Die Kameras in modernen Smartphones sind erstaunlich leistungsfähig geworden, aber hinter den beeindruckenden Bildern steckt komplexe Technologie. Ein zentrales Element ist der Bildsensor, dessen Größe maßgeblich die Eigenschaften und die Qualität der aufgenommenen Fotos beeinflusst. Doch wie groß sind diese Sensoren wirklich und welche Auswirkungen hat ihre Dimension auf das Endergebnis?
Sensorgröße und Tiefenschärfe
Die Tiefenschärfe (Depth of Field, DOF) ist ein Bereich im Bild, der scharf abgebildet wird. Die Größe des Sensors spielt eine Rolle dabei, wie diese Tiefenschärfe wahrgenommen wird, allerdings hängt es stark davon ab, wie man die Kameras vergleicht. Wenn man ein Bild mit gleichem Motivabstand und gleichem Bildwinkel für zwei verschiedene Formate betrachtet, verhält sich die Tiefenschärfe ungefähr umgekehrt proportional zu den absoluten Blendendurchmessern. Das bedeutet, dass bei Verwendung desselben absoluten Blendendurchmessers für beide Formate (was dem Kriterium des 'gleichen Bildes' entspricht – gleicher Bildwinkel, auf dieselbe Endgröße vergrößert), die Tiefenschärfe gleich ist.
Dies entspricht auch der Anpassung der Blendenzahl (f-Zahl) umgekehrt proportional zum Crop-Faktor – eine kleinere Blendenzahl für kleinere Sensoren. Diese Bedingung des gleichen Bildwinkels, der gleichen Tiefenschärfe, des gleichen Blendendurchmessers und der gleichen Belichtungszeit wird als 'Äquivalenz' bezeichnet.
Vergleicht man hingegen die Tiefenschärfe von Sensoren, die die gleiche fotometrische Belichtung erhalten (die f-Zahl ist fest, nicht der Blendendurchmesser), arbeiten die Sensoren mit der gleichen ISO-Einstellung, aber der kleinere Sensor erhält weniger Gesamtlicht. In diesem Fall ist das Verhältnis der Tiefenschärfen ungefähr proportional zum Verhältnis der charakteristischen Abmessungen der Formate, also zum relativen Crop-Faktor zwischen den Sensoren. Dieses Ergebnis führt zur gängigen Meinung, dass kleine Sensoren eine größere Tiefenschärfe liefern als große.
Eine andere Betrachtung ist die Tiefenschärfe, die durch dasselbe Objektiv in Verbindung mit unterschiedlich großen Sensoren erzielt wird (wobei sich der Bildwinkel ändert). Die Änderung der Tiefenschärfe ergibt sich aus der Notwendigkeit eines anderen Vergrößerungsgrads, um dieselbe endgültige Bildgröße zu erreichen. In diesem Fall verhält sich das Verhältnis der Tiefenschärfen ungefähr umgekehrt proportional zum Verhältnis der charakteristischen Abmessungen der Formate.
Wenn man ein Objektiv mit fester Brennweite und fester Blende, das für einen großen Sensor und dessen Bildkreis ausgelegt ist, ohne Änderung seiner physikalischen Eigenschaften an kleinere Sensorgrößen anpasst, ändern sich weder die Tiefenschärfe noch die Lichtstärke (gemessen in lx = lm/m²).
Sensorgröße, Rauschen und Dynamikumfang
Abgesehen von der Ungleichmäßigkeit der Fotoantwort und der Variation des Dunkelrauschens, die nicht intrinsisch von der Sensorgröße abhängen, sind die Hauptrauschquellen in einem Bildsensor das Schrotrauschen (Shot Noise), das Ausleserauschen (Read Noise) und das Dunkelrauschen (Dark Noise). Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eines Sensors wird als Signal-Elektronen im Verhältnis zum Effektivwert des Rauschens in Elektronen ausgedrückt.
Schrotrauschen
Das Schrotrauschen-SNR hängt von der einfallenden Photonenflussdichte und der Belichtungszeit ab, was Belichtung und Sensorfläche gleichkommt. Bei gleicher Belichtung verhalten sich die Signal-Rausch-Verhältnisse von zwei unterschiedlich großen Sensoren mit gleicher Quanteneffizienz und gleicher Pixelanzahl (für eine gegebene Endbildgröße) proportional zur Quadratwurzel der Sensorfläche (oder dem linearen Skalierungsfaktor des Sensors).
