Farben. Er nimmt die Intensität der Lichtwellen, die durchs. mehr interpoliert, als im Grün-Bereich. für charged coupled device (deutsch = ladungs-

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1 Sensortechnik Sensortypen Aufteilung liegt darin, dass das menschliche Auge Der Bildsensor übernimmt bei einer Digitalkamera auf grün empfindlicher reagiert als auf die anderen die Funktion des Films der klassischen Fotografie. Farben. Er nimmt die Intensität der Lichtwellen, die durchs Jeder Bildpixel liefert nur Informationen für eine ein- Objektiv einfallen, auf und wandelt sie anschlie- zige Farbkomponente an dieser Stelle, so dass für ßend in elektrische Impulse um. Im Anschluß ein vollständiges Bild die benachbarten Pixel der- daran digitalisiert ein Analog-Digital-Wandler diese selben Farbe zur Farbinterpolation herangezogen Impulse in die binären Werte 0 und 1. werden müssen. Dabei wird durch die unterschied- Als Sensoren kommen Halbleiterdetektoren in liche Häufigkeit der Filter im Rot- und Blau-Bereich CCD- oder CMOS-Technik zum Einsatz. CCD steht mehr interpoliert, als im Grün-Bereich. für charged coupled device (deutsch = ladungs- Bei CCD-Sensoren mit Bayer-Mosaikfarbfilter kommt gekoppeltes Bauteil ), CMOS ist die Abkürzung es bei rot und blau, aber auch noch bei grün, durch für complementary metal oxide semiconductor. Abtastfehler zu Farbrändern. Besonders bei feinen CMOS-Sensoren für digitale Kameras werden auch Mustern fällt dies deutlich ins Auge. als Active Pixel Sensor (APS) bezeichnet. Es gibt bei CCD-Chips zwei verschiedene Verfahren die analogen Informationen in digitale CCD Sensoren um zu wandeln. Das One-Shot-Verfahren und das Das Prinzip des CCD-Chips wurde 1969 in den Bell One-Shot-Three-Chip-Verfahren. Laboratories entwickelt. Auf dem Sensor befinden Das One-Shot-Verfahren wird überwiegend bei sich winzige Silizium-Fotozellen, die auf Lichtein- Kom paktkameras eingesetzt. Der Interferenzfilter strahlung mit elektrischen Impulsen reagieren. ist dabei auf eine Glasscheibe aufgedampft und Allerdings kann der CCD-Chip nur hell und dunkel befindet sich vor dem CCD-Chip. Er läßt nur Licht unterscheiden. Um Farbinformatio nen zu erhalten, eines bestimmten Wellenlängenbereiches durch. werden vor den Zellen Interferenzfilter in einer der Durch Verwendung unterschiedlicher Filter wird drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. das Licht in seine Anteile rot, grün und blau zer- Die Filter sind in den ungeraden Zeilen in der Folge legt (RGB). Die Trennung der Grundfarben erfolgt Rot-Grün und in den geraden Zeilen in der Folge unmittelbar auf dem Chip. Allerdings benötigt man Grün-Blau angeordnet. auf diese Weise für jeden darzustellenden Bildpunkt Der heute am häufigsten eingesetzte CCD Sen- drei Sensoreinheiten des Chips (für jede Grundfarbe sortyp ist der Bayer Sensor. Dieser Sensortyp ist, einen). Nachteil dieses Verfahren sind Einbußen in ähnlich einem Schachbrett, mit einer Matrix aus der Farbtreue und Detailzeichnung, da immer drei Farbfiltern überzogen, die zu 50% aus Grün, und je Pixel das Ausgangsmaterial für einen einzigen Bild- 25% aus Rot und Blau besteht. Der Grund für diese punkt liefern. Diese Probleme können mit dem One-Shot-ThreeChip-Verfahren nahezu umgangen werden. Hier spaltet ein Prismensystem das einfallende Licht spektral auf und lenkt es auf drei separate Sensoren. Für jede Grundfarbe ist also ein kompletter Sensor zuständig, was die qualitätsmindernde Farbinterpolation des One-Shot-Verfahrens überflüssig macht. Daher werden Kameras, die dieses Verfahren nutzen, auch Multi-Chip-Kameras genannt. Nachteilig ist allerdings die hohe Komplexität des Verfahrens. Bayer-Matrix 10

