The functionality and image quality of existing digital SLR camera equals, without a doubt, the quality of analogue cameras. But there is still some room for improvements.

Live image
Some applications require a live image. For example, when a camera is mounted on a microscope or the “Wolfenbüttel Book Reflector”, it may not be possible to look through the viewfinder. Or, cameras capturing images of a scientific experiment may be located in another room for safety reasons. If a live image were available on the implemented pivoted LCD panel, as well as the video output of the camera, it would help tremendously. From there it is just a small step to enable the camera to provide video capture. Keeping the development in storage capacity of existing storage cards in mind this might replace some of the video cameras in scientific applications.
Other problems occur if the optical view finder is replaced by an electronic viewfinder. It is common knowledge that electronic viewfinders suffer from low resolution and bad visibility under bright lighting conditions. And there is also an issue of low refreshing frequencies, if the camera is set to a burst mode.

Autofocus accuracy
A study we made in 2004 showed that in many cases the autofocus accuracy of digital cameras is not sufficient. The reason is the required level of precision and adjustment procedures for the “extra” autofocus sensor.

Manual focus
Existing digital SLRs all suffer from lack of ability to manually focus, because the previous screens used to focus in older SLR cameras were replaced by screens without the capability to focus on microprisms or split screen indicators.

Image Quality
The dynamic range, noise and speed of existing sensors are already very good. The best sensor in terms of dynamic range is of course the Fujifilm super CCD version SR. But there is still a lot to do in the areas of colour and luminance. Most cameras still expose the images according to 18% grey which is the technology in the analogue world. For a digital image the exposure should be adjusted to the highlights which should remain unclipped with some restrictions if the contrast in the scene exceeds the range the camera is able to capture. Image processing should be adjusted to the scene-contrast to match the luminance-appearance of the human eye (e.g. the foreground in a sunset scene). The colour as well, should follow a colour-appearance model to create a “pleasing image”. Each camera should have a mode that allows the matching of colours to the original scene, as closely as possible. In many situations, however, it might be better to have a specific output referred rendering in the camera as well. Resolution no longer matters as much as it did in the past because all the cameras with 8 and more Megapixels have a sufficient resolution for 95% of applications. At the moment I am more concerned about the shrinking in pixel size because this leads to higher noise, lower sensitivity, lower dynamic ranges, and last but not least, diffraction problems at lower apertures. Therefore, the pixel pitch should be higher than 5 microns in order to avoid these problems.

Metadata
It would also be very nice to add at least some of the metadata to the images right after capturing them. This of course is already the case with the technical metadata specified in the Exif standard (CIPA…). But if an interface would enable the photographer to add some describing metadata, i.e. author, date, place, and part of the caption as well, it would be especially useful for journalists.

Raw
From the user’s point-of-view, a standardised image RAW format like Tiff/EP or Adobe DNG would be very useful for integrating the image processing into the various workflows required for different applications. Unfortunately, this is more a political issue and there are no technical restrictions for implementing a standard format.

A proposed solution for the live picture and focus problems
First of all, to enable the sensor for fast autofocusing, as well as to achieve sufficient image frequencies for video capture, the sensor used in that camera should have a good windowing capability. This means that it should not be necessary to read out a complete or even a fourth of an image to acquire the data for a good autofocus. It should be possible to strip down the read-out to “a few” selected pixels for exposure measurement and autofocus and for the appropriate video resolution. This windowing would allow fast signal processing and video modes up to the required 30 frames per second.
Using such a sensor would replace the camera’s complete autofocus system, which in turn would lead to higher focus accuracy due to the fact that the same sensor can be used for both focus-measurement and imaging. To increase the focus speed even more, it might be helpful to locate the objects by using an additional active autofocus system for pre-focussing.
Since electronic view finders are not sufficient in camera use in any situation, an optic view finder is still necessary. A mirror with a reflection of 30%-50% has been proposed in order to ensure live preview on the LCD or video output, as well as the use of an optical view finder. Since the glass plate mirror will introduce spherical as well as chromatic optical errors, it is better to mount it on a pivot as is common on a conventional SLR or dSLR camera. The errors may be small enough to still have a sufficient preview and video quality, but for high resolution images blur and colour fringes may appear. To minimize errors, it should be investigated as to whether or not a certain shape of glass on the back of the mirror or a coating will lead to a reduction. It should swing up or downwards to avoid these problems when capturing the final image. Turning the mirror out of the optical path during exposure will also increase the illuminance on the sensor by about one f-stop.

Sony with its DSC-R1 showed that a fast autofocus system based on the imaging sensor in the camera is possible and the principle of CMOS technology allows a sufficient windowing, although it can not be found in the actual sensors. Hopefully we will find these sensors in the future. My idea has been to implement the partially reflective pivoting mirror, especially in combination with such a sensor. If you are interested in using it, please do so and I look forward to being acknowledged as the person who originally came up with the idea.

Figure 1: Principle of a conventional SLR or digital SLR system

Figure 2: Principle of the proposed new system

Liebe Kollegen,
nach dem Brennweitenverlängerungsfaktor, dem Digital-Zoom und dem Megapixelwahn ist seit der IFA ein neues “Unwort” im Umlauf.

Die Rede ist vom: “digitalen Bildstabilisator” oder gar dem “ISO-Verwackelungsschutz”.
Gemeint ist die Möglichkeit - die ja von kaum einer digitalen Kamera geboten wird und in der Fotografie bisher unbekannt war - eine höhere Empfindlichkeit (Verstärkung) einzustellen. So erreicht man kürzere Belichtungszeiten bei konstanter Blende und die Gefahr zu verwackeln wird geringer. Und das schon bei ISO 640!

Nun mal im Ernst. Diese Marketing Parole klingt so einleuchtend, dass jeder Hersteller sie für seine Werbung “ge(miss)brauchen” möchte.
Die Umbenennung einer Standardfunktionalität digitaler Kameras zu Marketingzwecken nützt dem Anwender nicht und schon gar nicht, wenn dieser Bezeichnung der seriös klingende Vorsatz ISO hinzugefügt wird, der in dieser Wortkreation gar nicht verwendet werden darf. Sollte diese Bezeichnung weiter die Runde machen, so wird es sicherlich zu entsprechenden Abmahnungen seitens des DIN bzw. der ISO kommen.
Verwenden Sie liebe Hersteller doch bitte den Begriff der höheren oder gesteigerten (Licht-)Empfindlichkeit, wenn Sie dieser Charakteristik Ihrer Kamera ein besonderes Augenmerk widmen wollen. Das zeugt von technischer Kompetenz und die Fachpresse wird bei nennenswert höheren Empfindlichkeiten gerne diesen Ball aufgreifen und dem unbedarften Anwender noch einmal den Zusammenhang zwischen Empfindlichkeit, Blende und Belichtungszeit verdeutlichen.

Ach übrigens: “Ich habe eine Kamera mit “digitaler Schärfedehnung”; ich kann die Blende einstellen.”

Nichts für ungut…

Mit freundlichem Gruß
Dietmar Wueller

Erweiterungen von Kollegen und Mitarbeitern (to be continued…)

Wo wir gerade dabei sind:
Wie wär’s damit die JPEG Kompression als “digitale Speichererweiterung” oder den Ausschalter als “digitale Batterieleistungserhöhung” zu verkaufen?
(Christian Loebich, Image Engineering)

Könnte man im Rahmen dieser Argumentation die Kamera auch mit dem blauen Umweltengel auszeichnen? Immerhin hat sie die digitale Umweltschutztaste “Bilder löschen”, um die Produktion von Festplattenspeicher auf ein Minimum beschränken zu können - was das Ressourcen schont….

Viele Grüße
Harald Bauer, Sigma

Zwei blaue Engel wären angebracht, schließlich schützt die Löschtaste uns auch vor visueller Umweltverschmutzung durch misslungene Fotos. Aber vielleicht ist dieses Thema den Werbe- und PR-Agenturen ja zu heikel. Die Löschtaste in WORD scheinen viele ja auch nicht zu kennen.
Horst Gottfried

Hier noch ein paar Vorschläge:
intelligente Spracheingabe = Sprachnotizfunktion
Crash-Retention-System = Schultergurt
Memory Card Ejection System = Auswurfknopf für Speicherkarte
digitales Kamera-Navigationssystem = Einstellungsmenü
Power-Dock = Batterieschacht
optionale/autonome Stabilisierungseinheit = Stativ
mobiler Kameraassistent / mobiles Hilfesystem = Handbuch

Beste Grüße aus Lübeck,
Yvan Boeres
Redaktion digitalkamera.de

Hallo Dietmar,
noch was für die Liste (wenn du magst):
Forgotten Memory Card Protection System = eingebauter Festspeicher
Avaliable Light Booster = eingebauter Blitz
Time / Date Recording Assistant = Zeit und Datum kann eingestellt werden
Picture Development Manager = interne JPEG-Algorithmen
Visual Mechanical Picture Creation Assistant = optischer Sucher
Visual Digital Picture Creation Assistant = LC-Display
Picture Window Resize Management System = Zoombereich
Single Hand Tipping Device = Auslöser

Grüße aus Minga,
Benno Hessler, Chip

Mein Fotorucksack heißt nicht Fotorucksack, sondern “Easy-to-Transport, wearable, partly flexible and colourful Multi Function Carrying- and Protection-System with full zipper security, innovative easy-to-use outer pockets and both-sidy fully adjustable Tragegurt-Length”!

Frank Isphording, INPHO

Im Gegensatz zur Fokussierung bei Consumerkameras können die Spiegelreflexkameras die präzise Fokussierung nicht über die Analyse eines Bildes vom eingebauten Sensor vornehmen, weil bei der Fokussierung der Verschluss der Kamera geschlossen ist und der Spiegel sich im Strahlengang befindet. Deshalb besitzen SLR (single lens reflection) Kameras extra Autofokussensoren. Diese Sensoren befinden sich hinter dem Spiegel im Boden der Kameras. Damit der Autofokus arbeiten kann, während der Benutzer durch den Sucher schaut, ist der Spiegel im Zentrum teildurchlässig und ein kleiner Spiegel dahinter lenkt das Licht auf die Autofokussensoren.

Prinzip der digitalen SLR Kamera mit Autofokussensor

Explosionszeichnung Nikon SLR
Vielen Dank an Nikon für die Erlaubnis zur Verwendung der Zeichnung!!!

Die meisten SLR Kameras verfügen über einen sogenannten Phasen-Kontrast-Autofokussystem. Bei diesem Sensor wird die Schärfeebene über zwei Linsensysteme auf zwei Sensoren abgebildet. Liegt der Fokus in der Schärfeebene, so liegen die Bilder auf den beiden Sensoren an der gleichen Position. Liegt der Fokus dvor oder dahinter, so sind die beiden Bilder zueinander verschoben und weisen einen geringeren Kontrast auf. Die Richtung der Verschiebung gibt dabei an, in welche Richtung fokussiert werden muss.