Wenn die Belichtung durch die Notwendigkeit begrenzt ist, eine bestimmte Tiefenschärfe zu erreichen (bei gleicher Belichtungszeit), dann verhalten sich die Belichtungen umgekehrt proportional zur Sensorfläche. Dies führt zum interessanten Ergebnis, dass, wenn die Tiefenschärfe eine Einschränkung darstellt, das Schrotrauschen des Bildes nicht von der Sensorfläche abhängt.
Bei Objektiven mit identischer f-Zahl steigt das Signal-Rausch-Verhältnis mit der Quadratwurzel der Pixelfläche oder linear mit dem Pixelabstand. Da typische f-Zahlen für Objektive von Handys und DSLRs im gleichen Bereich (f/1.5–2) liegen, ist es interessant, die Leistung von Kameras mit kleinen und großen Sensoren zu vergleichen. Eine gute Handy-Kamera mit einer typischen Pixelgröße von 1,1 µm (wie das Samsung A8) hätte ein etwa dreimal schlechteres SNR aufgrund von Schrotrauschen als eine Kamera mit Wechselobjektiv und 3,7 µm Pixeln (Panasonic G85) und fünfmal schlechter als eine Vollformatkamera mit 6 µm Pixeln (Sony A7 III). Berücksichtigt man den Dynamikumfang, wird der Unterschied noch deutlicher.
Daher wurde der Trend zur Erhöhung der Anzahl der 'Megapixel' bei Handy-Kameras in den letzten 10 Jahren eher durch Marketingstrategien zur Vermarktung von 'mehr Megapixeln' als durch Versuche zur Verbesserung der Bildqualität verursacht.
Ausleserauschen
Das Ausleserauschen ist die Summe aller elektronischen Rauschanteile in der Umwandlungskette der Pixel im Sensorarray. Um es mit dem Photonenrauschen zu vergleichen, muss es auf sein Äquivalent in Photoelektronen zurückgeführt werden. Im Allgemeinen skaliert das Ausleserauschen mit der Sensorfläche nach unten, solange die Pixelfläche mit der Sensorfläche skaliert und diese Skalierung durch eine gleichmäßige Skalierung des Pixels erfolgt. Bei gegebener Belichtung skaliert das Signal ebenso wie das Ausleserauschen mit der Sensorfläche, daher wird das Ausleserauschen-SNR nicht von der Sensorfläche beeinflusst. In einer durch die Tiefenschärfe eingeschränkten Situation wird die Belichtung des größeren Sensors proportional zur Sensorfläche reduziert, und daher reduziert sich das Ausleserauschen-SNR ebenfalls.
Dunkelrauschen
Der Dunkelstrom trägt zu zwei Arten von Rauschen bei: dem Dunkel-Offset, der nur teilweise zwischen den Pixeln korreliert ist, und dem Schrotrauschen, das mit dem Dunkel-Offset verbunden ist und zwischen den Pixeln unkorreliert ist. Normalerweise ist der mittlere Pixel-Dunkelstrom bei normalen Temperaturen gering (weniger als 50 e- pro Sekunde), so dass bei typischen Belichtungszeiten in der Fotografie der Dunkelstrom und das damit verbundene Rauschen vernachlässigt werden können. Bei sehr langen Belichtungszeiten kann es jedoch ein limitierender Faktor sein. Auch bei kurzen oder mittleren Belichtungszeiten können einige Ausreißer in der Dunkelstromverteilung als 'Hot Pixel' sichtbar werden. Für Anwendungen in der Astrofotografie werden Sensoren typischerweise gekühlt, um den Dunkelstrom in Situationen zu reduzieren, in denen die Belichtungen mehrere hundert Sekunden dauern können.
Dynamikumfang
Der Dynamikumfang ist das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten aufzeichenbaren Signal, wobei das kleinste typischerweise durch den 'Rauschboden' definiert ist. In der Literatur zu Bildsensoren wird der Rauschboden als das Ausleserauschen betrachtet. Der Dynamikumfang ist daher das Verhältnis von maximaler Ladung zu Ausleserauschen.
Die folgende Tabelle veranschaulicht den theoretischen Unterschied im Schrotrauschen-SNR bei identischer f-Zahl und gleicher Belichtung für verschiedene typische Pixelgrößen, basierend auf den bereitgestellten Informationen:
| Gerätetyp (Beispiel) | Typische Pixelgröße | Relatives Schrotrauschen-SNR (ungefähr) |
|---|---|---|
| Gutes Handy (Samsung A8) | 1,1 µm | 1x (Basis) |
| Kamera mit Wechselobjektiv (Panasonic G85) | 3,7 µm | ~3x besser |
| Vollformat-Kamera (Sony A7 III) | 6 µm | ~5x besser |
Diese Tabelle zeigt, dass größere Pixel (und damit oft größere Sensoren) bei gleicher f-Zahl ein deutlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis beim Schrotrauschen aufweisen.