2 CMOS Sensoren Ed[ I^ej L[h\W^h[d Ed[ I^ej J^h[[ 9^_f L[h\W^h[d Vergleich von One-Shot- und One-Shot-Three-Chip-Verfahren B_Y^j B_Y^j ) 99:#I[dieh[d B_di[ B_di[ ' 99:#I[dieh c_j ) <_bj[hd CMOS-Sensoren findlichkeiten bis zu 6400 möglich! Und das wird CMOS-Sensoren verbrauchen deutlich weniger erreicht ohne das hohe Bildrauschen, wie es bei Strom (nur rund 10% eines CCD-Chips) und können analogem Filmmaterial unumgänglich war. schneller ausgelesen werden. Die Auslesesteuer- In der Anfangszeit der digitalen Fotografie traten bei ung und teilweise auch Funktionen der Bildverar- CCD-Sensoren weniger Störungen im Bild, das so beitung können direkt auf dem Sensor integriert genannte Bildrauschen, auf und sie konnten Licht werden. effizienter nutzen. Heute bietet die CMOS-Technik Aktuell kommen CMOS-Sensoren in den digitalen jedoch bessere Ergebnisse als CCD-Sensoren. Spiegelreflexkameras von Canon zum Einsatz. In Die CMOS-Technologie bietet beste Voraussetzun einem CMOS-Sensor befindet sich in jedem ein- gen für großformatige Sensoren. Die Halbleiterfer- zelnen Bildelement ein Verstärker, der die bei der tigung ist für Belichtungen auf Siliziumscheiben im Belich tung angesammelten Elektronen in Span- APS-C Format ausgelegt. Die Herstellung größerer nung umwandelt und dem Prozessor zur Verfügung Chips erfordert nebeneinander angeordnete Belich- stellt. Da die Elektronik direkt das Spannungssignal jedes einzelnen Pixels auslesen kann, wird das sogenannte Blooming deutlich verringert. Als Bloom- Verbesserte Lichtausbeute bei CMOS Sensoren ing bezeichnet man einen Effekt, der auftritt, wenn überbelichtete Zellen überschüssige Ladung an benachbarte Zellen weitergeben. Dadurch verschwinden feine Abstufungen und das Bild verliert an Kontrast. Besonders bei starker Sonneneinstrahlung kann dieses Blooming auftreten. Da CMOS-Sensoren sehr schnell ausgelesen werden können, bieten sie deutliche Vorteile hinsichtlich der kamerainternen Verarbeitung der Bilddaten. Auch in der Fertigung sind CMOS-Chips wesentlich günstiger als CCD-Chips. War anfangs die Lichtempfindlichkeit von CMOSSensoren im Vergleich zu CCD-Chips geringer, hat sich dies inzwischen völlig umgekehrt. Mit CMOS-Sensoren, wie sie in Canons digitalen Spiegelreflexkameras eingesetzt werden, sind ISO-Emp- 11

3 Canon CMOS-Technologie tungen und das ist mit CMOS relativ unproblema- 12 zusammen mit dem Lichtsignal. Anschließend kann tisch machbar. das Rauschsignal vom kombinierten Signal subtra- Größere Sensoren haben eine größere lichtemp- hiert werden. Das klingt einfach, ist aber Ergebnis findliche Fläche und verhalten sich unkritisch im jahrelanger Forschungsarbeit. ladungstechnischen Grenzbereich. So ist die Fläche Das weisse Rauschen kann hingegen nicht und damit das Lichtvolumen des Canon CMOS-Sen- durch sors 7,5mal größer als bei DSC. Ein