Pixelgröße in Kamerasensoren: Warum ist das wichtig?

Der Trend zu mehr Megapixeln im Kameras hat wieder zugenommen. Wichtiger für gute Bilder ist aber eine andere Kennzahl: Die Pixelgröße.

Pixelgröße in Kamerasensoren: Warum ist das wichtig?

Kurze Antwort: Größere Pixel können in kurzer Zeit mehr Lichtelemente aufnehmen und dem Bildprozessor damit genauere Helligkeits- und Farbinformationen liefern. Eine höhere Pixelgröße sorgt damit für besser belichtete Bilder und weniger Bildrauschen.

Ausführliche Antwort:

Pixelgröße: Größer ist besser

Seit geraumer Zeit übertrumpfen sich die Hersteller von Digitalkameras und vor allem Smartphones wieder mit Megapixeln. Dabei gibt es wichtigere Faktoren für ein gutes Bild. Es sollten nicht zu wenige Pixel sein, das ist richtig. Denn Bilder werden sonst im wahrsten Sinne des Wortes pixelig, wenn ihr sie auf einem großen Bildschirm anzeigt oder auf Papier ausdruckt.

Beispiel für ein pixeliges und gleichzeitig rauschendes Bild.

Aber ab einer gewissen Anzahl ist mehr nicht unbedingt besser, ja sogar nachteilig. Denn je mehr Pixel sich auf einem Bildsensor tummeln müssen, desto kleiner werden sie. Und je kleiner sie werden, desto weniger Lichtteilchen können sie in der oft sehr kurzen Belichtungszeit aufnehmen.

Stellt euch das vor wie eine Mauer aus 10.000 kleinen Ziegeln, die ihr mit einem Gartenschlauch besprengt. Wenn ihr jedem einzelnen Ziegel ein paar Tropfen zukommen lassen wollt, dann braucht ihr dafür sehr viel Zeit. Besteht eine Mauer gleicher Größe nur aus 4 riesigen Ziegelsteinen, dann steigt die Chance enorm, dass auf jeden der vier in kurzer Zeit zumindest ein paar Tropfen niederregnen.

Je mehr Licht jedes Pixel erhält, desto genauere Informationen über Helligkeit und Farbwerte kann es an den Bildprozessor liefern. Der Prozessor errechnet die genauen Farb- und Helligkeitswerte mit Hilfe der benachbarten Pixel. Je besser die ihm vorliegenden Informationen, desto detailreicher wird das Bild.

Wenig Licht, mehr Rauschen

Viele kleine Pixel, die nur wenig Licht erhalten, „verwirren“ den Bildprozessor. Er erhält zu wenig Informationen, um das Bild zu berechnen und muss gegensteuern. Das tut er im Automatikmodus für gewöhnlich, indem er entweder die Belichtungszeit erhöht. Doch dann verwackeln eure Bilder schneller.

Dieses Bild entstand in Dunkelheit. Die Kamera hatte Schwierigkeiten, die richtigen Farbwerte zu ermitteln und Erschütterungen der Langzeitbelichtung auszugleichen.

Oder er setzt die Empfindlichkeit herauf. Die einzelnen Pixel reagieren dann schon auf weniger Licht. Dabei steigt allerdings die Gefahr, dass die Pixel überreagieren, eigentlich wenig helle Bereiche überbetonen und sich Störungen einschleichen. Indem der Prozessor in seinen Berechnungen die teils ebenfalls fehlerhaften, benachbarten Pixel noch mit heranzieht, verrechnet er sich auf größerer Fläche. Bildrauschen ist die Folge.

Kein gänzlich misslungenes Bild. Schaut ihr genau hin, erkennt ihr Sterne und ein Herz, aber unten links auch einen verrauschten Vordergrund. Kamera und Künstliche Intelligenz hatten bei wenig Licht offenbar Mühe, die richtige Farbinformation zu ermitteln.

Das könnt ihr wiederum mit einem Radiosender vergleichen, der nur ganz schlechten Empfang hat. Um besser zu verstehen, was die Sprecherin oder der Sprecher sagen, dreht ihr die Lautstärke auf. Lauter wird damit allerdings auch das Rauschen.

Was ist ein Pixel?

Ein Pixel ist eine winzig kleine Bildfläche, und die Größe dieser Fläche kann sehr unterschiedlich sein. Das Wort „Pixel“ ist ein Kunstwort, zusammengesetzt aus den englischen Begriffen picture (pix) und element.

In CMOS-Sensoren, die in Fotokameras zum Einsatz kommen, sind damit winzige, lichtempfindliche Flächen gemeint, die auf Photonen reagieren. Anders als die unglücklich gewählte Übersetzung vermuten lässt, sind Pixel in Kamerasensoren keine runden Bildpunkte, sondern quadratische Flächen, die dank eines vorgeschalteten Filters unterschiedlich stark auf rotes, grünes oder blaues Licht reagieren. Besser wäre die Bezeichnung Bildzelle.