Sensorgröße und Beugung
Die Auflösung aller optischen Systeme wird durch Beugung begrenzt. Ein Weg, den Einfluss der Beugung auf Kameras mit unterschiedlich großen Sensoren zu betrachten, ist die Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Die Beugung ist einer der Faktoren, die zur gesamten System-MTF beitragen. Andere Faktoren sind typischerweise die MTFs des Objektivs, des Anti-Aliasing-Filters und des Sensor-Sampling-Fensters.
Die räumliche Grenzfrequenz aufgrund der Beugung durch eine Objektivblende hängt von der Wellenlänge des Lichts und der f-Zahl des Objektivs ab. Wenn die Blende kreisförmig ist, skaliert der Beugungsfaktor der System-MTF entsprechend der Grenzfrequenz und wiederum entsprechend 1/N (für die gleiche Lichtwellenlänge).
Bei der Betrachtung des Einflusses der Sensorgröße und ihres Effekts auf das Endbild muss die unterschiedliche Vergrößerung berücksichtigt werden, die erforderlich ist, um ein Bild derselben Größe für die Betrachtung zu erhalten. Dies führt zu einem zusätzlichen Skalierungsfaktor von 1/C, wobei C der relative Crop-Faktor ist, was den gesamten Skalierungsfaktor zu 1/(NC) macht.
Unter den 'gleichen Bild' Bedingungen (gleicher Bildwinkel, Motivabstand und Tiefenschärfe) verhalten sich die f-Zahlen im Verhältnis 1/C, so dass der Skalierungsfaktor für die Beugungs-MTF 1 ist. Dies führt zu dem Schluss, dass die Beugungs-MTF bei gegebener Tiefenschärfe unabhängig von der Sensorgröße ist.
Unter den Bedingungen 'gleiche fotometrische Belichtung' und 'gleiches Objektiv' wird die f-Zahl nicht geändert, und somit bleiben die räumliche Grenzfrequenz und die resultierende MTF auf dem Sensor unverändert. Die MTF im betrachteten Bild wird dann entsprechend der Vergrößerung skaliert, oder umgekehrt zum Crop-Faktor.
Sensorformat und Objektivgröße
Man könnte erwarten, dass Objektive für eine Reihe von Sensorgrößen einfach durch Skalierung derselben Designs proportional zum Crop-Faktor hergestellt werden könnten. Eine solche Übung würde theoretisch ein Objektiv mit gleicher f-Zahl und gleichem Bildwinkel ergeben, dessen Größe proportional zum Sensor-Crop-Faktor wäre. In der Praxis ist eine einfache Skalierung von Objektivdesigns jedoch nicht immer realisierbar, unter anderem aufgrund der Nicht-Skalierbarkeit von Fertigungstoleranzen, der strukturellen Integrität von Glaslinsen unterschiedlicher Größe sowie verfügbarer Fertigungstechniken und Kosten.
Darüber hinaus erfordert das Objektiv für einen kleineren Sensor eine größere Auflösungsleistung, um die gleiche absolute Informationsmenge in einem Bild zu erhalten. Die Entwicklung von Objektiven, wie am Beispiel des 'Tessar' erläutert, zeigt die Transformation von Objektiven für größere Plattenkameras hin zu kleineren Optiken mit hochgradig asphärischen Oberflächen, die aufgrund ihrer geringen Größe wirtschaftlich herstellbar sind. Ihre Leistung kann 'besser als die besten 35-mm-Objektive' sein – aber nur für ein sehr kleines Bildfeld.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich mit abnehmender Sensorgröße auch die begleitenden Objektivdesigns ändern, oft radikal, um die durch die reduzierte Größe ermöglichten Fertigungstechniken zu nutzen. Die Funktionalität solcher Objektive kann dies ebenfalls ausnutzen, wobei extreme Zoom-Bereiche möglich werden. Diese Objektive sind oft sehr groß im Verhältnis zur Sensorgröße, können aber mit einem kleinen Sensor in ein kompaktes Gehäuse passen. Ein kleines Gehäuse bedeutet ein kleines Objektiv und bedeutet einen kleinen Sensor. Um Smartphones schlank und leicht zu halten, verwenden die Smartphone-Hersteller winzige Sensoren, die normalerweise kleiner sind als die 1/2,3 Zoll, die in den meisten Bridge-Kameras verwendet werden. Früher verwendete nur das Nokia 808 PureView einen 1/1,2-Zoll-Sensor, fast doppelt so groß wie ein 1/2,3-Zoll-Sensor. Größere Sensoren haben den Vorteil einer besseren Bildqualität, aber durch Verbesserungen der Sensortechnologie können kleinere Sensoren die Leistungen früherer größerer Sensoren erreichen. Diese Verbesserungen ermöglichen es Smartphone-Herstellern, Bildsensoren von nur 1/4 Zoll zu verwenden, ohne zu viel Bildqualität im Vergleich zu günstigen Point-and-Shoot-Kameras einzubüßen.