größerer Sensor den. Es wird hervorgerufen durch flimmerndes bedeutet eine höhere Lichtausbeute. Das höhere Licht oder thermisches Rauschen und erscheint Lichtvolumen sorgt für einen ausgezeichneten auf verschiedenen Pixeln zu unterschiedlichen Rauschabstand und höhere Farbdynamik. Aufnahmezeitpunkten. Bei Canon CMOS-Sensoren gehört das Bildrauschen Ansatzpunkt zur Behebung dieses Problems ist der Vergangenheit an. Die CMOS-Sensoren nutzen die Ladungsübertragung der Sensorelemente. Bei patentierte Technologien, um typische Probleme früheren Sensoren blieb immer eine Restladung im der Lichtsensortechnik zu eliminieren. Sensor zurück, da die Sensorelemente nie vollstän- Ein bekanntes Problem ist beispielsweise das fest dig entladen wurden, was zu einer unregelmäßigen stehende Störmuster (Fixed-Pattern Noise). Ladungsübertragung, selbst bei gleichen Licht- Es erscheint immer an den gleichen Pixeln zu ver- werten führt. Durch eine patentierte Technologie schiedenen Aufnahmezeitpunkten und wird her- wird bei Canon CMOS-Sensoren eine vollständige vorgerufen durch so genannte Dunkelstromfehler Entladung der Sensorelemente durchgeführt und oder unregelmäßige Konverter an den Pixeln. Dun- somit verhindert, daß das weisse Rauschen über- kelstromfehler sind das Ergebnis von Kristallschä- haupt auftritt. Es handelt sich also weniger um eine den durch eingelagerte Schwermetallteilchen im Rauschunterdrückung, sondern eher um ein Ver- Halbleiter. hindern der Ursache für thermisches Rauschen. Die Korrektur erfolgt bei Canon CMOS-Sensoren Sensoren der zweiten Generation nutzen einen durch Rauschunterdrückung auf dem Chip. Dabei zusätzlichen zweiten Schaltkreis, der nach der On- wird ein Signal von zwei Stromkreisen ausgelesen, Chip-Rausch unterdrückung das Signalrauschen zunächst nur das Rauschen, dann das Rauschen noch mals reduziert, bevor das Signal für die Wei- On-Chip-Technologien eliminiert wer-

4 tergabe verstärkt wird. Dies wirkt sich insbesondere bei hoher ISO-Empfindlichkeit positiv auf das Bildergebnis aus. Aber auch Staub auf einem Sensor kann zu einem Problem werden. Staubteilchen lagern sich auf dem Tiefpassfilter an und sind auf Bildern als Schatten sichtbar. Besonders deutlich treten die Bildartefakte bei Verwendung kleiner Blenden hervor, da die Lichtstrahlen stärker gebündelt werden und die Schärfentiefe sowohl objektseitig als auch bildseitig größer ist. Digitale Canon Spiegelreflexkameras nutzen das EOS Integrated Cleaning System, um dieses Problem zu lösen. Dazu gehen sie in vier Schritten vor: - Staub minimieren Alle noch verbliebenen Staubteilchen, die nicht - Staub abstoßen abgeschüttelt werden konnten, können schließlich - Staub vom Sensor entfernen und auffangen mit Hilfe der Dust Delete -Funktion der Canon - Staubreste erkennen und über Canon DPPSoftware entfernen Digital Photo Professional Software (DPP) entfernt werden. Dazu wird eine Testaufnahme mit weißem Bei einem Objektivwechsel kann Staub in das Hintergrund erstellt. Die Software erfasst die Positi- Kameragehäuse eindringen oder sogar im Gehäu- on der Staubteilchen ( Staublöschungsdaten ), und se selbst erzeugt werden. Daher werden staubre- nutzt diese Information für die anschließende Stau- sistente Materialien und Bauelemente eingesetzt. bentfernung bei späteren Aufnahmen. Um Staub vom Sensor abzustossen wird der Tiefpassfilter mit einer antistatischen Beschichtung versehen. Eine Sensorreinigungseinheit entfernt mit hochfrequenten Schwingungen den Staub vom Sensor. Aufbau des Canon EOS Integrated Cleaning Systems F_[p e[b[ F^W i[d c[d j :_Y^ jkd] Bem FWi i IjWk fbwj Bem FW 9CE ii <_bj[ I I[ h ( die h j[ ih_d ] X\Wd <_bj[ h ' ][_d ^[_j 13

