Grundlagen: Sensor 1x1 oder warum ein Smartphone niemals eine sehr gute Kamera sein kann

18.07.2019 von Rudi Schmidts



Die Urlaubszeit hat mal wieder Deutschland fest im Griff und damit stellt sich auch oft ein weiteres mal die Frage, ob man neben dem Smartphone eigentlich noch eine andere Kamera mit in den Urlaub nehmen sollte.

Camcorder und Kompaktkameras nicht mehr gefragt

Schaut man sich die Verkaufszahlen der letzten Jahre an, so ist die Frage eigentlich schon beantwortet. Denn den Camcorder - früher ein höchst relevantes Ferien-Untensil - gibt es als Geräteklasse fast gar nicht mehr und auch die typischen, kompakten Urlaubs-Knipsen mit fest verbautem Objektiv sind praktisch von jeder Mitnahmeliste verschwunden.

Geknipst und gefilmt wird heute überwiegend mit dem Smartphone. Und das mit einer Qualität, die viele Anwender offensichtlich mehr als ausreichend empfinden. Zumindest als so gut, dass man für die eigenen Bedürfnisse keine separate Kamera und keinen zusätzlichen Camcorder mehr benötigt.

Die miniaturisierten Kameras in Smartphones sind vielen Anwender gut genug...
Die miniaturisierten Kameras in Smartphones sind vielen Anwender gut genug...

Smartphones nicht mal schlecht - bis auf die Dynamik

Realistisch betrachtet ist die Bild- und Filmqualität, die bereits Mittelklasse-Smartphones heute erreichen tatsächlich so gut, wie der Großteil aller früher verkauften Knipsen und Camcorder. Denn letztere hatten in der Regel kaum größere Bildsensoren verbaut, als sich heute in Smartphones finden.

Doch in einem wichtigen Bereich ziehen auch heute noch Smartphones immer den kürzeren. Und zwar bei der Dynamik bzw. der damit verbundenen Lichtempfindlichkeit. Diese hängt unweigerlich mit der Größe der Sensel zusammen, also der einzelnen, lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor, aus denen später die einzelnen Pixel eines digitalen Bildes berechnet werden.

Je größer die Senselfläche, desto mehr Licht kann es aufnehmen

Dabei gilt eine unumstößliche, physikalische Grundregel: Je größer ein Sensel ist desto mehr Licht kann es aufnehmen. Die Größe der Fläche steht dabei im direkten Verhältnis zur maximalen Lichtmenge, die ein Sensel erfassen kann, bevor es überläuft (sog. FullWell, allgemein auch als Clipping bezeichnet).

Wenn man theoretisch davon ausgeht, dass alle Sensoren auf der gleichen Technologie basieren, dann kann man sehr leicht die Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit aus der Senselgröße herleiten. Ein paar einfache Sätze sollten dies verdeutlichen:

Ein Sensel mit 1,4 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (1,4x1,4≈) 2µm².

Ein Sensel mit 2 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (2x2≈) 4µm².

Ein Sensel mit 2,8 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (2,8x2,8≈) 8µm².

Ein Sensel mit 4 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (4x4≈) 16µm².

Ein Sensel mit 5,6 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (5,6x5,6≈) 32µm².

Ein Sensel mit 8 µm Kantenlänge besitzt eine Fläche von (8x8≈) 64µm².

Warum haben wir dies in aller Ausführlichkeit so ausgeschrieben? Weil einem aufmerksamen Beobachter an dieser Reihe vielleicht einiges auffallen könnte.

Zuerst einmal entsprechen die Kantenlängen genau den typischen Blendenangaben auf einem Objektiv-Ring.

!

Gleichzeitig kann man sehen, dass sich die quadrierten Kantenlängen mit jeder Zeile verdoppelt haben. Diese Quadrate entsprechen der Fläche eines Sensels. Und diese Fläche steht wiederum in einem festen Verhältnis zur maximalen Lichtaufnahme.

Tatsächlich nimmt (bei ansonsten gleichen Parametern) ein Sensel mit doppelter Fläche auch doppelt so viel Licht auf. Und das entspricht wiederum genau der Definition einer Blendenstufe!

Wie groß sind typische Sensel?

Zur weiteren Einordnung sind diese gezeigten Werte ebenfalls hilfreich: Ein aktuelles Smartphone hat meistens Senselkanten im Bereich von 1,4 µm. Eine typische 24 Megapixel APS-C/S35 Kamera besitzt dagegen meist Senselkanten von fast 4 µm. Spezielle S35 Sensoren mit nativer 4K-Auflösung haben meist Kanten um die 5,6 µm. Und Dynamik/Low-Light Monster wie die Sony A7s oder die ARRI Alexa haben Senselkanten um die 8 µm.

Schon ein Blick auf diese Senselkanten erklärt damit unsere Eingangsfrage: Ohne auch nur einen Testbericht gelesen zu haben, darf man daher mit Sicherheit annehmen, dass eine 24 MP-APS-C Kamera fast drei FullWell-Blendenstufen lichtstärker ist, als ein Smartphone mit 1,4µm Senseln.

Drei Blendenstufen klingen nun nicht unbedingt viel, sind aber enorm, wenn man bedenkt, dass sich der Vorsprung einer teuren und speziellen Cinekamera gegenüber einer normalen Kamera heutzutage meist durch gerade mal eine FullWell-Blendenstufe auszeichnet.

Die physikalische Hürde der kleinen Sensel werden Smartphones niemals überwinden können, weil sich aufgrund ihrer Bauform kaum größere Sensel ohne drastischen Auflösungsverlust in die kleinen Gehäuse einbauen lassen.

Smartphone Sensoren können gerätebedingt nicht größer werden.
Smartphone Sensoren können gerätebedingt nicht größer werden.

Mehr Dynamik durch digitale Eingriffe

Doch auf der anderen, dunklen Seite der Dynamik liegt das Rauschen und diese "Hürde" lässt sich verschieben. Allerdings nicht in einem Sinne, der Qualitäts Puristen befriedigt.

Hier lässt sich vor allem mit allerhand digitalen Tricks das Rauschen reduzieren, was die Dynamik auf dem Papier zwar erhöht und dunkle Bilder deutlich ansehnlicher machen kann. Allerdings "erfinden" Smartphones hier mittlerweile einiges hinzu. Man bekommt also ein besseres Bild, das jedoch zu immer größeren Teilen einer digitalen Erfindung entspricht.

Bei einem Urlaubsfilm darf man sich dann fragen, ob er wiedergibt wie es wirklich war, oder wie es idealerweise aussehen hätte sollen. Letzteres werden Smartphones in Zukunft immer besser hinbekommen, als wirklich "gute" Kameras...

   

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