Aktive Fläche des Sensors
Zur Berechnung des Bildwinkels einer Kamera sollte die Größe der aktiven Fläche des Sensors verwendet werden. Die aktive Fläche des Sensors bezeichnet den Bereich des Sensors, auf dem in einem bestimmten Betriebsmodus der Kamera ein Bild erzeugt wird. Die aktive Fläche kann kleiner sein als der gesamte Bildsensor und kann sich in verschiedenen Betriebsmodi derselben Kamera unterscheiden. Die Größe der aktiven Fläche hängt vom Seitenverhältnis des Sensors und dem Seitenverhältnis des Ausgabebildes der Kamera ab. Auch die Anzahl der Pixel im jeweiligen Modus kann die Größe der aktiven Fläche beeinflussen. Die Größe der aktiven Fläche und die Brennweite des Objektivs bestimmen die Bildwinkel.
Sensorgröße und Abschattungseffekte
Halbleiter-Bildsensoren können bei großen Blendenöffnungen und am Rand des Bildfeldes unter Abschattungseffekten leiden. Dies liegt an der Geometrie des Lichtkegels, der von der Austrittspupille des Objektivs zu einem Punkt oder Pixel auf der Sensoroberfläche projiziert wird. Um eine vollständige Übertragung der Lichtenergie zwischen zwei gekoppelten optischen Systemen (wie der Austrittspupille des Objektivs und dem Photorezeptor eines Pixels) zu gewährleisten, muss die geometrische Ausdehnung (auch Etendue oder Lichtdurchsatz genannt) des Objektiv-Pixel-Systems kleiner oder gleich der geometrischen Ausdehnung des Mikrolinsen-Photorezeptor-Systems sein.
Die Bedingung zur Vermeidung von Abschattung besagt, dass die f-Zahl der Mikrolinse kleiner sein muss als die f-Zahl des Aufnahmeobjektivs, multipliziert mit dem linearen Füllfaktor des Pixels. Die f-Zahl der Mikrolinse wird letztendlich durch die Breite des Pixels und seine Höhe über dem Silizium bestimmt, was ihre Brennweite festlegt. Dies wiederum wird durch die Höhe der Metallisierungsschichten, auch 'Stapelhöhe' genannt, bestimmt. Bei gegebener Stapelhöhe erhöht sich die f-Zahl der Mikrolinsen mit abnehmender Pixelgröße. Daher neigt die f-Zahl des Objektivs, bei der Abschattung auftritt, dazu, sich zu erhöhen.
Um die Pixelanzahl zu erhalten, haben kleinere Sensoren tendenziell kleinere Pixel. Gleichzeitig sind kleinere f-Zahlen des Objektivs erforderlich, um die auf den Sensor projizierte Lichtmenge zu maximieren. Um dem oben diskutierten Effekt entgegenzuwirken, enthalten kleinere Pixel in kleineren Formaten technische Designmerkmale, die eine Reduzierung der f-Zahl ihrer Mikrolinsen ermöglichen. Dazu gehören vereinfachte Pixeldesigns, die weniger Metallisierung erfordern, 'Lichtleiter', die innerhalb des Pixels integriert sind, um seine scheinbare Oberfläche näher an die Mikrolinse zu bringen, und 'Back Side Illumination' (BSI), bei der der Wafer ausgedünnt wird, um die Rückseite der Photodetektoren freizulegen, und die Mikrolinsenschicht direkt auf dieser Oberfläche platziert wird, anstatt auf der Vorderseite mit ihren Verdrahtungsschichten.
Welches Handy hat den größten Kamerasensor?