5 Auflösung und Bildformat Typische Bildauflösungen und Seitenverhältnisse in der Digitalfotografie Auflösung Verhältnis Pixelanzahl rechnerische Druckgröße (cm) bei 150 dpi 300 dpi Kompaktkameras 7,1 MP x x 19 8 MP x x MP Spiegelreflexkameras 6 MP x : x 34 25,5 x 17 8 MP 3456 x : ,5 x x 19,5 3:2 10 MP 3888x x x 22 12,4 MP 4368 x :2 VF* x x 27 16,7 MP 4992x3328 3:2 VF* ,5 x x 28 21,1 MP 5616x3744 3:2 VF* x 63,5 47,5 x 31,7 Scan-Rückteile 12 MP x x MP x x 34 * = Vollformatsensor 24 x 36 Auflösung, Pixelanzahl und Bildformat 14 In direktem Zusammenhang mit den Sensoren steht bei. Der Blick richtet sich jetzt mehr auf die wesent- die erreichbare Bildauflösung. Für viele Anwender lichen Qualitätskriterien. scheint die Auflösung das entscheidende Kriterium Was sagen nun eigentlich Informationen zur Auflö- bei der Beurteilung einer digitalen Kamera zu sein. sung einer digitalen Kamera wirklich aus? Dabei bleibt oft genug die eigentliche Bildqualität Zunächst einmal muß man wissen, daß der Begriff auf der Strecke. Mehr Pixel heißt nämlich keines- Pixel im Zusammenhang mit einer Digitalkamera wegs, daß eine Kamera auch bessere Bilder liefert. die Farbpunkte des Sensors und nicht die ebenfalls Entscheidend ist eher das optimale Zusammenspiel Pixel genannten Bildpunkte des späteren digitalen aller technischen Elemente, sowie der Steuerungs- Bildes bezeichnet. Die Angabe zur Auflösung findet und Bildverarbeitungssoftware. Nicht die Quantität sich meist in zwei Formen. Zum Einen als Mega- der Pixel, sondern erst die Qualität ihrer Verarbei- pixel, womit die Gesamtheit der Bildpunkte eines tung liefert die hervorragenden Ergebnisse, die wir Sensors angegeben wird. Zum Anderen wird oft die so gerne bestaunen. Anzahl der Bildpunkte pro Spalte und Zeile angege- Natürlich ist eine bestimmte Anzahl an Pixeln auf ben, also z.b x 768 Pixel. Diese Angabe findet dem Sensor wichtig, um eine benötigte Auflösung man beispielsweise im Programmmenü der Kame- zu erzielen, die beispielsweise für die Druckausga- ra und hat den Vorteil, daß man eine Vorstellung be gebraucht wird. Aber für die visuelle Qualität und von Breite und Höhe des digitalen Bildes bekommt. Schärfe eines Bildes ist die Auflösung kein geeig- Dabei ist zu bedenken, dass das Format des Sen- netes Kriterium. sors sich eher an den typischen Bildschirmfor- Die Megapixel-Schlachten vergangener Jahre, maten orientiert und nicht am klassischen Format bei denen sich die Hersteller digitaler Kameras mit des Kleinbildfilms. Dieser hat ein Seitenverhältnis immer höheren Angaben zur Megapixel-Auflösung von 3:2, ein typischer CCD-Sensor jedoch besitzt ihrer Modelle übertreffen wollten, sind gottlob vor- ein Seitenverhältnis von. Neuere Modelle bieten