Der Fokus liegt zu weit hinten


Der Fokus liegt zu weit vorne


Der Fokus liegt richtig
Vielen Dank an Olympus für die Erlaubnis zur Verwendung der Grafiken!!!

Da sowohl die Lage der Bilder, als auch der Kontrast für die Bewertung der Schärfe herangezogen werden, arbeitet das System, verglichen mit dem passiven Autofokussystem in einer Consumerkamera, deutlich präziser und auch schneller, als die Fokussierung über den Bildaufnahmesensor.

Probleme für den Autofokus
In Spiegelreflexkameras gibt es aber auch eine Reihe von Problemen, die mit dem Autofokus verknüpft sind:

1. Die Justage der Autofokussensoren zur Bildebene muss korrekt sein.
Dieses Problem ist bei einzelnen Chargen von digitalen SLR Kameras zu finden. Es tritt in der Regel bei neuen Kameras auf, wenn in der Fertigung nicht präzise genug gearbeitet wird und lässt sich durch eine Justage in der Servicewerkstatt des Herstellers beheben. Die Justage von Autofokussensoren in digitalen Spiegelreflexkameras muss auf die spezielle Kamera mit dem jeweiligen Sensor abgestimmt werden. So hat z.B. die Dicke des Deckglases vor dem Sensor in der Kamera einen Einfluss auf die Lage des Fokuspunktes und führt (wie die Grafik Auswirkungen des Deckglases.eps zeigt) zu erheblichen Unschärfen, wenn sie bei der Justage nicht berücksichtigt wird.

2. Qualitätsbeeinträchtigungen durch Sensorgeometrie
Was die Grafik zum Deckglas aufgrund des verwendeten Maßstabes nicht zeigt ist, dass bei der Verwendung eines solchen Sensorschutzes, der auch als Infrarotsperr- oder Antialiasingfilter ausgelegt sein kann, auch die Abbildungsqualität leidet, weil sich die - je nach Einfallswinkel - unterschiedlich langen optischen Wege durch das Deckglas auf die Qualität des Fokuspunktes auswirken. Die Folge sind nicht unbedingt sichtbar schlechtere Bilder. Aber um eine gute Qualität zu erzielen, muss der optimale Fokuspunkt genauer getroffen werden. Wird die Sensorgeometrie bei der Rechnung der Objektive berücksichtigt, so kann das Problem ausgeglichen werden.

3. Toleranzen werden kleiner
Die Pixel einer Digitalkamera sind in der Regel deutlich kleiner, als das Filmkorn eines herkömmlichen Films. Dafür beschränkt sich der genutzte Bildkreis in der Kamera bei den meisten digitalen SLR Kameras auf eine Diagonale von maximal etwa APS Größe (die Kameras mit Kleinbild-großem Sensor einmal außen vor gelassen). Das Schrumpfen der Pixel bedeutet aber, dass die zulässigen Toleranzen beim Fokussieren sinken, was insbesondere aufgrund der abgenutzten Mechanik und der Ansteuerung älterer Objektive Probleme mit der Konstanz der Fokussierung hervorruft. Das bedeutet, dass nicht alle Aufnahmen gleich scharf sind, weil die Lage der Schärfeebene zwischen den Aufnahmen variiert. Neuere Objektive tragen dieser Tatsache durch eine verbesserte Mechanik Rechnung.
Wo liegen weitere Stolpersteine für die Toleranzen? Ein Stolperstein ist die unter 1. genannte Justage der Sensoren. Aber auch die Fertigungstoleranzen der Objektive sind zu berücksichtigen, wobei sich bestimmte Linsengruppen eines Objektives ebenfalls in der Werkstatt justieren lassen. Das Auflagemaß vom Objektivanschlag zum Sensor weist eine Toleranz im Bereich von 10 ?m auf und auch die Sensoren selber sind nicht wirklich eben, weil sie in der Fertigung auf das Gehäuse geklebt und dabei an den Ecken verbogen werden.

Das Problem der geringen Toleranzen führt übrigens auch dazu, dass es keine Spiegelreflexkameras mit den kleinen Sensoren aus Consumerkameras und Wechselobjektiven gibt. Die Ungenauigkeiten, die in der Fertigung der Objektive und durch ein Bajonett unvermeidbar sind, machen nach heutigen Maßstäben ein solches System unmöglich.

4. Abhängigkeit von der Blende
Wir konnten feststellen, dass der optimale Fokuspunkt auch von der gewählten Blende abhängig ist. Das heißt, dass je nach Objektiv und der gewählten Blende eine Korrektur des Fokuspunktes erforderlich ist, was vom Autofokussensor nicht erfasst werden kann, weil dieser bei offener Blende vor der Belichtung die Fokuslage bestimmt. Eine solche Korrektur des Fokuspunktes kann im Objektiv hinterlegt sein und bei der Kommunikation zwischen Kamera und Objektiv abgefragt werden. Das setzt natürlich voraus, dass die Kamera und das Objektiv „die gleiche Sprache sprechen“.

5. Bildfeldwölbung
Die klassische Optik kennt das Phänomen der Bildfeldwölbung. Diese entsteht, wenn eine Linse mit sphärischer (kugelförmiger) Oberfläche für die Abbildung verwendet wird. Die Bildfeldwölbung besagt, dass in einem solchen Fall das Bildfeld mit der optimalen Schärfe nicht eben ist wie der Sensor oder der Film, sondern eine Wölbung aufweist. Zur Korrektur dieses Fehlers werden asphärische Linsen im Objektiv verwendet. Er lässt sich aber insbesondere bei Weitwinkelobjektiven nicht immer vollständig korrigieren. Der Restfehler kann im Bereich von mehreren 10 ?m liegen und hat damit deutliche Auswirkungen auf die Schärfe im Bild abseits des Bildzentrums. Man kann die Auswirkungen der Bildfeldwölbung etwas minimieren, wenn die Schärfe nicht genau auf das Bildzentrum sondern auf einen Bereich mit mittlerer Bildfeldwölbung gelegt wird. Das muss der aber Kamera ebenfalls über die Kommunikation mit dem Objektiv vermittelt werden.

6. Ansteuerung der Motoren
Der Autofokus soll möglichst schnell sein. Deshalb werden bestimmte Motortypen verwendet, die den Teil des Objektives, über den fokussiert wird über einen großen Teil des Verstellweges sehr schnell bewegen und möglichst punktgenau abstoppen. Dieses punktgenaue Abstoppen kann über die Ansteuerung der Motoren beeinflusst und auch justiert werden. Stoppen die Motoren zu langsam oder zu schnell, dann liegt der Fokuspunkt vor oder hinter dem anvisierten Objekt.

Wie wir sehen gibt es eine Menge von Einflussfaktoren, die Auswirkungen auf die Präzision des Autofokus haben und damit die Schärfe jedes einzelnen Bildes berühren. Bei unserem Objektivtest haben wir mit all diesen Einflüssen zu kämpfen. Da sie teils Systembedingt sind, teils aber auch durch Produktionsschwankungen entstehen, müssten wir eine Vielzahl von Objektiven gleichen Typs testen, um den Lesern eine gesicherte Auskunft über das Autofokus-Verhalten eines Objektivtyps an einer Kamera geben zu können. Ein Aufwand, der leider den Rahmen einer fotografischen Fachzeitschrift sprengt. Wir können deshalb nur empfehlen, dass Sie bei Autofokusproblemen herausfinden sollten, um welches Problem es sich genau handelt, bevor sie sich mit dem Hersteller austauschen. Wie man das macht zeigt unser Kasten. Bitte senden Sie Ihre Kamera und Ihr Objektiv nicht einfach an den Hersteller ohne den Test gemacht zu haben. Ist das Problem eingekreist, dann kann der Hersteller anhand der gemachten Beispielbilder gezielt helfen und eventuelle Justagen vornehmen.

Autofokustest
Um den Autofokus Ihrer Kamera zu testen sollten Sie zunächst folgende Einstellungen an Ihrer Kamera beachten:
1. Verwenden Sie die höchste Bildauflösung und Raw, Tiff oder JPEG in der höchsten Qualität als Dateiformat.
2. Stellen Sie die niedrigste Empfindlichkeit ein, damit das Rauschen die Beurteilung der Schärfe nicht beeinträchtigt.
3. Verwenden Sie immer die gleiche Einstellung für die Schärfe. Empfohlen wird hier die Standardeinstellung der Kamera, weil ein leichtes Scharfzeichnen die Scharfen Bereiche besser von den unscharfen trennt.
4. Verwenden Sie den AV Modus und wählen Sie möglichst immer die offene Blende für die Standardtests.
5. Stellen Sie den Autofokus der Kamera auf Einzelfeldmessung und platzieren sie die Gegenstände, auf die Sie fokussieren immer in der Bildmitte. Verwenden Sie ausschließlich das Mittlere Feld für die Autofokustests, um Einflüsse durch Bildfehler zu minimieren.
6. Verwenden Sie die Autofokus Einstellung mit Schärfepriorität (Single Autofokus)

Aufbau des Tests:
Drucken Sie sich die pdf Datei 10 x auf A3 oder 14 mal auf A4 aus und legen Sie sie der Länge nach auf den Boden. Platzieren Sie am Ende des ersten Drittels einen kontrastreichen Gegenstand, auf den die Kamera gut fokussieren kann. (Beispielbild)

Setzen Sie die Kamera auf ein stabiles Stativ! Und stellen Sie die Höhe und Neigung so ein, dass die Ausdrucke möglichst das gesamte Bildfeld einnehmen und der Gegenstand im Fokusfenster der Bildmitte liegt.
Nehmen Sie die Szene 10x auf, wobei Sie nach jeder Aufnahme einmal die Hand ins Bild strecken und darauf fokussieren, damit beim nächsten Bild die Kamera den Fokus neu finden muss. Schauen Sie sich anschließend die Bilder an.

Auswertung:
a. Liegt der Fokuspunkt immer im Bereich des Gegenstandes (was die Regel ist), ist alles in Ordnung.
b. Liegt der Fokuspunkt mal deutlich (> 40 cm Meter) vor und mal deutlich hinter dem Gegenstand, dann ist die Präzision der Fokussierung nicht ganz ausreichend. Bei älteren Objektiven sollte hier evtl. mechanische Teile ersetzt werden, was aber häufig nicht preiswert ist.
c. Liegt der Fokuspunkt immer deutlich vor oder hinter dem Gegenstand, so wiederholen Sie den Versuch mit einem oder besser mehreren anderen Objektiven. Ist es bei allen Objektiven der Fall, liegt vermutlich ein Justageproblem des Autofokussensors zum Bildsensor vor.
d. Liegt der Fokuspunkt nur bei einem der Objektive immer deutlich vor oder hinter dem Gegenstand, so ist das Problem objektivbedingt und Sie sollten sich mit dem Hersteller in Verbindung setzen, was zu tun ist.

