(Oder: Warum kleine Bildsensoren nichts für große Fotos sind)

Just stellte die Firma Sharp einen 1/2,5 Zoll (5,8×4,3 mm) großen Bildsensor mit 8 Megapixel und einem Pixelpitch (Abstand von Pixelmitte zu Pixelmitte) von 1,75 µm vor.

Schon längst hat man das winzige Filmformat von Minox (8×11 mm) mit den digitalen Bildsensoren unterschritten. Und so manche digitale Kamera hat Abmessungen, die sich zwar nicht an der legendären Minox orientieren, wohl aber mit Gehäusegrößen aufwarten, die in die Brusttasche jedes Herrenhemdes passen.

Die Miniaturisierung der elektronisch Bauteile ist sicherlich noch nicht an ein Ende gelangt, doch die Optiken sind schon seit 2003 an ihre fotografisch nutzbaren Grenzen gestoßen, insbesondere wegen der Größe der Linsen. Während sich die Objektive in Kompaktkameras „zusammenfalten“ lassen – die Hinterlinsen werden seitlich ausgeschwenkt, wenn die Optik im Gehäuse verschwindet -, oder auch, man setzt ein Prisma ein, um die Lichtführung „um die Ecke“ zu ermöglichen, stößt der Zwang zur Miniaturisierung an viele Grenzen, eben auch an optisch bedingte.

Die Konstruktion kleinster optischer Systeme wird nicht nur durch die physikalischen Möglichkeiten begrenzt, und in diesem Text beispielhaft angesprochen, sondern zusätzlich durch das ungünstige Verhältnis von optischer Leistung zum Produktpreis beschränkt. Soll bei kleinen optischen Systemen die Qualität nicht abnehmen, müssen mit unverhältnismäßig hohem Aufwand die Linsen und die Fassungen gefertigt und montiert werden.

Derzeit liegen die Größenordnungen für hochwertigste Linsen in der fotografischen Optik bei einer Genauigkeit von etwa 2/1000 Millimeter. Die Fassungen der Objektive dürfen dem nicht wirklich nachstehen, was bedeutet, dass der Anspruch an die Produktion der Linsen und an die feinmechanische Qualität weltweit nur von einer Handvoll von Herstellern erfüllt wird.

Die überwiegende Zahl der Produzenten gibt sich mit deutlich geringeren Toleranzen zufrieden, vor allem angesichts des zu erzielenden Verkaufspreise, an denen alle für Konsumenten produzierende Hersteller sich orientieren müssen, wenn sie verkaufen wollen.

Die Bestmarke bei der Auflösung von Objektiven wird von der Firma Carl Zeiss in Oberkochen gehalten. Mit einer Optik vom Typ Planar und einer Abbildungsleistung von 250 Linienpaaren pro Millimeter. Mehr an Qualität geht einfach nicht, wenn man allein das Auflösungsvermögen als Maßstab nimmt.

Ein Pixelabstand von 1,75 µm bedeutet nun was?

Um die Größen im Blick zu haben, erinnere ich daran, dass die Entsprechungen der Größenverhältnisse sich verhalten von 1 mm (Millimeter) zu 1000 µm (Mikrometer). 1 µm entspricht 1000 nm (Nanometer). Der langwellige (rote) Bereich des Lichtes beginnt bei etwa 750 nm (=0,75 µm). (In der Literatur findet sich Werte von 750 bis 700 nm Wellenlänge. Doch das ist für uns hier und jetzt, in diesem Text, unerheblich.)

Mit diesem Größenvergleich im Blick und angesichts des winzigen Pixelabstandes wird deutlich, dass die Grenze der Auflösung eines Objektives erreicht oder sogar unterschritten wird, denn 1,75 µm Pixelabstand sind in Millimeter gerechnet 0,00175. Und nun, wie hoch müsste die Auflösung eines Objektives sein, um dem Pixelabstand zu genügen? Es ist ganz einfach: 1 ./. 0,00175 = rund 571,43. Ein dem Pixelabstand genügendes Objektiv müsste über 571 Linien pro Millimeter auflösen können, das sind rund 260 Linienpaare. Kein Objektiv für die Fotografie liefert eine entsprechende Auflösung.

Wenn man dann noch bedenkt, dass das oben erwähnte Planar, wie alle Objektive, diese beste Leistung nicht bei jeder Blendenöffnung und gleichmäßig über das Bildfeld erbringen kann und die Abbildungsleistung von 250 Linienpaare pro Millimeter nur erreicht wird, weil eine rigide Auswahl aus der produktionsbedingten Streuung stattfindet, dann ist erkennbar, mit welchem enormen Aufwand bei Carl Zeiss gearbeitet wurde, um die Bestmarke zu setzen. In den üblichen Tests gelten Objektive als sehr gut, wenn 90 Linienpaare erreicht werden.

Dass ein dermaßen kleiner Sensor von 1/2,5“ mit 8 Megapixeln in der aktuellen Technik eine für die Fotografie indiskutable Qualität abliefert, ist damit sicherlich allen klar.

Wem also kann ein solcher Sensor bei optischen Systemen nutzen?

Es gibt industrielle Anwendungen, bei denen diese Spezifikation interessant ist. Zum Beispiel kann man das nutzbare Lichtspektrum auf einen engen Bereich, also eine Farbe, beschränken und auf eine verstellbare Blende verzichten. Damit sind die optischen Probleme weitaus geringer, und eine Optik besser zu berechnen. Ist zusätzlich die Lichtquelle ausreichend stark, dann kann ein solcher Sensor bei der Qualitätskontrolle eingesetzt werden, etwa bei der Produktion von Glasflaschen, die für Millisekunden durchleuchtet werden, um fehlerhafte Produkte zu erkennen.

Doch mit Photographie hat dieser Sensor von Sharp nichts zu tun.

(Adrian Ahlhaus)

Mit freundlicher Genehmigung des Autors
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Aus dem Blog: Die Welt der Photographie