A1/1 Fotografie : Das leisten Smartphone-Kameras

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Anhang

Theoretische und technische Grundlagen

Sensorformat und Vergrößerungsfaktor

Durch die unterschiedlichen Sensorformate wird im Vergleich zum Kleinbildformat, wie in der angefügten Grafik zu erkennen ist, ein Teil der Bildfläche ausgeschnitten. Ein kleineres Format führt folglich dazu, dass bei derselben Brennweite – natürlich in Abhängigkeit von der verwendeten Sensorgröße – ein entsprechend kleinerer Bildwinkel ausgeleuchtet wird. Hierauf beruht auch die scheinbare Verlängerung der Brennweite bei Sensoren, die kleiner als Vollformat-Sensoren sind, obwohl die Brennweite in der Realität identisch ist. Im Volksmund wird das als „Cropfaktor“ bezeichnet. Ein Vorteil kleinerer Sensoren ist, dass Objektive aufgrund der oben erläuterten Tatsache kleiner und leichter werden.

Hinzu kommt die zunehmende Schärfentiefe kleinerer Sensoren, also die Distanz, über die dem Betrachter das Bild scharf erscheint. Bei identischer Blendenöffnung und Brennweite weißt ein kleinerer Sensor eine größere Schärfentiefe auf als der einer Kleinbildkamera. Die sogenannte Freistellung, die gerne in der Portraitfotografie als gestalterisches Mittel genutzt wird, um Objekte im Hintergrund unscharf erscheinen zu lassen, hält sich bei kleinen Sensoren wiederum stark in Grenzen. Dafür ist das Abblenden für das Erreichen einer größeren Schärfentiefe bei kleinen Sensoren kaum bis gar nicht nötig. Vom Cropfaktor des verbauten Sensors hängt – um auf den Punkt zu kommen – eine Menge ab.

Sensorgrößen schematisch gegenübergestellt
Sensorgrößen schematisch gegenübergestellt
Details zu den gängigsten Sensorgrößen
Sensorgröße Bildbreite (in mm) Bildhöhe (in mm) Relative Fläche zu Kleinbild (in %) Bilddiagonale (in mm) Cropfaktor
1/3,2" 4,5 3,4 1,8 5,7 7,6x
1/2,7" 5,37 4,0 1,9 6,7 7,2x
1/2,3" 6,2 4,6 3,3 7,7 5,6x
1/1,7" 7,4 5,6 4,8 9,5 4,6x
2/3" (1/1,5") 8,8 6,6 6,5 11 4x
1" 13,2 8,8 13 15,8 2,7x
4/3" 18,0 13,5 25 21,3 2x
Kleinbild 36 24 100 43,3 1x

Sensorgröße und Megapixel

Ein wichtiger Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl an Pixel, die auf einem Sensor liegen, und dessen Größe. Je kleiner der Sensor ist und je mehr Pixel in ihm stecken, desto kleiner ist jedes einzelne Pixel. Dasselbe gilt natürlich auch umgekehrt.

Die Größe der Sensorzellen ist wiederum ausschlaggebend für das Rauschverhalten des Kamerasensors. Pauschal kann festgehalten werden, dass – bei einer identischen Auflösung – kleinere Sensoren schneller und stärker zu rauschen beginnen als größere, weil auf sie weniger Licht fällt. Das schwache Signal muss dann nachträglich verstärkt werden, was sich durch sichtbares Rauschen bemerkbar macht.

Die fortschreitende Entwicklung sorgt jedoch dafür, dass Sensoren in Zukunft immer weniger rauschen werden. Ein 1/3,2"-Sensor wird aber bei selber Auflösung immer mehr Rauschen verursachen als zum Beispiel ein 4/3"-Sensor.

Beugungsunschärfe

Beugungsschärfe bezeichnet die Schärfeminderung des Fotos verursacht durch die Lichtbeugung. Auf Sensoren mit wenig Megapixel tritt die Beugungsunschärfe bei gleichbleibender Optik deutlich langsamer auf als bei solchen mit viel Megapixel. Das liegt daran, dass Licht, das auf Hindernisse wie etwa auf eine Blende trifft, gebrochen wird. Die so entstehende Lichtbeugung sorgt dafür, dass ein Punkt des Motivs nicht mehr als Punkt auf dem Sensor abgebildet wird, sondern als Kreis, genauer gesagt als Beugungsscheibchen.

Solange diese Scheibe nicht größer als ein Pixel auf dem Sensor ist, wird auf dem Foto keine Beugungsunschärfe zu erkennen sein. Durch eine Erhöhung der Pixel auf einem kleinen Sensor werden diese Zellen jedoch noch kleiner. Die daraus resultierende Folge ist schnell erklärt: Mehrere Pixel zeichnen das Beugungsscheibchen auf und haben den gleichen Inhalt. Mit einem Zugewinn an Details ist nicht mehr zu rechnen, viel mehr mit einer Minderung des Auflösungsvermögens.

Lichtbeugung und die Folgen für den Sensor
Lichtbeugung und die Folgen für den Sensor
Beugungsunschärfe verursacht durch das Schließen der Blende (Quelle: Wikipedia)
Beugungsunschärfe verursacht durch das Schließen der Blende (Quelle: Wikipedia)

Deshalb kommen viele Megapixel, die im wahrsten Sinne des Wortes auf einen kleinen Sensor gequetscht werden, in der Regel nicht zur Geltung und bringen in der Theorie keinen nennenswerten Vorteil gegenüber Sensoren derselben Größe mit weniger Megapixel. Die verwendete Mini-Optik bei Smartphones ist schlicht und ergreifend nicht dazu in der Lage, Sensoren im zweistelligen Megapixelbereich im vollen Umfang aufzulösen. Deswegen übernehmen diverse interne Bildbearbeitungsprozesse den Rest. Dadurch wird die Bildqualität solcher Geräte teils deutlich aufwertet (oder ordentlich verpfuscht).

Das Schließen der Blende würde diesen Effekt wegen der noch stärkeren Beugung des Lichts bei Smartphones übrigens immens verschlimmern, weswegen diese bis auf wenige Ausnahmen ausschließlich mit fixer Offenblende arbeiten. Und trotzdem haben Smartphones ganz erheblich mit dem Problem der Beugungsunschärfe zu kämpfen, was – auch hier wieder salopp gesagt – an verschiedenen Einflussgrößen wie etwa dem Abstand der Linse zum Sensor liegt.

Digitaler und optischer Zoom

Wichtig ist die Differenzierung von digitalem und optischem Zoom: Während der optische Zoom tatsächlich die Brennweite verändert und keine Reduktion der Pixel mit sich bringt, werden beim digitalen Zoom die Pixel mittels Interpolation auf die volle Größe gestreckt, was den Anschein eines optischen Zooms erweckt.

Diese Methode ist aber mit mehr oder minder starken Qualitätseinbußen verbunden. In den meisten Fällen empfiehlt es sich daher, auf den Digitalzoom zu verzichten und den Bildausschnitt später am Computer manuell vorzunehmen. So gesehen arbeiten alle bisherigen Smartphones mit einer Festbrennweite, Ausnahmen wie zum Beispiel das Hybrid-Smartphone Samsung S4 Zoom, das ein integriertes Zoomobjektiv aufweist, bestätigen aber mittlerweile die Regel.