Haltbarkeit von Datenträgern
Diese Aussagen sind zwar richtig, aber inzwischen hat sich diesbezüglich einiges geändert. So sind meine CDs, die ich Mitte der 80er gekauft habe, heute noch auf jedem CD Spieler abspielbar, sofern sie nicht mechanisch beschädigt wurden. Auch meine selbst gebrannten Scheiben von 1995 lassen sich noch problemlos lesen, wobei es zum Zeitpunkt der Erstellung auch Rohlinge von niederer Qualität gab, die sich vielleicht nicht mehr lesen lassen.

Wie dem auch sei, es wird der Tag kommen, wo CDs mit neueren Technologien nicht mehr kompatibel sind und auf andere Datenträger umkopiert werden müssen. Unter Fachleuten wird ein Zeitrahmen von 15 – 20 Jahren genannt, nachdem die Daten auf Datenträgern gleich welcher Art auf neuere Medien umkopiert werden müssen, um die Lesbarkeit für die Zukunft sicherzustellen. Dieser Vorgang des Umkopierens - in der Regel auf Datenträger mit größerer Speicherkapazität - wird im Fachjargon als Migration bezeichnet. Es ist also müssig zu diskutieren, ob eine CD 50, 70 oder 100 Jahre oder vielleicht sogar noch länger hält, weil sie dann sowieso keiner mehr lesen kann. Sie sollte aber in jedem Fall die 15 – 20 Jahre Migrationszeit überstehen, wovon heute bei Marken CDs und DVDs unter guten Lagerungsbedingungen ausgegangen werden kann.
Man kann sich also leicht ausmalen, was mit Papas digitaler Bildersammlung passiert, wenn die 50 Jahre auf dem Speicher steht und nicht gepflegt wird. Auf der anderen Seite kann ein gepflegtes digitales Archiv theoretisch unendlich lange aufbewahrt werden, weil dass Umkopieren der Daten verlustfrei von statten geht. Ein digitales Bild wird – im Gegensatz zum Dia – über die Zeit und auch beim Kopieren nicht schlechter. Es gibt hier nur zwei Zustände, entweder die Bilddatei ist in Ordnung oder sie ist defekt, wobei sich defekte Dateien in vielen Fällen reparieren lassen.

Was kann einen solchen defekt hervorrufen?
Natürlich die mechanische Beschädigung der Datenträger. Aber auch ein Produktionsfehler auf dem Datenträger oder ein Fehler in der Datenübertragung während des Kopiervorgangs. Zu guter Letzt noch ein Materialfehler auf dem Datenträger, der ihn vorzeitig altern lässt oder eine Veränderung, die durch Umwelteinflüsse wie z.B. falsche Temperatur oder Lagerungsbedingungen hervorgerufen wird.

Die mechanische Beschädigung und die Umwelteinflüsse lassen sich durch optimierte Lagerungsbedingungen minimieren. Die Produktions- und Übertragungsfehler werden durch eine Kontrolle des Datenträgers nach dem Brennen, die in allen gängigen Brennprogrammen aktiviert werden kann, erkannt und können durch erneutes brennen der Daten auf einen anderen Datenträger behoben werden. Was bleibt ist die Unsicherheit durch die Materialfehler, die durch die Wahl von Markenprodukten und ggf. solche mit ausgewiesen langer Haltbarkeit minimiert werden kann. Zusätzlich sollten digitale Daten in jedem Fall mindestens 2- besser 3-fach gesichert werden, um bei eventueller Beschädigung es Trägers, noch einen weiteren zur Verfügung zu haben.

Welches Dateiformat sollte verwendet werden?
Es gibt eigentlich nur 2 Anforderungen an das verwendete Dateiformat. Die erste ist, dass das Format ein Standardformat sein sollte, dass auch von vielen Programmen in der Zukunft noch lesbar ist. Und die zweite ist die Forderung, das sich die Datei im Falle eines auftretenden Fehlers mit einfachen Mitteln reparieren lässt.
Natürlich spielt auch der Erhalt der Bildqualität eine Rolle und die Dateigröße, also der notwendige Speicherplatz. Jedoch sind diese Anforderungen generelle Anforderungen, die an das Bild gestellt werden und nicht spezifisch für die Lagzeitarchivierung.

In der digitalen Fotografie kommen nur 2 ggf. 3 Dateiformate für die Langzeitarchivierung in Frage. Das eine ist das Tiff Format. Es besteht als Standard schon seit Mitte der 80er Jahre und wird sicherlich auch zukünftig von den gängigen Programmen unterstützt. Tiff-Dateien für die Archivierung sollten ohne Ebenen und ohne Kompression gespeichert werden. Sie lassen sich im Falle eines auftretenden Fehlers mit einfachen Werkzeugen reparieren, benötigen jedoch viel Speicherplatz. Deutlich weniger Platz benötigen die JPEG Dateien. Sie lassen sich im Falle eines Schreibfehlers aber leider nicht so leicht, in vielen Fällen sogar gar nicht reparieren. JPEG Dateien können aber mit jedem Bildbearbeitungsprogramm gelesen werden. Das 3. Dateiformat ist bisher noch nicht so weit verbreitet, es vereint aber die positiven Eigenschaften von JPEG und Tiff miteinander. Die Rede ist von JPEG 2000. Es ist in einer ISO Norm (ISO 15444) standardisiert, benötigt je nach Einstellung bei der Speicherung wenig Speicherplatz und ist so designed, dass es sich im Falle eines Fehlers leicht reparieren lässt. JPEG 2000 ermöglicht auch eine verlustfreie Kompression der Bilddaten.
JPEG 2000 ist übrigens auch in Photoshop CS integriert, wird aber aus mir bisher nicht bekannten Gründen standardmäßig nicht mit installiert. Das entsprechende Plugin befindet ich auf der CD unter Goodies/Photoshop only/File Format/.

Welcher Datenträger ist für die Speicherung der beste?
Die Beantwortung dieser Frage hängt von verschiedenen Faktoren ab, die je nach Anwendung eine unterschiedliche Priorität erhalten.
Die drei wichtigsten Faktoren sind:

1)Speicherkapazität
2)Zugriffszeit
3)Haltbarkeit

Für die Speicherung digitaler Bilddaten kommen derzeit 4 verschiedene Datenträger in Frage:

1)CD
2)DVD
3)Festplatte
4)Bandlaufwerke (streamer)

Der sicherste der genannten Datenträger ist zweifellos die CD. Sie bietet mit 700 MB jedoch den geringsten Speicherplatz. Bei einem hohen Datenaufkommen sammelt sich deshalb eine entsprechende Menge an Datenträgern an, die verwaltet und gelagert werden will.
Etwas mehr Speicherplatz bietet die DVD mit 4,7 GB. Sie dürfte aufgrund der Zusammensetzung in Punkto Haltbarkeit der CD sehr nahe kommen. Aber auch die DVD steht im Schrank und will für jedes gesicherte Bild in den Rechner eingelegt werden.
Den langsamsten Zugriff, eine mittlere Kapazität und die schlechteste Haltbarkeit bieten die Bandlaufwerke. Dafür können die Bänder mehrfach überschrieben werden und eignen sich deshalb für die kurzzeitige Sicherung.
Größere Institutionen, die ihre Bilder häufig verwenden, worunter z.B. Bildagenturen oder größere Zeitschriften fallen, setzen deshalb nur Festplatten oder komplette so genannte „Storage Solutions“ ein, die aus einem Festplatten Array und Bandsicherungslaufwerken bestehen. Bei letzteren wird zur Beschleunigung der Zugriffszeiten Buch geführt, welche Datei wie oft verwendet wird und entsprechend werden die oft benutzten Dateien auf den Festplatten gelagert und die selten benutzten auf den Bandlaufwerken. Da eine Festplatte nur ein paar Jahre hält, weil sie sich mit hoher Geschwindigkeit dreht und häufig benutzt wird, werden alle Daten mehrfach auf verschiedenen Datenträgern verteilt. Geht eine Festplatte kaputt, so kann diese im laufenden Betrieb aus dem Rechner herausgezogen und eine neue eingesteckt werden, ohne, dass Daten verloren gehen. Für die Verwaltung der mehrfachen Verteilung sorgt ein so genannter „Raid Controller“ (Redundant Array of Independent Disks) [1] [2] [3].

Strategie
Es gilt nun, die richtige Strategie für die Datensicherung aus Speicherkapazität, Zugriffsgeschwindigkeit, und Haltbarkeit auf Basis der genannten Datenträger zu entwickeln.

Dabei sollten wir noch einen kurzen Blick auf die Möglichen Ursachen eines Datenverlustes oder einer Beschädigung werfen:

1)eine Festplatte, DVD oder CD geht kaputt
2)Eine Festplatte enthält fehlerhafte Sektoren
3)ein Brand oder Diebstahl zerstört den kompletten Rechner
4)eine Datei, ganze Verzeichnisse oder sogar die Festplatte wird versehentlich gelöscht
5)ein Virus befällt den Computer
6)eine Software enthält einen Bug, der Daten unbeabsichtigt löscht

Für unsere Strategie gehen wir von mehreren Sicherungen aus, die in jedem Fall benötigt werden. Aufgrund der Viren- und Software Problematik benötigen wir eine zeitliche Entkopplung der Sicherungen und aufgrund der Brand- und Diebstahlgefahr benötigen wir eine örtliche Entkopplung.

Inkrementelle Backups
Zum besseren Verständnis der nachfolgend beschriebenen idealen Strategie ist noch der Begriff des inkrementellen Backups zu erläutern. Das bedeutet, dass in regelmäßigen Abständen die Daten, die neu hinzugekommen sind und die Daten, die gegenüber dem letzten Stand verändert wurden, auf eine externe Festplatte kopiert werden. Dabei unterscheidet man zwei Arten: zum einen ein wirkliches Backup, das bei veränderten Daten die alte Version erhält und die neue hinzu abspeichert und zum anderen ein reines Kopieren der veränderten Daten, das in einem Überschreiben der alten Version resultiert.
Ersteres setzt ein Backup Programm wie z.B. Retrospect voraus und führt dazu, dass man auf die Daten nicht direkt z.B. über einen Explorer o.ä. Zugreifen kann. Das einfache Synchronisieren führt zu einem Überschreiben der alten Version. Hierfür gibt es viele kleine Helfer wie FileSync oder Mr Mirror auf Windows oder You Synchronize für den Mac. Das einfache Synchronisieren ermöglicht einen direkten Zugriff auf die Daten über Finder oder Explorer.

