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Sensorempfindlichkeit ISO bei Digitalkameras

Der ISO-Wert beschreibt die Lichtempfindlichkeit von Kamerasensoren. Je niedriger der ISO-Wert, umso weniger lichtempfindlich ist der Sensor. Hohe ISO-Werte  hingegen emöglich  auch bei schlechten Lichtverhältnissen gute Fotos. In der analogen Fotografie steht die ISO-Angabe für die Lichtempfindlichkeit von fotografischen Platten und Filmen, bei deren Belichtung es zu einem chemischen Prozess kommt. Analog arbeitende Fotografen müssen bereits im Vorfeld ihrer Projekte die Lichtempfindlichkeit des Films auswählen. Ein Wechsel des Films während der Arbeit ist umständlich. Bei digitalen Kameras hingegen gibt es keine chemischen Veränderungen am Sensor und die ISO-Empfindlichkeit kann bei jedem Bild einzeln geändert werden. Wenn Licht auf den Sensor (Halbleiter-Chip) fällt, wird elektrische Ladung proportional zur Lichtmenge frei und gespeichert. Dies nennt man den Photoeffekt (aus einem mit Licht beschienen Halbleiter treten Elektronen heraus). Am Ende des Belichtungsvorgangs wird diese Spannung (elektrische Ladung) vom Sensor ausgelesen und weiterverarbeitet.

Die ISO-Einstellung übt direkten Einfluss auf den Verstärker vor dem Analog Digital Wandung (ADC) aus. Bei hohen ISO-Werten wird mehr verstärkt, bei niedrigen weniger. Der Kamerasensor selbst, bleibt immer gleich empfindlich, nur die Verstärkung wird den Bedürfnissen angepasst. Je nach Lichtverhältnissen passt entweder die Kamera den ISO-Wert  automatisch an, oder aber man passt ihn manuell an.

Mit der Lichtempfindlichkeit steigt aber auch das Rauschen, das Foto wird kontrastärmer und wirkt unscharf. Das Rauschverhalten ist stark von der Qualität der verwendeten Kamera abhängig. Hohe ISO-Einstellungen sind daher nur bei hochwertigen Sensoren sinnvoll, da ansonst das Rauschen verstärkt wird. In den letzten Jahren ist die Halbleiterfertigung allerdings stark optimiert worden, wodurch sich auch das Signal-Rausch-Verhältnis  verbessert hat.

Eine große Bildpunktfläche (großer Sensor) kann effizienter Licht-Quanten einfangen. In den letzten Jahren gingen die Kamerahersteller jedoch dazu über, die Bildpunktflächen immer weiter zu verkleinern. Diese Entwicklung verschlechtert das Signal- Rausch-Verhältnis. Abhängig von der jeweiligen Fertigungstechnologie gibt es abhängig von der Sensorgröße ein optimales Verhältnis zwischen der Anzahl der Bildpunkte und dem Signalrauschabstand. Die Kamerahersteller haben dies aber erkannt und legen nun mehr Augenmerk auf ein besseres Signalrauschverhältnis und Farbwiedergabe (z.B. Canon EOS 1DX, Canon C300...). Bei einigen Modellen sind winzige Mikrolinsen vor dem Bildpunkt positioniert, um das Licht besser einfangen zu können.

Das Auflösungsvermögen (Farbtiefe) des Analog Digital Wandlers (ADC) ist von zentraler Bedeutung für die Bildqualität. Sie gibt an, wieviele Farbtöne für die Wiedergabe eines einzelnen Bildpunkts (Pixel) eines Fotos zur Verfügung stehen. Für die drei Grundfarbenkanäle RGB (rot/grün/blau) wird eine analog digital Wandlung separat pro Kanal durchgeführt. Derzeit wird eine Auflösung zwischen 12 und 16 Bit pro Kanal verwendet. Bei einer Auflösung von 14 Bit ergibt sich eine Gesamtauflösung von 42 Bit für alle drei Grundfarben 

Nach der Wandlung des Signals im ADC führt der Bildprozessor eine weitere Rauschunterdrückung durch. Erfolgt die Rauschunterdrückung auf digitaler Ebene zu aggressiv, können Bildinformationen verloren gehen.

Fazit: Der ISO-Wert beschreibt die Lichtempfindlichkeit von Kamerasensoren. Je niedriger der ISO-Wert, umso weniger lichtempfindlich ist der Sensor. Hohe ISO-Werte ermöglichen auch bei schlechten Lichtverhältnissen gute Fotos. Mit der Höhe der Lichtempfindlichkeit steigt jedoch auch das Rauschen, das Bild wird grobkörniger und unscharf. Die Wahl von hohen ISO-Werten ist nur bei hochwertigen Kamerasensoren mit hohen Farbtiefen und großem Signalrauschabstand sinnvoll.

Update: 06.07.2012