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Photowissen

Praxisbetrachtung der Größen Dynamikbereich, Empfindlichkeit, Full Well Capacity und Pixelfläche

Ein wichtiger Faktor in der Kameraleistung bei hohen Empfindlichkeiten ist die Fähigkeit ausreichend viel Licht einzufangen. Kleine Pixel haben genau damit ein Problem. Die direkte Auswirkung der Anzahl eingefangener Photonen ist der Konversionsfaktor, mit dem sie in Datenwerte verwandelt werden. Die Marke von 1 Elektron pro Datenwert wird als Unity Gain bezeichnet. Sobald der Konversionsfaktor darunter fällt, ist es sinnlos die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen, denn das verringert den Dynamikbereich nur immer weiter, ohne daß ein schwächeres Signal aufgezeichnet wird. Bei der Kompaktkamera Canon S70 tritt Unity Gain bei rund ISO 100 ein. Bei der Vollformat DSLR Canon 1D Mark II dagegen erst bei gut ISO 1300. Das bedeutet, daß die Spiegelreflex 13 mal empfindlicher ist. Dieser Faktor findet sich auch in den Pixelgrößen wieder. Bei der S70 beträgt dieser 2,3 µm, bei der 1D MK II 8,2 µm. Das Verhältnis der daraus resultierenden Flächen ist (8,2*8,2)/(2,3/2,3) = 13.

Aus diesen Gründen stellen Dynamikbereich und Pixelmaß ein eng miteinander verbundenes Wertepaar dar. Seine Eckwerte leiten die Hersteller aus einem Kompromiss zwischen Signal-Rausch-Abstand auf der einen und allgemeiner Sensorgröße und Kosten auf der anderen Seite ab. Aber wie das bei Kompromissen halt ist, schmeckt eine solche Abwägung nicht immer jedem.

Die Größe der Pixel bzw. ihre Fläche ist also der Schlüssel zu einem großen Dynamikbereich und einem guten Signal-Rausch-Verhältnis. Je größer der Sensor ist, umso weiter können die einzelnen Pixel voneinander entfernt sein und mit zunehmender Entfernung sinkt bis zu einer gewissen Optimaldistanz der Anteil der Leckströme zwischen ihnen und damit vermindert sich das Rauschen. Und je größer der Sensor ist, umso größer können auch die einzelnen Pixel sein. Das ist noch wichtiger, denn je größer ein Pixel ist, umso mehr Photonen kann er während einer gegebenen Belichtung einfangen. Mehr Photonen bedeuten bei gleichbleibendem Rauschpotential der Restelektronik ein größeres Nutzsignal und deswegen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. So ergibt sich für Sensoren im vollen Kleinbildformat eine optimale Pixelgröße zwischen 8 und 9 µm.

Abb. 1 Darstellung des Zusammenhangs zwischen Pixelgrösse und Stärke des Ausgabesignals

Warum folgen die Hersteller der Maxime möglichst großer Pixel nicht bei allen Modellen? Heutzutage sind die Produzenten bestrebt eine möglichst große Anzahl an Pixeln pro Chip zu erreichen, um sich mit hohen Megapixel-Angaben schmücken zu können, die sich plakativer vermarkten lassen als ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis mit dem nur wenige Gelegenheitsknipser etwas anzufangen wissen. Um dies zu erreichen, muss entweder der ganze Sensor wachsen oder die individuellen Pixel müssen kleiner werden. Schließlich entspricht die Sensorgröße der Pixelanzahl multipliziert mit deren Größe. Je größer die Sensoren, umso geringer ist aber die Ausbeute brauchbarer Exemplare in der Produktion und umso teurer wird die Herstellung. Des weiteren erfordert ein größerer Sensor auch eine größere Optik und ein allgemein größeres Kameragehäuse, das die potentiellen Käufer tendenziell weniger anspricht. Aus diesen Gründen sehen wir heute bei den digitalen Point-and-Shot Kameras bis zu 12 Millionen Pixel auf einem 1/1,8“ Sensor, obwohl daraus Pixelgrößen weit unter 2 µm und alle damit verbundenen Nachteile resultieren. Am anderen Ende der Skala stehen digitale Spiegelreflexkameras mit Vollformat-Sensoren und Pixelgrößen zwischen 6 und 9 µm, die das theoretisch Mögliche nahezu ausnutzen.

Sofern Sie also beim Kauf einer Digitalkamera im Rahmen Ihrer Preis- und Ausstattungsvorstellung die Wahl haben zwischen zwei Modellen mit unterschiedlichen Sensorgrößen, sagen wir mal 5 Megapixel auf einem 1/2,5“ Chip bei Modell A bzw. auf einem 1/1,8“ Chip bei Modell B, sollten Sie die zuerst genannte Kamera wählen, da sie mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit qualitativ bessere Aufnahmen liefert.