Die ideale Speicherstrategie
Die ideale Strategie sieht damit so aus, dass zum schnellen Zugriff alle Daten auf der Festplatte im Computer liegen. Damit ein Ausfall der Festplatte abgesichert wird, enthält der Computer eine zweite, gleich große Festplatte, die mit der ersten gespiegelt wird (RAID 1, bietet Windows und auch Linux schon Betriebsystemseitig). Alle Daten sind also nahezu zeitgleich zweimal vorhanden und somit gegen Festplattendefekt geschützt. Zur räumlichen Entkoppelung werden die Daten z.B. jeden Abend inkrementell auf eine externe Festplatte (USB 2.0 oder FireWire) kopiert. Diese wird anschließend vom Computer getrennt und an einem anderen Ort gelagert. Daten, die langzeitarchiviert werden, werden in 2 facher Ausfertigung auf DVD gebrannt und in Regale an unterschiedlichen Orten gelagert, wobei auf die Verwendung von Markenprodukten und möglichst ideale Lagerbedingungen (kühl und nicht zu feucht, nicht zu trocken) zu achten ist. Damit die Datenmenge überschaubar bleibt, sollten Sie alle Bilder, die Sie sicher nicht mehr brauchen frühzeitig löschen.

In wie weit die Zeit oder der Geldbeutel diese Idealbedingungen beeinflussen, muss jedem Anwender und seinem Einsatzzweck überlassen werden. Aber Datensicherung ist wichtig!!! Keine zu haben, kann die Existenz des Fotografen gefährden.

Literatur und Links
[1] Datenmassen im Griff, Harald Bögeholz, c’t 03/2005
[2] http://www.speicherguide.de/magazin/special0903.asp?theID=121
[3] http://www.zdnet.de/enterprise/server/0,39023275,39119381-4,00.htm

Das Testen digitaler Kameras im Labor ist ein Verfahren, dass mit einem geringen Zeitaufwand und hoher Reproduzierbarkeit die Qualität digitaler Kameras erfassen und in einen messbaren Zusammenhang stellen soll. Dieses erfolgt in unserem Testlabor seit vielen Jahren mit grossem Erfolg. Von Zeit zu Zeit ist es aber notwendig diese Verfahren anhand von Kontrollen mit Bildern aus dem täglichen Leben zu überprüfen, was wir in Auszügen mit drei Spiegelreflexkameras einer Canon EOS 20D, einer Nikon D70 und einer Fujifilm FinePix S3Pro vergleichend getan haben.
Beurteilt wurden die Bilder auf einem kalibrierten und profilierten Monitor der Spitzenklasse. Die Kameras wurden der Vergleichbarkeit wegen alle mit Einzelfeld Autofokus und Programmautomatik im sRGB Modus und der Standardeinstellung betrieben. (Bitte beachten Sie, dass zur eigenen Beurteilung der Bilder ebenfalls ein Öffnen in einem Colormanagement-fähigen Bildbearbeitungsprogramm z.B. Photoshop und ein sauber kalibrierter und profilierter Monitor erforderlich ist.) Es wurden bewusst keine Rohdaten aufgenommen sondern JPEG Bilder in höchster Qualität, weil nur wenige Anwender die Zeit für die Einzelbildbearbeitung aufbringen wollen und deshalb überwiegend mit Jpeg arbeiten. Alle Bilder wurden aus der Hand aufgenommen, um praxisnahe Bedingungen zu schaffen.

Bevor wir anhand von Beispielbildern die Ergebnisse verdeutlichen, sollte vorweg genommen werden, dass alle drei Kameras in nahezu allen Situationen ordentlich belichtete Bilder mit einer guten bis sehr guten Qualität lieferten, die mit analogen Aufnahmen mehr als mithalten können. Die nachfolgend beschriebenen Unterschiede stellen das Tüpfelchen auf dem i heraus. Aus der großen Zahl der Bilder haben wir hier einige beispielhaft herausgegriffen.

Kinderportrait
Canon meistert dieses Portrait mit weich abgestimmten Lichtern, die nur in den Spitzen, aber noch tolerabel, ausfressen. Die Hauttonwiedergabe ist gut, wobei die Fuji einen noch etwas besseren Ton bei voller Lichterzeichnung aufweist.
Das Kinderportrait zeigt bei der Nikon eine recht steile Gradation mit ausgefressenen Lichtern. Das unangenehme ist der für die Nikon Kameras übliche harte Übergang zwischen den ausgefressenen Bereichen und dem Rest des Bildes. Der Hautton ist sehr ordentlich. Das übrige Bild wirkt aber deutlich kühler als bei Canon und Fuji.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Innenraum
Der etwas kühlere Charakter der Nikon zeigt sich auch bei der Innenraum-Aufnahme. Der Kontrast ist etwas zu steil und geht auf Kosten der Lichter und Schattenzeichnung. Etwas wärmer und weicher abgestimmt zeigen sich die Aufnahmen der Canon und der Fuji, wobei die S3 Pro die beste Durchzeichnung in der Lichter aufweist.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Vase
Bei diesem Bild zeigt sich die hervorragende Farbwiedergabe der Fuji ganz besonders. Ein reines Gelb und leuchtende Grüntöne lassen das Bild natürlich und angenehm erscheinen. Das sehr rötliche Gelb der Canon, das sich auch in die Grüntöne hinein zieht wirkt nicht so natürlich. Die Nikon liegt genau zwischen den beiden.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Blume
Bei der Blume fehlt es dem Bild der EOS 20D an Sättigung und dem Bild der Nikon an Detailzeichnung in den gesättigten Bereichen. Auch bei diesem Motiv weist die Fuji mit natürlicher Farbe, vorhandener Sättigung und guter Detailzeichnung die Richtung.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Obst
Für dieses Motiv liegt die Wiedergabe der drei Kameras recht eng beieinander. Die D70 ist wieder etwas kühler abgestimmt und die S3Pro zeigt kräftige aber natürliche Farben. Die Canon liefert etwas blasse Farben.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Terrasse
Dieses ist das einzige Bild, bei dem die automatische Belichtung der Fuji wirklich versagt und das Bild überbelichtet hat. In einem solchen Fall hilft dann auch kein höherer Dynamikumfang. Das Bild der D70 ist recht knapp in der Belichtung, was aber die Lichterzeichnung erhält und ein leichtes nachträgliches Aufhellen ist auch bei JPEG Aufnahmen möglich. Die Canon liegt auf der Grenze zwischen schon ausfressenden Lichtern und guter Schattenzeichnung.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Farn
In der Durchzeichnung des Holztisches dieser Szene zeigt sich der Vorteil des höheren Dynamikumfangs der S3Pro. Ist der Tisch bei den beiden anderen nahezu ohne Zeichnung, so zeigt das Bild der Fuji noch deutlich die Maserung des Holzes. Die übrigen Bereiche im Bild sind jedoch sehr ähnlich abgestimmt.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Bad
Auch in diesem Bild, das bei allen Kameras mit einer Belichtungskorrektur von -1 Blende aufgenommen wurde, zeigt sich die neutralste und am besten durchgezeichnete Aufnahme bei der S3Pro. Der Unterschied zu den beiden anderen ist jedoch nicht wirklich gravierend.

Canon EOS 20D


Nikon D70


Fuji S3Pro

Fazit
Alle drei Kameras weisen eine sehr ordentliche Belichtung und Farbwiedergabe auf und sind für den professionellen Einsatz zu empfehlen. Abgesehen von einem Ausreisser liefert jedoch die Fuji Finepix S3Pro die beste Farbwiedergabe und in einigen wenigen Grenzfällen macht sich auch das leichte Plus an Dynamik bildverbessernd bemerkbar. Ob dieser Vorteil den höheren Anschaffungspreis gegenüber den Mitbewerbern rechtfertigt, muss jeder für sich entscheiden.

• ungestrichenes (uncoated) Papier
  Das ungestrichene Papier besteht aus dem reinen Papierfilz ohne Beschichtung.
• gestrichenes (coated) Papier
  Das gestrichene Papier ist mit einer einfachen Beschichtung versehen.
• matt gestrichenes (matt coated) Papier
  Mit anorganischen Pigmenten beschichtetes, stark saugendes Papier mit einer matten Oberfläche.
• gussgestrichenes (cask coated) Papier
  In der Regel mit aufgequetschter Gelatine und/oder Mikrokeramiken beschichtetes Papier.
• Polyethylen beschichtetes (Resign coated) Papier

Darüber hinaus gibt es natürlich inzwischen eine Vielzahl von Textilien, Kunststoffen und anderen Materialen, die mit Tinte bedruckt werden können. Aber auch für diese gelten die nachfolgenden Bedingungen in entsprechend angepasster Form.

Unterlagen für die Tinten
Der Papierfilz ist mit Polyethylen beschichtet, auf den eine weitere Schicht, die fotografische Emulsion oder eine Tinten aufnehmende Polymerschicht, aufgebracht wird.
Die ersten drei genannten Papiertypen sind für den qualitativ hochwertigen Tintenstrahldruck nicht geeignet, da sie die Tinte ähnlich wie ein Löschpapier aufsaugen, was zu einem unscharfen und wenig brillanten Bildergebnis führt. Papiere vom Typ 1 finden sich als einfache Kopierpapiere im Handel. Ein Ausdruck auf diesem Papier ist schnell angefertigt und im direkten Vergleich mit einem guten Papier wird die minderwertige Qualität sofort sichtbar.
Die Papiere vom Typ 4 - 5 sind speziell für den Druck von digitalen Bildern entwickelt worden. Je nach Art der Beschichtung besitzen sie unterschiedliche Eigenschaften, die wir nachfolgend beleuchten.

Tinte auf den unterschiedlichen Papierstrukturen: v.l. ungestrichen, gestrichen, matt gestrichen, gussgestrichen, Polyethylen beschichtet.

