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Die zentrale elektronische Komponente von Digitalkameras und Camcordern ist der Bildsensor. In Verbindung mit dem Objektiv und dem Bildprozessor ist er ausschlaggebend für die Aufnahmequalität einer Digitalkamera. Der Bildsensor tritt an die Stelle des Negativfilms in Analogkameras und besteht aus vielen Millionen lichtempfindlichen Fotodioden, die eintreffende Lichtphotonen in elektrische Signale umwandeln. Diese Fotozellen sind auf dem Flächen-Sensor matrixartig in Spalten und Reihen angeordnet. Bei der elektrischen Abbildung speichert der Bildsensor einzelne Bildpunkte, welche als Pixel bezeichnet werden. Die Anzahl der Pixel, die der Sensor speichern kann, ergibt die Auflösung des Bildes.
Welche Sensorgrösse man wählt, hängt vor allem vom verfügbaren Budget und den persönlichen Anforderungen an die Bildqualität bzw. die Qualität der Motive ab, die man fotografieren möchte. Mit zunehmender Grösse des Sensors steigt seine Lichtstärke und die Menge der Bildinformationen, die er aufnehmen kann. Grosse Sensoren erzielen daher eine hohe Bildqualität, sind allerdings auch teurer und erfordern entsprechend hochwertige und ebenfalls teure Objektive. Ausserdem haben sie erheblichen Einfluss auf das Gewicht der Kamera, was beispielsweise für Reisen berücksichtigt werden sollte.
Für Kompaktkameras werden meist sehr kleine Bildsensoren, von 4,5 x 3,5 bis 5,4 x 4 Millimeter, eingesetzt. Hier werden mittlerweile von den Herstellern vorwiegend CMOS- Technologien verwendet. Wesentlich grösser sind Bildsensoren in der Regel bei Wechselobjektivkameras, wie Olympus und Panasonic, welche die vorrangig verwendeten Four-Third-Sensoren von 17,3 x 13 Millimeter unterstützen. Canon, Samsuns und Sony setzen dagegen den APS-C-Sensor ein, der mit 22,2 x 14,8 Millimeter etwas grösser ist. Nikon bildet hier mit zwei abweichenden Formaten eine Ausnahme: der Hersteller setzt CX-Sensoren, mit einer Grösse von 13,2 x 8,8 Millimeter, oder das DX-Format ein, welches 24 x 16 Millimeter misst. Der grösste Bildsensor ist das Mittelformat mit 48 x 36 Millimeter. Etwas kleiner sind noch Vollformat-Sensoren, die 36 x 24 Millimeter messen. Bei Nikon wird dieses Format auch als FX bezeichnet.
Im Zusammenhang mit der Grösse des Sensors selbst stehen auch die Fotozellengrösse und die Fotozellenzahl. Diese drei Kennwerte bestimmen neben dem Bildrauschen und der Lichtempfindlichkeit die Bildauflösung und sind daher entscheidend für die Qualität der Aufnahme.
Als Mass für die Bildauflösung wird die Pixelzahl in Megapixel (MP) angegeben und ist abhängig von der Bildsensorgrösse und der Pixelgrösse. Hierbei wird die tatsächliche Anzahl an Pixeln angegeben, die die Kamera darstellen kann, nicht zu verwechseln mit der Anzahl an Fotozellen. Je grösser die dargestellten Pixel, desto geringer wird die Bildauflösung. Die Pixelzahl liegt bei Bildsensoren zwischen 0,3 und 10 MP, während sie bei professionellen Digitalkameras ein Vielfaches von 10 MP beträgt.
Die Sensorempfindlichkeit stellt einen weiteren Kennwert von Bildsensoren dar. Diese wird in ISO-Werten angegeben. Je grösser der Bildsensor ist, desto höher ist seine Lichtempfindlichkeit, wobei diese mit zunehmender Pixelzahl abnimmt. Zwischen 50 und 200 ISO liegt die Grundempfindlichkeit von Bildsensoren. Diese Einstellung kann bei Bedarf erhöht werden, um die Belichtung der Fotozellen zu verändern.