6 iknzwischen auch Seitenverhältnisse von 3:2 und auch 16:9 an. Die Tabelle auf der vorherigen Seite gibt einen Überblick über typische Pixelmaße digitaler Kameras. Will man nun eine One-Shot-Kamera mit BayerMatrix mit einer Kamera vergleichen, die nach dem One-Shot-Three-Chip-Verfahren arbeitet, teilt man die Menge der Kamerapixel durch drei (je ein Pixel pro Grundfarbe RGB) und multipliziert anschließend mit zwei. Das bedeutet, eine One-Shot-Kamera mit 6 MP generiert effektiv 4 Millionen Bildpixel und nicht 6 Millionen, wie die Bezeichnung 6 Megapixel vemuten liesse. Bei 3-Chip-Kameras stimmt die Pixelangabe in der Regel mit der Zahl der Bildpunkte überein. 6 Millionen Pixel würden in etwa Testtafel zur Feststellung der realen Auflösung einer digitalen Kamera dem Auflösungsvermögen eines Kleinbilddiafilms bei Empfindlichkeit ISO 100 entsprechen. chenden Empfindlichkeit eines analogen Films. Je Welche Auflösung eine Kamera jedoch in der Praxis nach Sensorgröße kann es bei Kompaktkameras tatsächlich leistet, muss im Labortest festgestellt vorkommen, daß bereits bei ISO 200 ein starkes werden. Dort wird gemessen, wieviele Linien einer Bildrauschen entsteht, das eine digitale Spiegelre- Testtafel das Modell beim Fotografieren tatsächlich flexkamera erst bei ISO 400 oder gar 800 erreicht. unterscheiden kann. Wie beim analogen Filmmaterial steht die Auflö- Schärfe sung auch bei digitalen Kameras in Verbindung Als Schärfe bezeichnet man in der Fotografie die mit der eingestellten Lichtempfindlichkeit (ISO). Je Fähigkeit eines optischen Systems, ein Objekt höher die Lichtempfindlichkeit desto niedriger die detailgenau abzubilden. Dabei läßt sich der Schär- Auflösungsfähigkeit. Höhere Lichtempfindlichkeit feeindruck eines Fotos mathematisch nicht exakt des Mate rials wird etwa bei schlechter oder diffuser beschreiben. Neben dem Auflösungsvermögen Beleuchtung benötigt, oder beim Fotografieren mit des optischen Systems sind der Kontrastumfang großen Teleobjektiven, die eine geringere Lichtstär- und die Konturenschärfe, also die Detailgenauig- ke besitzen als Normalobjektive. keit, wichtige Kennzeichen für visuelle Schärfe. Für Mit steigender Empfindlichkeit sinkt die Farbtreue die meisten Anwendungen in der Fotographie ist und man muß mit Einbußen beim Kontrastumfang das menschliche Wahrnehmungsvermögen der rechnen. Gerade im Bereich der Kompaktkameras verbindliche Qualitätsmaßstab. werden, um die Produktionskosten für die Bildsen- Die Menge der Pixel, also die Auflösung, ist nur soren zu senken, immer mehr Pixel auf immer bedingt für Schärfe verantwortlich. Eine große kleineren Chips plaziert. Das bedeutet, die Pixel Anzahl von Pixel ist prinzipiell nur notwendig, um werden kleiner, können daher weniger Licht einfan- großformatige Abzüge drucken zu können. Visuelle gen und führen so zu höherem Bildrauschen. Schärfe entsteht durch ein optimales Zusammen- Da viele digitale Spieglereflexkameras größere spiel von Sensortechnik und optischer Technik. Ent- Sensoren nutzen, entsprechen die realen Emp- scheidend für die Bildqualität ist der Teil der Kamera, findlichkeiten hier im Großen und Ganzen den der die Abbildung auf der Chip-Fläche erzeugt, vorgenommenen Einstellungen, d.h. eine Einstel- nämlich das Objektiv. Das gilt für digitale Kameras lung von ISO 100 ist vergleichbar mit der entspre- in gleichem Maße wie für analoge Filmkameras. 15