Inkjet-Tinten
Die Farben, die vom Drucker auf das Papier aufgebracht werden, können unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Sie bestehen im wesentlichen aus zwei Komponenten: dem Lösungsmittel und dem Farbstoff. Die Kombination der verschiedenen Lösungsmittel und Farbstoffe wird vom Hersteller abhängig vom Druckverfahren und der gewünschten Anwendung fest gelegt. Die haltbarsten Farbstoffe sind die sogenannten Pigmente, die aus einer Zusammenballung von Farbstoffmolekülen bestehen. Ähnlich wie bei einer Tierherde, die sich auf engstem Raum drängt, um möglichen Angreifern eine geringe Angriffsfläche zu bieten, schützt diese Zusammenballung vor dem Zerfall des Farbstoffes durch Umwelteinwirkung. Da diese Farbstoffe naturgemäß deutlich größer sind als einzelne Moleküle, können sie die Düsen eines Tintenstrahldruckers leicht verstopfen. Für die Drucker, die einen Tintentropfen auf thermische Weise, also durch Druckerhöhung mittels Erhitzen aus der Düse drücken, kann der Tintenkopf entsprechend gefertigt bzw. angepasst werden. Bei Piezodruckern, die eine Druckerhöhung mittels eines elektrisch ansprechbaren Piezokristalls vornehmen, ist das schwieriger. Diese Druckköpfe sind mit feineren Düsen ausgestattet und neigen daher eher zu Verstopfungen. Einfache Farbstoffmoleküle oder kleinere Ansammlungen davon bieten zudem eine recht große Angriffsfläche für das Sonnenlicht und sind daher weniger lange haltbar. Aus diesem Grund versuchen die Papierhersteller, die Farbstoffe durch Moleküle im Papier zu binden und zu schützen.
Pigmentfarbstoffe werden in vielen Bereichen, wie z.B. in Metall- oder Autolacken eingesetzt. Auch in Laserdruckern finden sich Pigmentfarbstoffe wie z.B. das schwarze Graphit. Kopien oder Ausdrucke, die hiermit angefertigt werden sind „dokumentenecht“, also sehr lange haltbar. Ein Nachteil der Pigmentfarbstoffe für Tintenstrahldrucker war jedoch bis zum Aufkommen der Epson Ultra Chrome Tinten die deutlich geringere Brillanz der Farben. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem kleineren Farbraum. Dieses Manko ist heute weitestgehend ausgeräumt und die pigmentierten Tinten weisen einen Farbraum gleicher Größe auf.

Die Pigmente links sind die stabilste Form von Farbstoffen, sie sind gegenüber einzelnen Molekülen deutlich haltbarer.

Metamerie
Ein Problem tritt je nach Verwendung der Ausdrucke und Art der Verwendeten Tinte immer wieder in Erscheinung. Es handelt sich um den Wechsel des Aussehens eines Drucks, wenn dieser unter verschiedenen Lichtquellen betrachtet wird. So bekommt ein blauer Himmel unter Leuchtstoffröhren plötzlich einen Magentastich oder ein Grau, was unter Kunstlicht neutral aussah wird plötzlich grün. Dieses Phänomen, das mit dem Begriff der Metamerie belegt ist, kennen wir aber auch aus anderen Bereichen. Wer hat sich nicht schon eine Hose gekauft, die bei der Anprobe schwarz aussah, sich dann im Tageslicht aber dunkelblau herausstellt. Die Hersteller der Tinten und Papiere versuchen durch geeignete Materialwahl das Problem zu minimieren, ganz vermeiden lässt es sich aber selten.

Druckgeschwindigkeit
Auf der einen Seite möchte der Anwender sehr schnell zu seinen Ausdrucken kommen, auf der anderen Seite eine hohe Brillanz und Farbsättigung in seinen Bildern wiederfinden. Diese zwei Bedingungen stehen in enger Wechselbeziehung zueinander. Die Materialien, die eine schnelle Tintenaufnahme bieten, sind die Papiere mit einer mikroporösen Beschichtung.

Wie ein Schwamm nimmt die mikroporöse Schicht die Tinte auf, bis alle Poren voll sind.

Wie ein Schwamm saugt das Papier die Tinte auf und hält es über die Kapillarwirkung fest. Obwohl das Papier sich direkt nach dem Druck bereits trocken anfühlt, ist die Farbe jedoch alles andere als trocken. Der Vorteil dieser Papiere ist neben der schnellen Tintenaufnahme auch das Ausbleiben des - weiter unten besprochenen - Bronzings. Ein Nachteil ist aber die begrenzte Aufnahmefähigkeit für Tinte, die bei 20 - 30 ml/qm liegt. Sind die Kapillare gefüllt, bleibt die restliche Tinte auf der Oberfläche liegen und verschmiert (bleeding). Die üblichen, dem Foto ähnlichen Polyethylen-Papiere sind meist mit einem Polymer beschichtet, dieses quellt, ähnlich einem Reiskorn, bei der Wasseraufnahme auf und kann damit zu einer um den Faktor 10 dickeren Schicht werden. Die Tintenaufnahme ist etwa um den Faktor 10 langsamer, dafür kann eine erheblich größere Menge an Tinte aufgenommen werden. Das Trocknungsverhalten hängt sehr stark von der aufgebrachten Tinte und dem darin verwendeten Lösungsmittel ab. Wird der Drucker in einem zu schnellen Modus betrieben, so kommt es zu einer Art Tropfenbildung, der sogenannten Koaleszenz, vor dem Aufquellen, was zu der im gezeigten Bild sichtbaren Struktur führt.

Wird ein Papier, dass quellen muss, zu schnell bedruckt. So kann die Tinte nicht schnell genug in die Oberfläche eindringen und bildet Tropfen; ein Phänomen, dass als Koaleszenz bezeichnet wird. Das Bild zeigt die Struktur oben mit und unten ohne Koaleszenz.

Bei Polymerpapieren tritt häufig ein weiterer Effekt auf. Wird an einer Stelle eine große Menge Farbstoff aufgetragen, so kann in einigen Fällen das Lösungsmittel schneller in das Papier eindringen, als die Farbstoffe selbst. Letztere bilden dann eine Schicht auf der Papieroberfläche, die wie ein Spiegel wirkt und aussieht wie die Oberfläche einer Bronzestatue. Aus diesem Grunde wird der Effekt auch als Bronzing bezeichnet.

Die Ursache des Bronzing: das Lösungsmittel dringt vor dem Farbstoff in die Oberfläche ein und die Farbstoffe bilden eine metallisch aussehende Fläche.

Fehler im Print: Ein Bild mit ausgeprägtem Bronzing.

Wasserfestigkeit
Im Bereich der Wasserfestigkeit muss zwischen den Eigenschaften der Tinte und des Papiers unterschieden werden. Tinten auf wasserlöslicher Basis sind naturgemäß nicht wasserfest. Andere Lösungsmittel sind aber in vielen Fällen nicht umweltverträglich und kommen daher seltener zum Einsatz.
Ein der Feuchtigkeit ausgesetzter Papierfilz nimmt Wasser auf und verändert damit seine Struktur. Das Ergebnis ist ein Papier mit Wellen. Man spricht vom „cockln” des Papiers. Nur wenn der Papierfilz durch eine wasserundurchlässige Schicht vor Feuchtigkeit geschützt ist, tritt dieses Phänomen nicht auf. Diesen Schutz bieten lediglich die Polyethylen (PE) beschichteten Papiere.
Ein wirklich wasserfestes Papier muss also ein PE-Papier oder ein Film mit einer wasserunlöslichen Tinte sein. Aber selbst dann kann unter Umständen das für die Tintenaufnahme zuständige Polymer durch längere Einwirkung von Wasser von seiner Unterlage abgelöst werden.

Der Effekt von Wasserflecken tritt bei allen Papieren auf, bei denen das Wasser in den Papierfilz dringen kann. Polyethylenpapiere bleiben davon verschont.

Mechanische Beständigkeit
Im Drucker werden die Papiere durch Andruckwalzen bewegt. Ist die Beschichtung der Papiere zu weich, können diese WalzenSpuren auf dem Papier hinterlassen. Auch der mechanische Abrieb durch Kratzen auf der Oberfläche oder das Hinterlassen von Fingerabdrücken sind Qualitätsmerkmale eines Papiers. Häufig sind Fingerabdrücke auf dem Ausdruck aber auf das Berühren des Papiers mit den Fingern vor dem Druck zurückzuführen. Der dabei hinterlassene Fettfilm behindert die Tintenaufnahme und führt zu sichtbaren Defekten.

Luftfeuchtigkeit
Ein in unseren Breiten nicht so gravierendes, aber in anderen Klimazonen äußerst problematisches Phänomen, ist die Anfälligkeit von Tintenstrahldrucken gegenüber Luftfeuchtigkeit. Diese äußert
sich vornehmlich auf zwei Arten: Papierverformung und Tintendiffusion.

Eine Verformung des Papiers hat wahrscheinlich jeder schon einmal an Fotos beobachtet. Legt man diese in die Sonne oder hält Papier über Wasserdampf, so beginnt es sich zu wellen. Das gilt auch für Polyethylenpapier. Es nimmt Feuchtigkeit auf, was zu unterschiedlichen Oberflächenspannungen auf der Papierober- und -unterseite führt. Diese Feuchtigkeitsaufnahme erfolgt auch bereits bei dem Bedrucken mit in Wasser gelöster Tinte. Aus diesem Grunde wird die Oberflächenspannung bei der Herstellung entsprechend eingestellt. Gegen das Wellen (engl. curling) sind die Techniker weitgehend machtlos.
Anders sieht es bei der Tintendiffusion aus. Wird das Papier feuchter, so können viele Farbstoffe durch Diffusion ihre Lage verändern. Der Druckpunkt weitet sich aus, was als Migration bezeichnet wird. Da die Farbstoffe, je nach Farbe, unterschiedlich groß sind, können bestimmte Farben - meist die gelbe - leichter ihre Lage verändern als andere, was zu sichtbaren Farbstichen führt. Die Diffusion kann durch Zugabe von Substanzen vermindert werden, die Farbstoffmoleküle binden und an einem Ort festhalten. Häufig dienen diese Substanzen auch noch dem Schutz vor Zerfall der Farbstoffe durch Lichteinwirkung.

Lichtbeständigkeit
Farbstoffe sind als Farben sichtbar, weil sie einen Teil des weißen Lichtes, mit dem sie beleuchtet werden, absorbieren und den übrigen Teil reflektieren. Der gelbe Farbstoff absorbiert beispielsweise Blau und reflektiert Grün und Rot. Der absorbierte Bereich ist mit einer Energieaufnahme verbunden, die mit der Zeit zu einem Zerfall des Farbstoffes führt. Je nach Farbstoff und seiner Lage zum Licht ist dieser Zerfall mehr oder weniger schnell. Die härtesten klimatischen Bedingungen für Farbstoffe finden sich z.B. in Florida. Hohe Luftfeuchtigkeit gepaart mit intensiver Sonneneinstrahlung liefern ideale Bedingungen für beschleunigte Alterungstests. Hierzulande übliche „Haltbarkeitstests“ bei denen die zu vergleichenden Papiere an eine Fensterscheibe geklebt werden, sind damit äußerst fragwürdig, da es sich hierbei um eine Kombination der Alterungserscheinungen durch Lichteinwirkung und dem Einfluss hoher Feuchtigkeit durch morgendliches Kondenswasser im Fensterbereich handelt. Die Entwicklungen der Papier- und Tintenhersteller in den letzten Jahren haben dafür gesorgt, dass es mittlerweile Papier und Tinten-Kombinationen – sogar nicht pigmentierter Tinten – gibt, die haltbarer als klassische fotografische Materialien sind.

