensor (z.B. der Canon 5D Mark II) sind es immerhin 36 × 24 mm. Nicht gerade viel, um darauf mehrere Millionen Pixel unterzubringen. Mit dem bloßen Auge sind sie nicht zu erkennen.

Doch was ist nun so ein Pixel? Konkret handelt es sich um eine Fotodiode, die einfallendes Licht mit elektrischer Ladung quittiert. Die Ladung steigt an, je mehr Photonen  – also Licht – auf sie treffen. Anders ausgedrückt: trifft kein einziges Photon auf die Diode entsteht auch keine Ladung. Das Pixel bleibt schwarz.

Teffen jedoch Photonen auf die Diode, so entsteht Ladung. Je mehr Photonen eintreffen umso mehr Ladung entsteht. Dabei steigt die Ladung linear zu den eintreffenden Photonen an. Jede Diode hat ein Maximum. Ist dieses erreicht, ist der Pixel vollkommen weiß. Weitere Photonen können die Ladung nicht mehr erhöhen, ihre Information geht verloren.

Die Diode reagiert linear zu den eintreffenden Photonen mit Ladung. Das ist ein großer unteschied zum klassichen Film, der bei zunehmendem Licht langsamer reagiert hat. Daher ist eine digitale Aufnahme schneller überbelichtet als ein analoger Film.

Die entstandene Ladung wird nun vom Bildwandler in Informationen umgewandelt. Je mehr Ladung auf eine Diode gefallen ist, umso heller wird später der Pixel.

Moment mal“ wird sich der eine oder andere an dieser Stelle denken „Wo kommt denn hier die Farbe ins Spiel?“ Ein Sensor zeichnet tatsächlich nur  Helligkeitsinformationen auf – oder anders ausgedrückt:

Dein Sensor ist Farbenblind!

Jeder Pixel reagiert nur auf die Menge des Lichts das auf ihn trifft. Nicht mehr und nicht weniger.

Dass wir dennoch Farbbilder machen können ist ein Trick: vor den Dioden sind kleine, farbige Filter angebracht. Dabei sind in einer Ziele die Filter immer abwechselnd rot-grün und in der nächsten Ziele blau-grün. Anders ausgedrückt, vor 50% der Dioden ist ein grüner Filter, vor 25% ein roter und vor 25% ein blauer. Diese ungleiche Verteilung basiert auf dem menschlichen Auge, das ebenfalls am empfindlichsten für grün ist. Dieses schachbrettartige Muster heißt Bayer-Filter, benannt nach einem Mitarbeiter der Firma Kodak.

Bayer Filter

Bayer Filter (stark vergrößert)

Der Sensor kann zwar immer noch nur Helligkeitsinformationen aufzeichnen, doch nun entstehen im gewissen Maße drei Bilder. Hinter einem grünen Filter kommt nur noch der grüne Anteil des Lichts an. Rot und Blau sind geblockt. Somit entspricht die Intensität nicht mehr der allgemeinen Lichtmenge sondern nur noch der Helligkeit des Grünanteils. Für die roten und blauen Pixel verhält es sich analog.

Um nun die absolute Farbe für einen Pixel zu bestimmen, müssen die Helligkeitsinformationen der umliegenden Pixel berücksichtigt werden. Der Farbwert für einen Pixel wird aus drei Helligkeitswerden für rot, grün und blau berechnet. Man sagt, der Pixel wird interpoliert.

Und schon gibt es wieder ein Farbbild.

* Ausnahmen bestätigen die Regel: bei Mittelformatkameras ist es üblich, dass man das digitale Rückteil austauschen kann.

4 Gedanken zu „Wie funktioniert eigentlich der Bildsensor?

  1. Pingback: browserFruits: News, Links & Videos zur Fotografie | Digitale Fotografie Lernen - KWERFELDEIN - Martin Gommel

  2. Bin durch zufall auf diesen Artikel gestoßen.
    Aber fehlt da nicht irgendwie der Foveon Filter?

    Oder wird der garnicht mehr verbaut?

  3. Ja, den Foveon Sensor gibt es auch noch. Bei ihm sind die Farbschichten hintereinander. Soweit ich weiß,v erbaut ihn aber zur Zeit nur Sigma.

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