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Erwärmung des Kamerasensors bei Nikon DSLR Kameras im Live View Modus

Der Einfluss der Erwärmung des Sensors auf das Bildrauschen und somit auf die Qualität der Fotos ist nicht abzustreiten. Wir wollten uns dieses physikalische Phänomen etwas genauer ansehen und dokumentieren.

Die Abbildung zeigt das Wärmebild eines Nikon-Vollformatsensors im Live View Modus ohne Objektiv.

Jedes elektronische Gerät erwärmt sich während des Betriebs. Bei Digitalkameras ist das von besonderem Interesse, da es einen Zusammenhang zwischen Bildqualität und Temperatur der Kamera gibt. Bei einigen Anwendungen macht es durchaus Sinn, gekühlte Kamerasysteme zu verwenden, um die beste Bildqualität zu erzielen. Beispielsweise in der Floureszenzmikroskopie spielt das Signal-/Rauschverhältnis eine große Rolle. In dieser speziellen Mikroskopieform kommt nur sehr wenig Licht auf den Kamerasensor. In solchen Anwendungsbereichen liefern Kamerasensoren bei kühlen Temperaturen die besseren Ergebnisse.

Beim Erstellen von Fotodokumentationen kann es schon vorkommen, dass Kameras über einen längeren Zeitraum in Betrieb sind. Vor allen bei schlechten Lichtverhältnissen, wenn mit langen Belichtungszeiten und hohen ISO-Einstellungen gearbeitet wird. Die auf diese Weise erzeugten Fotos wirken körnig und speziell in den dunkleren Bereichen erkennt man bunte Punkte. Diese Effekte treten durch die Erwärmung des Kamerasensors auf.

Wir wollten die Sensorerwärmung anhand von einigen Nikon Kameras (Nikon Df, Nikon D5300, Nikon D610) dokumentieren und haben daher mit einer Wärmebildkamera Messungen über den Zeitraum einer Stunde durchgeführt. Die Kameras waren im Live View Modus, so wie sie üblicherweise in der Mikroskopie verwendet werden, ohne Objektiv. Verwendet man ein Objektiv, so wird der Sensor noch heisser als bei unseren Messungen

  Temperaturanstieg in °C des Sensors im Live View Modus innerhalb einer Stunde

Anhand der Kurve sieht man sehr deutlich, dass die Temperatur während der einen Stunde Betriebszeit kontinuierlich ansteigt. Zu Beginn hat der Sensor eine Temperatur von 21°C, nach einer Stunde war diese bereits auf 41,7° gestiegen. Wobei der stärkste Anstieg der Temperatur in den ersten 15 Minuten stattfindet (um 12,6°C). Gemessen haben wir den Temperaturverlauf im Live View Modus. In diesem Modus verbraucht die Kamera sehr viel Strom, da die integrierte Elektronik mit digitalen Signalprozessor (DSP) beschäftigt ist, die Datenmenge zu bewältigen, um das Live View Bild zum Kamera Display zu transferieren.

Die Sensorqualität wird kontinuierlich von den Herstellern verbessert, um den Einfluss auf das Bildrauschen bei Raumtemperatur zu minimieren und ein besseres Signal/Rauschverhältnis zu erzielen. Die Bemühungen erkennt man durch die immer höheren ISO-Bereiche. ISO-Werte über 200.000 sind mittlerweile keine Seltenheit mehr. Nichtsdestotrotz bleibt die Korrelation zwischen Sensorerwärmung und Bildrauschen, speziell wenn man sich physikalischen Grenzbereichen nähert, wo jedes Photon eingefangen werden soll.

Die Floureszenzmikroskopie beispielsweise stellt im Bereich "Live Science Imaging" die höchsten Ansprüche an Kameras durch Aufnahmen von Zellkulturen, Insekten,..., die mit Floureszenzfarbstoffen markiert sind, oder gentechnisch verändert worden sind und selbst leuchten.

Noch bis vor wenigen Jahren mussten fast alle hochwertigen Kameras gekühlt werden, um den Einfluss des Bildrauschens zu reduzieren. Etliche Anhänger der Astrofotografie bauten sogar handelsübliche DSLR Kameras um, und integrierten eine Kühlung, die den Sensor auf weit unter den Gefrierpunkt senken.

Fazit:

Speziell bei Aufnahmen im physikalischen Grenzbereich sollte man, wenn möglich auf den Live View Modus verzichten und möglichst niedrige ISO-Einstellungen wählen. Weiters sollte man darauf achten, nur mit kühlen (Raumtemperatur oder kühler) Kameras zu arbeiten. Hat sich die Kamera bereits erhitzt, so sollte man sie wieder ausschalten und warten, bis sie wieder mindestens Raumtemperatur hat. In der "Alltags"-Fotografie ist es nicht notwendig, Vorkehrungen zu treffen, da hier der Einfluss von erhitzten Sensoren auf die Bildqualität sehr gering ist.

05.06.2014