Funktion eines Bayer-Filters, der Licht nur einer Farbe an das dahinterliegende Pixel durchlässt. Vier Kästchen ergeben ein Pixel. Bild: Cburnett und CC-Lizenz BY-SA 3.0

Ihre Informationen geben die einzelnen Zellen in Form elektrischer Impulse an den Bildprozessor weiter.

Es ist wichtig, dass ein Kamerasensor über viele Pixel verfügt. Denn da jedes von ihnen nur eine der Grundfarben Grün, Rot oder Blau an den Sensor weitergibt, muss dieser die eigentlichen Farbwerte rechnerisch ermitteln. Dabei orientiert er sich für jedes Pixel an den benachbarten Bildzellen.

Selbst gering auflösende Kamerasensoren in Smartphones und Systemkameras verfügen aber meist über Millionen von Pixeln, so dass für gewöhnlich kein Mangel an Farbinformationen besteht.

Sensorgröße und Pixelgröße stehen im Verhältnis

Die Größe eines Pixels hängt allerdings auch von der Größe eines Sensors ab. 18 Megapixel auf einem Smartphone-Sensor ergeben ein dichteres Gedränge und damit kleinere Pixel als 18 Megapixel auf einer Systemkamera mit Vollformatsensor. Denn der ist um ein Vielfaches größer. Für jedes Pixel ist damit mehr Platz.

Kamerasensoren im Vergleich: System- und Spiegelreflexkameras verwenden häufig Vollformat- oder APS-C-Sensoren. In Smartphones kommen kleinere Sensoren zum Einsatz, meist zwischen 1/1.3“ und 1/3“.

Pixelgröße, -menge und Sensorgröße stehen also in einem Verhältnis zueinander.

Ein guter Richtwert für die Sensorgröße ist hier die Zahl von 1 Zoll. Die meisten Spiegelreflex- und Systemkameras haben Sensoren mit größeren Durchmessern; Smartphones kleinere. Gängig sind etwa:

  • Kleinbild-/Vollformatsensoren: knapp 3 Zoll)
  • APS-C-Sensoren: knapp 2 Zoll
  • Micro-Four-Thirds: 4/3-Zoll
  • Edelkompaktkameras: häufig 1 Zoll
  • Kompaktkameras: häufig 1/1.7 oder 1/2.7 Zoll
  • Smartphone-Kameras: etwa 1/1.3 bis 1/4 Zoll

„Zoll“ ist hier übrigens nicht identisch mit der aus Displaygrößen bekannten Angabe „Zoll“, das 2,54 cm entspricht. Das Zoll für Kamerasensoren ist aus historischen Gründen dem Innendurchmesser zölliger Bildaufnahme-Röhren angepasst, der etwa 2/3 des Außendurchmessers beträgt. Weil frühe CMOS und CCD-Sensoren diese Röhren ersetzen sollten, mussten sie genau diese Größe haben. Ein Kamerasensor-Zoll misst demnach 1,59 cm.

Die Pixelgröße gängiger Smartphone-Kameras

Ein paar Beispiele gängiger Smartphone-Kameras um das Jahr 2020/21 herum hinsichtlich Pixelgröße, Pixelmenge und Sensorgröße:

  • Der Hauptsensor des Galaxy S21 Ultra 5G misst 1/1.33 Zoll. Das ist ziemlich groß für den Sensor eines Smartphones. Hersteller Samsung bringt allerdings auch gleich stolze 108 Megapixel hier unter, um den „Space Zoom“ genannten Digitalzoom mit bis zu 100-fach-Vergrößerung zu ermöglichen. Das ergibt eine recht kleine Pixelgröße von 0.8µm.
  • Gleiches Galaxy S21 Ultra 5G bringt außerdem gleich zwei Tele-Linsen mit. Eine davon verwendet eine neuartige Periskoplinse, die 10-fach optischen Zoom erlauben soll. Das Licht trifft hier auf einen nur 1/3,24 Zoll kleinen Sensor. Allerdings belässt es Samsung hier bei 10 Megapixeln und erreicht damit für die Periskopkamera eine Pixelgröße von schon deutlich größeren 1,22µm.

Bedeutet das also, dass die Periskopkamera im Galaxy S21 Ultra 5G weniger rauscht als die Hauptkamera? Die Frage wird spannend zu klären sein. Ein Nachteil des Systems ist nämlich, dass durch die periskopartige Konstruktion nur eine eher kleine Blendenöffnung von f/4.9 möglich ist. Dadurch gelangt deutlich weniger Licht ins System als bei der Hauptkamera (f/1.8).