Die Suche nach dem Handy mit dem größten Kamerasensor ist ein fortlaufender Trend. Kürzlich stellte Xiaomi seine 12S-Smartphone-Serie vor, deren Kamera in Zusammenarbeit mit Leica entwickelt wurde. Ein besonderes Highlight ist der Sony-Sensor IMX989 mit einer Kantenlänge von einem Zoll. Dieser Sensor löst mit bis zu 50 Megapixeln auf und hat eine Pixelgröße von 1,6 Mikrometern. Dies ermöglicht es der Kamera, mehr Licht einzufangen und eine bessere Bildqualität zu liefern, insbesondere bei Dunkelheit. Eine asphärische 8P-Linse soll Streulicht und Farbabweichungen verhindern.
Das Xiaomi 12S Ultra bietet die Wahl zwischen zwei Leica-Bildstilen: dem 'Leica Authentic Look', der die Licht- und Schattenästhetik einer Leica-Kamera auf das Handy bringt, und dem 'Leica Vibrant Look', der die 'Emotionen des Augenblicks' einfangen soll. Das Modell unterstützt auch einen ultraschnellen Serienbildmodus mit 30 Bildern pro Sekunde und verfügt über eine integrierte Low-Light-Fotofunktion. Es ist zudem eines der ersten Android-Geräte, das Dolby Vision HDR-Videoaufnahme und -Wiedergabe unterstützt, was Videos mit lebendigen Farben, verbesserten Kontrastverhältnissen und hoher Detailgenauigkeit verspricht.
Häufig gestellte Fragen zur Sensorgröße bei Handykameras
Frage: Wie groß sind typische Sensoren in Handykameras?
Antwort: Smartphone-Sensoren sind in der Regel recht klein, oft kleiner als 1/2,3 Zoll. Es gibt jedoch auch größere Sensoren, wie zum Beispiel 1/1,2 Zoll oder sogar 1 Zoll, wie im Falle des Sony IMX989 Sensors im Xiaomi 12S Ultra.
Frage: Beeinflusst die Sensorgröße die Tiefenschärfe bei Handyfotos?
Antwort: Ja, aber es kommt auf den Vergleich an. Bei gleicher f-Zahl und gleicher Belichtung haben kleinere Sensoren tendenziell eine größere Tiefenschärfe als größere Sensoren. Werden jedoch andere Parameter wie der Bildwinkel und die endgültige Bildgröße konstant gehalten, kann die Tiefenschärfe auch unabhängig von der Sensorgröße sein, wenn die Blende entsprechend angepasst wird.
Frage: Warum haben größere Sensoren oft eine bessere Bildqualität?
Antwort: Größere Sensoren haben in der Regel größere Pixel (bei gleicher Megapixel-Zahl oder weniger Megapixel auf gleicher Fläche). Größere Pixel können mehr Licht sammeln, was zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis führt, insbesondere beim Schrotrauschen. Dies führt zu saubereren Bildern, besonders bei schlechten Lichtverhältnissen.
Frage: Warum sind die Sensoren in den meisten Smartphones so klein?
Antwort: Die Größe des Sensors ist eng mit der Größe des benötigten Objektivs verbunden. Um Smartphones schlank und kompakt zu halten, werden kleine Objektive benötigt, die wiederum kleine Sensoren erfordern. Obwohl kleine Sensoren technisch Nachteile haben können, haben Fortschritte in der Sensortechnologie ihre Leistung in den letzten Jahren erheblich verbessert.
Frage: Spielt die Beugung bei kleinen Handy-Sensoren eine größere Rolle?
Antwort: Die Auswirkung der Beugung hängt von der f-Zahl ab. Wenn man verschiedene Sensorgrößen bei gleicher Tiefenschärfe vergleicht, ist die Beugungs-MTF unabhängig von der Sensorgröße. Bei gleicher f-Zahl wird die MTF im betrachteten Bild jedoch umgekehrt proportional zum Crop-Faktor skaliert, was bedeutet, dass die Beugung bei kleineren Sensoren, die auf dieselbe Größe vergrößert werden, sichtbarer werden kann.
Frage: Was ist die 'aktive Fläche' des Sensors?
Antwort: Die aktive Fläche ist der Bereich des Sensors, der tatsächlich zur Bilderfassung in einem bestimmten Modus verwendet wird. Sie kann kleiner sein als die gesamte Sensorfläche und hängt vom Seitenverhältnis des Bildes und der Anzahl der verwendeten Pixel ab. Die aktive Fläche bestimmt zusammen mit der Brennweite den tatsächlichen Bildwinkel.
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