Agressive Gase
Ebenso wie die Einwirkung von Licht können auch agressive Gase wie Ozon oder Formaldehyd Farbstoffe zerstören. Diese Zerstörung kann durch verschiedene Papierbestandteile noch begünstigt werden. Pigmentfarbstoffe haben hier wieder den Vorteil der geringen Oberfläche und bestimmte Zusätze im Papier können die Farbstoffe schützen. Gegen die Zerstörung durch Gase hilft aber auch eine Laminierung mit Folie oder ein Rahmen der Bilder hinter Glas.

Fazit
Es hat sich im Bereich der Tintenstrahltechnologie in den letzten Jahren enorm viel getan. Dementsprechend groß ist die Auswahl an Papieren, Druckern und Tinten – und auch an Qualität und Haltbarkeit. In jedem Fall ist eine Lagerung der Inkjet-Ausdrucke in Dunkelheit (im Karton oder Album) bei einer Luftfeuchtigkeit von weniger als 50% und Temperaturen möglichst unter 25 Grad zu empfehlen. Ein Eintüten der Drucke in Pergamintaschen, wie sie von der Negativarchivierung bekannt sind, ist von Vorteil. Bei Folien ist aber Vorsicht geboten. Sie dürfen nicht aus Polyvinylchlorid (PVC) bestehen oder Weichmacher enthalten.
Für Bilder, die an der Wand hängen, hilft der Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung und eine Laminierung mit UVSchutzfolie, aber das frühestens 24 Stunden nach dem Druck, damit die Tinte ausreichend getrocknet ist – auch wenn sich der Ausdruck bereits trocken anfühlt.

Für ihre Unterstützung möchte ich mich bei Frau Dr. Rita Hofmann von der Forschungsabteilung für Inkjetdrucke der Firma Ilford in der Schweiz bedanken.

Das Speicherprinzip
Bei Flash-Memory-Speichern handelt es sich um elektronische Halbleiterbausteine, die auf dem Prinzip von EEPROMs (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) basieren. EEPROMs sind die Weiterentwicklung von ROM-Bausteinen, die ursprünglich Informationen wie etwa das BIOS von Computern enthielten. Die Informationen, die einmal dort hinein geschrieben wurden, konnten nicht mehr gelöscht werden. Diese Bausteine wurden zu EPROMS weiterentwickelt, die sich mit UV-Licht wieder löschen und neu beschreiben ließen. Die EEPROMs lassen sich nun elektrisch wieder löschen und neu beschreiben.

Das FlashMemory funktioniert wie folgt:
Ist das Gate positiv geladen, so entsteht zwischen Quelle und Abfluss ein Ladungstunnel, und es kann Strom fließen. Ist das Gate nicht geladen, so wirkt das p-Silizium wie ein Isolator – es kann kein Strom fließen. Die Aufladung des Gates erfolgt stoßweise über einen Kondensator, was dem Speicher den Namen „Flash“ (Blitz) gegeben hat. Der Ladungszustand des Gates repräsentiert die gespeicherte Information, die über die Abfrage – es fließt Strom oder nicht – ausgelesen werden kann. Das einzelne FlashMemory speichert also nur ein Bit (eine Ja/Nein- oder /0-Information), während die Datenkapazität einer 1-GB-Speicherkarte fast 8,6 Milliarden Bit entspricht. Demzufolge müssen in einer Speicherkarte nicht nur entsprechend viele Bausteine Platz finden, sondern auch ansprechbar sein – also beschrieben und ausgelesen werden.

Der Aufbau des Datenspeichers
Die einzelnen Speicherbausteine schalten die Hersteller zu größeren Blöcken zusammen, die wiederum von einem Controller gelesen und beschrieben werden. Dabei sind die Schaltungen auf verschiedenen logischen Bausteinen aufgebaut. Die ersten Flash-Bausteine wurden 1988 von Intel entwickelt und basierten auf den NOR-Bausteinen.

Die Wahrheitstabelle für eine NOR- (not or = nicht oder) und eine NANDSchaltung (not and = nicht und). Dabei sind A und B die Eingangssignale, und die jeweilige Verknüpfung liefert das Ausgangssignal.

Diese Schaltungen sind relativ langsam beim Löschen und Schreiben der Informationen. Dafür ermöglichen sie das sofortige Ansprechen jedes beliebigen Speicherplatzes. Die ersten Generationen von CompactFlashund SmartMedia-Karten basierten auf diesen Bausteinen. 1989 entwickelte Toshiba Flash-Bausteine basierend auf der NAND-Schaltung, die schneller gelöscht und gelesen werden konnten. Dafür erlaubt diese Technologie nur den sequentiellen Zugriff auf größere Speichersegmente. Diese Technik bildet die Basis für SD-Karten, MMCKarten und den Memorystick.

Der Aufbau der SD-Karte (links; Quelle: www.sdcard.org) zeigt die Belegung der verschiedenen Kontakte. Die einzelnen Signale werden vom „Interface Driver“ an den Controller weitergegeben, der für die Zuordnung der Informationen zum eigentlichen Speicher, dem Memory Core sorgt. Der Aufbau der CompactFlash-Karte (rechts, Quelle: www.compactflash.org) ist nahezu identisch. Er ist in der Grafik nur stark vereinfacht dargestellt.

Auch modernere CompactFlash-Karten verwenden diese Technologie, weil sie für die Massenspeicherung von Daten, wie digitale Bilder, Geschwindigkeitsvorteile bietet. In den vergangenen Jahren wurde die Fertigungstechnologie für FlashMemory-Bausteine verfeinert und damit die Dichte an Informationen und die Schreib und Lesegeschwindigkeit auf den Bausteinen und im Controller deutlich erhöht. Aus diesem Grunde finden sich inzwischen schnelle CompactFlash-Karten mit bis zu 8 GB Speicherkapazität. Leider erreichen auch die heutigen Karten nicht die Schreibgeschwindigkeit
einer modernen Festplatte. Aber immerhin können moderne SD-Karten von Panasonic (Matsushita) heute die hohen Datenmengen von Videosequenzen aufzeichnen und sind deshalb für den Einsatz in Camcordern geeignet. Die wesentlichen Hersteller für die Speicherbausteine sind Matsushita, Toshiba und Intel.

Ist das Gate (oben) positiv geladen, dann kann zwischen Quelle und Abfluss Strom fließen. Ist es nicht geladen, dann wirkt das Silizium wie ein Isolator, und es kann kein Strom fließen.

Karten-Kontrolle
Wie bereits erwähnt, ermöglichen Controller den Zugriff auf die einzelnen Speichersegmente. Während bei den meisten Karten der Controller in der Karte steckt, ist er bei der SmartMedia- und der XD-Card in die Lesegeräte und Kameras ausgelagert. Dieses Konzept sollte für günstigere Kartenpreise sorgen, weil der Controller sich nur einmal im Lesegerät befindet und nicht auf jede Karte muss. De facto hat es aber keine wesentlichen Preisvorteile gebracht, sondern stattdessen bei einigen Kameras zu Problemen
geführt. So konnten neuere Karten von älteren Kameras teilweise nicht mehr gelesen werden, weil der Controller nicht für die höheren Speicherkapazitäten ausgelegt war. Dieses ist insbesondere Olympus sowohl mit der älteren SmartMedia-Karte als auch mit der xD-Picture-Karte passiert. Es ist also besser, wenn sich der Controller auf der Speicherkarte befindet und auf diese abgestimmt ist, um Inkompatibilitäten drastisch zu reduzieren. Auf den meisten Karten wie CF, SD, MMC oder Memorystick befinden sich denn auch die entsprechenden Controller, und die Kameras oder Lesegeräte haben kein Problem mit dem Speicherzugriff. Nun muss lediglich der Datenbus ausreichen, um die Bilddaten schnell an den Controller zu übergeben. Hier liegt heute in den meistenFällen der Flaschenhals, wenn es um die Geschwindigkeit bei der Datenübertragung geht.
Der Unterschied in der Technologie zwischen den einzelnen Karten ist also gar nicht groß. Lediglich die geänderte Geometrie und die damit verbundene Verschaltung ist anders. Hinzu kommt noch, dass die SD-Card und die neueren Versionen des Memorysticks zusätzlich über Kopierschutz- und Überspielschutz-Mechanismen verfügen. Diese sollen zum einen ein versehentliches Überspielen von Informationen verhindern und zum anderen die Copyright Interessen von Musik- und Filmindustrie schützen. Die verschiedenen Schutzmechanismen, wie z. B. die Verschlüsselung bestimmter Informationen, sind jedoch nur wirksam verwendbar – wie beim DVD Player gesehen –, wenn sie sowohl in den Karten, als auch in allen Lesegeräten implementiert sind und nicht umgangen
werden können.

Erschienen: in Color Foto 1/2005

Speicherkarten Vergleich


Speicherkarten Vergleich

Einige Jahre ist es nun her, dass die CMOS Sensoren als lichtelektrische Wandler Einzug in Digitalkameras hielten. Ende der 90er Jahre lieferten sie eher schlechte Bilder. Heute hat sich das drastisch geändert und diese Sensoren werden unter anderem in professionellen Spiegelreflexkameras wie der Canon EOS 1D Serie und der Nikon D2 Serie eingesetzt.

Derzeit sind die CCD Sensoren und die CMOS Sensoren immer noch die beiden Sensorfamilien, die miteinander im Wettstreit liegen. Sensorfamilien deshalb, weil auch Typen wie der SuperCCD von Fujifilm einen speziellen Typ von CCD Sensor darstellt und Foveon sich für seinen „drei Lagen“ Sensor des CMOS Prinzips bedient.
Nikon nimmt für sich in Anspruch, dass der LBCAST Sensor einen neuen Sensortypen darstellt. Beim näheren hinschauen stellt man aber fest, dass es sich dabei auch um eine Modifikation des klassischen CMOS Sensors handelt, der vielleicht eine spezielle Variante darstellt, die sch von klassischen CMOS aber nicht stärker unterscheidet, als ein Foveon oder SuperCCD von der jeweiligen Grundform.

Betrachten wir zunächst die Sensortypen im Einzelnen ohne dabei auf die elektronische Seite zu achten, die die wesentlichen Unterschiede zwischen CMOS und CCD beinhaltet:

Die Varianten des konventionellen CCD Sensors in der digitalen Fotografie:
Schwarz/weiß Sensor mit 3 Shot
Zunächst gab es CCD Sensoren nur als schwarz/weiß Sensoren, die Helligkeiten aber keine Farben aufzeichnen konnten. Für die Farbfotografie mussten deshalb nacheinander 3 Aufnahmen durch rote, grüne und blaue Glasfilter aufgenommen werden. Da sich die Glasfilter sehr gut auf die Empfindlichkeiten des Sensors abstimmen lassen, war die Qualität der Farbwiedergabe bei diesen Sensoren sehr gut. Aufgrund des zeitlichen Versatzes der drei Aufnahmen war es aber nicht möglich bewegte Objekte in Farbe aufzunehmen.