Samsung Galaxy S21 Ultra 5G: Hauptkamera mit großem Sensor aber geringer Pixelgröße.
Samsung Galaxy S21 Ultra 5G: Hauptkamera mit großem Sensor aber geringer Pixelgröße.

Vergleichen wir damit noch zwei weitere Smartphone-Kameras:

  • Apple iPhone 12 Pro Max: Die genauere Größe des Sensors der Hauptkamera gibt Apple leider nicht bekannt. Er sei um 47 Prozent größer als im Vorgänger, heißt es vom Hersteller. Da der Vorgänger bei 1/2,55“ lag, ergäbe das rechnerisch beim 12 Pro Max eine Sensorgröße von etwa 1/1,7 Zoll. Apple genügen hier 12 Megapixel, sodass mit 1,7µm erstaunlich große Pixel dabei herauskommen.
  • Huawei ist für gewöhnlich für starke Smartphone-Kameras bekannt. Das zum Zeitpunkt unseres Beitrags letzte Flaggschiff der Chinesen, das Mate 40 Pro+ setzt in der Hauptkamera auf einen erstaunlich großen Sensor mit 1/1.28 Zoll Größe. Weil Huawei hier 50 Megapixel einsetzt, sind die Pixel selbst entsprechend kleiner und messen 1,22µm.

Große Pixel sind nur eine Zutat zum Gericht

Nicht zwingend machen größere Pixel bessere Bilder. Es kommt natürlich auch auf die weiteren Eigenschaften der Optik an, und auf die Qualität und Geschwindigkeit des Bildprozessors. Ein Smartphone hat hier die Möglichkeit, auf verschiedene Kerne der CPU zurückzugreifen.

So (ungefähr) sieht ein Bildprozessor wie der Canon Digic 7 aus. Grafik: Canon

Starke Rechenleistung moderner Prozessoren erlaubt dadurch auch immer bessere Mehrfachaufnahmen. Das System nimmt in sehr rascher Abfolge gleich mehrere unterschiedlich belichtete Aufnahmen eines Motivs auf und setzt sie zusammen. Das kann tagsüber den Dynamikumfang erhöhen (HDR) und Nachtaufnahmen taghell erscheinen lassen. Damit kann hohe Rechenleistung einen Teil der Schwäche einer Optik teilweise ausgleichen. Eine höhere Pixelgröße ist aber auch hier vorteilhaft, weil der hier helfenden Künstlichen Intelligenz genauere Grundwerte zur Verfügung stehen.

Pixelgröße von Digitalkameras

Die Pixelgröße der Smartphone-Kameras in unserem Beispiel rangieren also zwischen 0,8 und 1,7µm. Industrielle Kameras können Pixel mit einer Größe von 5, 10 oder noch mehr Mikrometer haben.

Sony Alpha 1: Spiegellose Highend-Vollformatkamera mit 4µm großen Pixeln.

Und „echte“ Fotokameras? Bei Spiegelreflexkameras und spiegellosen Systemkameras ist die Pixelgröße meist höher als bei Smartphones, beginnt etwa bei 2µm und geht hinauf bis über 6µm. Einige Beispiele:

  • Sony Alpha 1: Systemkamera mit Vollformatsensor, 50 MP, Pixelgröße: 4,06µm
  • Nikon Z5: Systemkamera mit Vollformatsensor, 24,3 MP, Pixelgröße: 5,97µm
  • Fujifilm X-E4: Systemkamera mit APS-C-Sensor, 26,1 MP. Pixelgröße: 3,77µm
  • Canon EOS 2000D: Spiegelreflexkamera mit APS-C-Sensor, 24,1 MP. Pixelgröße: 3,72µm
  • Sony ZV-1: Kompaktkamera mit 1-Zoll-Sensor: 20,1 MP, Pixelgröße: 2,41µm

Das dürfte also als Argument ziehen, warum Digitalkameras Smartphone-Kameras in einiger Hinsicht voraus sind. Ihre Pixel sind für gewöhnlich deutlich größer.

Fazit

Größere Pixel erhöhen eure Chance auf eine gute Aufnahme. Damit aber auch wirklich ein gutes Bild dabei herauskommt, kommt es natürlich auf die Gesamteigenschaften einer Kamera an. Solltet ihr aber die Möglichkeit haben, an eine Kamera mit größeren Pixeln zu gelangen, dann nutzt die Gelegenheit! Es dürfte sich auszahlen.

Gelernt habt ihr in diesem Beitrag, dass es bei einer guten Kamera nicht allein auf die Sensorgröße, auch nicht alleine auf die Pixelgröße, aber schon gar nicht auf immer mehr Megapixel ankommt. Es bedarf eines guten Zusammenspiels der drei Werte und weiterer Messgrößen wie lichtstarke Blende und ein leistungsfähiger Bildprozessor.

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