Farbsensor mit Bayer Pattern
Der derzeit gebräuchlichste Sensor ist der CCD Sensor mit aufgebrachtem Mosaikfarbfilter. Vor jedem Element des Sensors befindet sich also ein Farbfilter, wobei die Anordnung der Farben Rot, Grün und Blau so gewählt wird, dass sich in einer Reihe Rot und Grün und in der nächsten Reihe Blau und Grün abwechseln. Die Grünen Filter in den einzelnen Reihen sind dabei zueinander um 1 Pixel verschoben. Diese Anordnung der Filter geht auf einen Herrn Bayer von Kodak zurück und wird deshalb auch als „Bayerpattern“ bezeichnet. Sie beinhaltet also, dass 50% der Pixel grünempfindlich sind und jeweils 25% rot- und 25% blauempfindlich. In jeder Reihe und in jeder Spalte finden sich dabei grünempfindliche Sensoren, was sehr wichtig ist, da die Helligkeitsinformation entscheidend für die wahrgenommene Schärfe im Bild ist und die Helligkeitsinformation zu 60% vom Grünwert bestimmt wird.

Y= 0,3 R + 0,6 G + 0,1 B
Die Formel für die Umrechnung von Farb- in Graustufenbilder.

Für jedes Sensorelement wird auf diesem Wege nur ein Farbwert erfasst. Die beiden anderen Werte müssen aus den umliegenden Pixeln errechnet werden, was bei scharfen Farbkanten und feinen Mustern zu Fehlern führen kann, die z.B. als Moiré Strukturen auftauchen. Ein Beispiel für solche Miroé Strukturen ist z.B. der Tageschausprecher, dessen fein gemustertes Sakko plötzlich in allen Farben zu schillern anfängt. Strukturen, die nicht in der fotografierten Szene vorhanden waren oder als Rauschen von der Elektronik stammen, sondern durch die interne Bildverarbeitung in ein Bild hinein gelangen, werden unter dem Begriff Aliasing Artefakte zusammengefasst.

Farbsensor mit dichroitischem Prisma
Im professionellen Videobereich sehr verbreitet, in der digitalen Fotografie inzwischen aber nicht mehr zu finden, ist die Verwendung mehrerer Sensoren in einer Kamera in Verbindung mit einem Prisma. Dieses zerlegt das Licht in die Rot-, Grün- und Blaubestandteile und schickt es auf die jeweiligen Sensoren. Eine recht interessante Technologie, die jedoch in der Fotografie an zwei Punkten scheitert. Der eine ist die Tatsache das der Sensor in digitalen Kameras einer der teuersten Bausteine ist und die Verwendung von drei Sensoren den Preisrahmen sprengen würde und der zweite Punkt ist die Tatsache, dass die Justage der Sensoren zueinander bei den recht groben Videosensoren funktioniert, bei den hochauflösenden Sensoren mit Pixelgrößen unter 0,003 mm aber nahezu unmöglich ist.

Makroscanning
Um die Aliasing Artefakte zu minimieren werden von einigen Herstellern Rückteile für Mittelformat- und Studiokamera angeboten, die 4 Aufnahmen hintereinander machen und dabei den Sensor jeweils um ein Pixel verschieben. Auf diese Weise erhält der Anwender ein Bild, das aus 4 Einzelbildern zusammengesetzt wird. Dabei wird an jedem Ort jeweils einmal die Rot- und Blauinformation und zweimal die Grüninformation erfasst.
Das fotografierte Objekt darf sich zwischen den Aufnahmen allerdings nicht bewegen.

Microscanning
Bei nahezu allen Sensoren ist der so genannte „fill factor“ kleiner als 100%. Das bedeutet, dass die lichtempfindliche Fläche der Pixel kleiner ist, als das gesamte Pixel. Wird nun der Sensor um Bruchteile eines Pixels verschoben und jeweils ein Bild erfasst, so lässt sich aus den Einzelbildern ein Gesamtbild rechnen, dessen Detailwiedergabe deutlich besser ist. Dieses als Microscanning bezeichnete Verfahren wird ebenfalls in einigen Studiorückteilen verwendet und sorgt für Auflösungen bis an die 90 Megapixel.

Der Fuji Super CCD Sensor
Fujifilm hat vor einigen Jahren den Super CCD Sensor auf den Markt gebracht der, wie der Name schon sagt, auf der CCD Technologie basiert. Im Gegensatz zum herkömmlichen CCD Sensor hat Fuji den Super CCD um 45° gedreht, was zu einem geringeren Abstand der lichtempfindlichen Bereiche in horizontaler und vertikaler Richtung führt. Durch die 8 Eckige Form und die Art des Ladungstransports konnte darüber hinaus der lichtempfindliche Bereich vergrößert werden.
(konventioneller Sensor.eps, Fuji Sensor 01.eps)
In der Praxis hat sich tatsächlich eine höhere Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung gezeigt. In den Diagonalen gibt es aber richtungsabhängig sehr starke Unterschiede. Der Super CCD Sensor zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus und weist durchschnittliche Werte für Dynamikumfang und Rauschen auf, die sich aber interessanterweise bei höheren Empfindlichkeiten nicht so sehr verschlechtern, wie das bei den meisten anderen Sensoren der Fall ist.

Im letzten Jahr hat Fujifilm die Super CCD Sensorfamilie in zwei Teile geteilt. Den HR (High Resolution) Sensor und den SR (Super Dynamic Range) Sensor. Der HR Sensor verfolgt die klassische Super CCD Technologie im Gegensatz zu dem SR Sensor, der für jedes klassische Sensorelement in zwei lichtempfindliche Bereiche geteilt wird: einen hoch empfindlichen mit großer Lichtempfangsfläche und einen niedrigempfindlichen mit kleiner Lichtempfangsfläche. Der Sensor mit der kleinen Fläche zeichnet – vereinfacht gesagt – ein unterbelichtetes Bild auf, das aber bei hohen Kontrasten in der fotografierten Szene noch Zeichnung in den Lichtern beinhaltet, die das Bild des anderen Bereiches nicht mehr erfassen konnte. Die beiden Bilder werden anschließend von der Kamera zusammen gefügt und erhöhen so den Dynamikumfang der Kamera. Das Prinzip funktioniert in der Praxis tatsächlich, wie unsere Tests zeigen.

Der Foveon Sensor
Der Firma Foveon ist es gelungen einen Effekt zu nutzen, der bei Sensoren schon sehr lange bekannt ist. Es handelt sich dabei um die Tatsache, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge/Farbe unterschiedlich tief in das lichtempfindliche Silizium eindringt bevor es Absorbiert und in Elektronen umgewandelt wird. Man munkelt, dass es zu diesem Effekt bereits in den 80er Jahren ein Patent gegeben habe, das aber nicht in ein konkretes Produkt eingeflossen ist. Foveon hat es nun geschafft einen Sensor oder besser gesagt drei übereinander liegende Sensoren zu bauen, die das Licht unterschiedlicher Wellenlänge erfassen. Damit das möglich war musste man sich der CMOS Technologie bedienen und auch dann hat man noch mit einer Reihe von Problemen zu kämpfen gehabt. So ist die unterschiedliche Eindringtiefe des Lichtes ein statistischer Vorgang. Das bedeutet, ein Teil des roten Lichtes wird auch in der blauen und grünen Schicht absorbiert, was zu einer nicht ganz eindeutigen Trennung der Farben führt. Auch mir einem recht starken Rauschen, also mit Störungen im Bild hatte man zu kämpfen. Die Vorteile sind jedoch, dass an jedem Ort mit einer Aufnahme alle drei Farben erfasst werden und keine Artefakte durch die Berechnung fehlender Farben entstehen. Aus diesem Grunde konnte man auch den Anti Aliasing Filter vor dem Sensor weglassen, was zu einer höheren Detailwiedergabe und Schärfe führt.
Die Probleme des Sensors hat Foveon erstaunlich gut in den Griff bekommen und die Bilder des derzeit einzigen populären Produkts mit dem Sensor – der Sigma SD10 - können sich mehr als sehen lassen.

Nikon LBCAST Sensor
Im Gegensatz zu den o.g. Sensoren, die schon auf der lichtempfindlichen Seite eine besondere Anordnung aufweisen, unterscheidet sich der Nikon LBCAST Sensor von Standardsensoren im wesentlichen auf der elektronischen Seite. Die Abkürzung LBCAST steht für Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array. Der Sensor verwendet neben einer speziellen Art von Transsistoren, den so genannten JFETs (Junction Field Effect Transistor) auch eine besondere Art der Auslesung. Die Auslesekanäle sind so angeordnet, dass einer die Grüninformation und der zweite die Rot, Blau Information ausliest, was einige Bildbearbeitungsschritte in der Kamera beschleunigt. Die Nikon Entwickler haben die lichtempfindliche Fläche vergrößert, weil sie im Gegensatz zu einem herkömmlichen CMOS beim LBCAST nur 3 statt 4 Transistoren verwendet werden und dadurch Fläche sparen. Nach anfänglichen Problemen mit hohem Rauschen bei der D2H weisen die neueren Kameras der D2 Serie ein deutlich geringeres Rauschen auf und liefern eine hervorragende Bildqualität.

CCD contra CMOS Elektronik
Kommen wir zum Unterschied von CMOS und CCD, der im Wesentlichen hinter dem lichtempfindlichen Bereich liegt, denn beide Sensoren sind Metal-Oxyd Halbleiterbausteine deren lichtempfindlicher Bereich aus dotiertem Silizium besteht und in Pixel aufgeteilt sind. In beiden Sensoren werden proportional zur auftreffenden Lichtmenge Elektronen erzeugt.

Der wesentliche Unterschied der beiden Sensorfamilien besteht nun darin, dass beim CCD die Elektronen transportiert und an einem Punkt in Spannungen konvertiert werden. Beim CMOS Sensor hingegen werden die Elektronen über Transistoren bereits im Pixel in Spannungen gewandelt. Diese Spannungen müssen dann anschließend per Analog/Digital Wandler in binäre Worte aus 0 und 1 konvertiert werden, die der Computer dann weiter verarbeiten kann. Diese Konvertierung kann beim CMOS Sensor theoretisch auch schon auf jedem Pixel geschehen, praktisch wird das aber nur selten getan.
Das bedeutet, dass bei einem CMOS Sensor ein großer Teil der Signalverarbeitung bereits im Sensor integriert wird. Beim CCD hingegen erfolgt der größte Teil der Verarbeitung in den nachgeschalteten, elektronischen Bausteinen. Das Eine wie das Andere hat Vor- und Nachteile, die wir uns im Folgenden näher anschauen.

Vor einigen Jahren wurde als ein wesentlicher Punkt für die Verwendung von CMOS Sensoren die niedrigen Produktionskosten angeführt. Hätte man die Maschinen für die Produktion von Speicherbausteinen für den Computer verwenden können, wie zunächst vermutet, so wäre die Produktion von CMOS Sensoren tatsächlich günstiger gewesen. Da aber die Anforderungen der Lichtempfindlichen Sensoren von denen der Speicherbausteine abweichen, hat man neue Fabriken mit Anlagen bauen müssen, die sehr viel feinere Strukturen (0,0003 mm) realisieren als die für Speicherbausteine (0,0006 mm). Das hat dazu geführt, das gute CMOS Sensoren genauso teuer in der Herstellung sind, wie CCD Sensoren.

Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit der CMOS Sensoren ist sehr hoch, weil die Elektronen/Spannungs-Wandlung im Pixel stattfindet. Hier können sehr hoch verstärkende Transistoren eingesetzt werden, die einen niedrigen Stromverbrauch haben. Das Problem der Verstärkung auf jedem Pixel ist, dass fertigungsbedingt Ungleichmäßigkeiten in der Verstärkung auftreten, so dass bei gleicher Beleuchtung nicht jeder Sensor das gleiche Signal liefert, was sich als Störungen / Rauschen im Bild bemerkbar macht. Dieses Problem lässt sich durch eine entsprechende Verschaltung minimieren. Man spricht in diesem Fall – ironischerweise - von APS Sensoren (Active Pixel Sensor). (Hat APS doch eine Zukunft?)
Die Verschaltung des CMOS Sensors ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise, die bei kleinen Kameras gefragt ist.

Dynamikumfang
Als Dynamikumfang eines Sensors bezeichnet man das Verhältnis des maximalen Signals (Sättigung) zum Raschen. Hier hat der CCD Sensor klar die Nase vorn, weil er ein deutlich geringeres Rauschen aufweist. Der Grund dafür ist, dass er aufgrund der externen Signalverarbeitung mit weniger elektronischen Bausteinen auskommt die dazu noch qualitativ besser sind.

Dunkelstrom
Wird ein Sensor mit aufgestecktem Objektivdeckel belichtet, so sollte das Bild eigentlich schwarz, also die digitalen Werte 0 sein. Das ist in der Regel aber nicht der Fall. Die digitalen Werte variieren im unteren Bereich. Diese Werte stammen vom Rauschen und im Wesentlichen vom so genannten Dunkelstrom. Das heißt es entstehen aufgrund der Temperatur zufällig freie Elektronen, deren Zahl mit sinkender Temperatur abnimmt. Dieser Dunkelstrom ist beim CCD über die Fläche des Sensors auf etwa dem gleichen Niveau. Da beim CMOS die Verstärker auf den Pixeln schwanken, ist dort der Dunkelstrom unterschiedlich, was bei High Speed Anwendungen unter schlechten Lichtverhältnissen Probleme bereitet.

Verschluss
Die meisten CCD Sensoren – insbesondere die interline transfer CCDs, die in vielen Consumer Digitalkameras stecken - benötigen keinen mechanischen Verschluss. Die Belichtungszeit, also die Zeit innerhalb der die Elektronen gesammelt werden, wird elektronisch gesteuert.
Um einen Verschluss auf einem CMOS Sensor zu realisieren müssen extra Transistoren auf jedem Pixel angebracht werden, die auf Kosten der „aktiven Fläche“ und damit der Lichtempfindlichkeit gehen. Ohne die extra Transistoren pro Pixel kann der Verschluss nur Zeilenweise gesteuert werden, was zu Verzeichnungen bei bewegten Objekten führt.
Die Transistoren auf einem CMOS Sensor bilden einen „optischen Tunnel“, weil das Licht auf die lichtempfindliche Fläche im Tal zwischen den Transistoren treffen muss.

Geschwindigkeit
Durch die Integration aller Funktionen direkt auf dem Sensor weist der CMOS Sensor weniger Stromverluste auf und ist dadurch schneller in der Signalverarbeitung. Die CCD Sensoren weisen hingegen die höheren Lichtempfindlichkeiten auf, können also kürzer belichtet werden. Dafür dauert das Verarbeiten der Daten länger.

Bildung von Auslesebereichen (Windowing)
Benötigt eine Anwendung (z.B. Videoaufnahmen) nicht alle Pixel auf einem Sensor, so ermöglichen einige CMOS Sensoren ein Beschränken der ausgelesenen Pixel auf einen definierbaren Bereich. Diese Möglichkeit ist bei CCD Sensoren stark eingeschränkt.

Antiblooming
Mit Blooming bezeichnet man das „Überlaufen“ der Elektronentöpfe in die Nachbarpixel, wenn die Belichtung an einer Stelle zu stark ist. Dieses passiert bei CMOS Sensoren aufgrund der Verschaltung grundsätzlich nicht. CCD Sensoren für die Fotografie haben extra einen Schutz gegen das Blooming eingebaut.

Auslesen
Das Auslesen der CMOS Sensoren ist in der Regel unproblematisch. CCD Sensoren stellen hierzu hohe Anforderungen an Stromversorgung und elektronischer Taktung, da die Elektronen nacheinander ausgelesen werden müssen und der Sensor sich dabei nicht „verschlucken“ darf.

Fazit
Es gibt eine Vielzahl von Sensorvarianten, die sich in den beiden Familien CCD und CMOS zusammenfassen lassen. Jeder Sensor hat seine Vor- und Nachteile, die auf den Punkt gebracht so formuliert werden können: CCD Sensoren liefern die bessere Bildqualität und die höhere Empfindlichkeit, moderne CMOS Sensoren liefern eine für die Fotografie akzeptable Bildqualität in Verbindung mit einer kompakteren Bauform der Elektronik und der variableren Einsetzbarkeit.

Vergleich der Eigenschaften und Leistungen von CCD und CMOS Sensoren

Quelle: Dalsa

Fixed Pattern noise
Aufgrund von Herstellungstoleranzen weist jedes Pixel eine etwas unterschiedliche Empfindlichkeit auf, was sich bei gleichmäßigen Flächen im Bild durch leichte Schwankungen von Pixel zu Pixel bemerkbar macht.

Photon shot noise
Bei gleicher Beleuchtung besteht eine statistische Abweichung in der Anzahl der dadurch erzeugten freien Elektronen. Dieses macht sich ebenfalls durch leichte Schwankungen von Pixel zu Pixel bemerkbar.

Dark current shot noise
Auch ohne Licht werden temperaturabhängig freie Elektronen in jedem Pixel erzeugt, die das Bild in den dunklen Bereich stören können.

Reset noise
Nach dem Auslesen des Verstärkers, der die Elektronen in elektrische Spannungen umsetzt, muss dieser zurückgesetzt werden, wobei eine gewisse Zahl von Elektronen erzeugt wird. Dieses kann bei CCD Sensoren durch eine geschickte Verschaltung, dem so genannten correlated double sampling korrigiert werden.

Thermal noise
Durch Temperatureinflüsse können an jedem elektronischen Baustein Störungen auftreten, die zusammengefasst als thermal noise bezeichnet werden.

Das Beugungsbild zeigt ein helles Zentrum, das von hellen und dunklen Ringen umgeben ist, wobei die Helligkeit nach außen hin schnell abnimmt.

Der Radius des Beugungsscheibchens bzw. des hellen Zentrums berechnet sich aus:

mit
d’ = Radius des Beugungsscheibchens
lambda = Lichtwellenlänge
DEP = Durchmesser der Eintrittspupille
K = Blendenzahl

Je größer die Blendenzahl, desto größer das Beugungs- oder Airy-Scheibchen. Die Frage, die sich nun stellt ist: „Ab wann wird die Beugung zum begrenzenden Faktor für die Detailwiedergabe also die Auflösung?“ Dazu ist zunächst einmal zu betrachten, ab wann der Mensch die Beugungsscheibchen als getrennte Punkte wahrnimmt? Diese Untersuchung wurde 1879 von Lord Rayleigh durchgeführt und veröffentlicht. Sie zeigt, dass die Intensität des Bereiches zwischen 2 Airy-Scheibchen auf 81% der Maximalintensität abgefallen sein muss, damit die Scheibchen mit dem Auge als getrennt wahrgenommen werden kann. Dieses ist genau dann der Fall, wenn die Maxima der Beugungsscheibchen einen Abstand haben, der dem Radius eines Scheibchens entspricht.

Auf die Pixel einer digitalen Kamera übertragen sollte der Radius des Beugungsscheibchens kleiner sein, als der Abstand zwischen 2 Pixeln. Um die Größe des zulässigen Beugungsscheibchens und daraus dann weiter führend die kleinste Blende bei der die Beugung die Auflösung noch nicht begrenzt zu bestimmen, müssen wir also die Größe des Pixels der jeweiligen Kamera kennen. Hierzu kann einfach die Sensorbreite durch die Anzahl an Pixel geteilt werden und man erhält die Größe für 1 Pixel.

Die Beugungsfigur von zwei Punkten. Wenn sie einen Abstand haben, der dem Radius entspricht, dann können sie mit dem Auge bei hinreichender Vergrößerung gerade noch als getrennt wahrgenommen werden.

Die Abhängigkeit der Beugung von der Blende.

Die Tabelle gibt für die aufgeführten Kameras die begrenzende Blende (rechte Spalte) an. Bei kleineren Blenden (größeren Blendenzahlen) begrenzt die Beugung das Auflösungsvermögen der Kamera.

Wie die Tabelle mit der begrenzenden Blende zeigt, beginnt bei den digitalen SLRs die Auflösungsbegrenzung durch Beugung in der Regel ca. ab Blende 11. Bei Konsumerkameras kann bereits ab Blende 4 ein sichtbarer Auflösungsverlust eintreten.
Unsere Beispielbilder von der Panasonic LX-1 zeigen, dass bereits bei Blende 5,6 eine sichtbare Verschlechterung der Auflösung eintritt.

Die Bilder zeigen jeweils das Zentrum unseres Auflösungstestbildes aufgenommen mit einer Panasonic LX-1 bei Blende 4, 5,6 und 8 (v.l.). Es zeigt sich, dass bereits bei Blende 5,6 die Auflösung bedingt durch Beugung sichtbar schlechter wird.

Fazit
In Bezug auf die Beugung haben Digitalkameras mit großen Pixeln Vorteile, weil auch kleinere Blenden bis Blende 11 verwendet werden können ohne, dass die Auflösung schlechter wird. Die großen Pixel sind in der Regel in digitalen Spiegelreflexsystemen mit großen Sensoren zu finden. Bei Consumerkameras mit kleinen Pixeln ist darauf zu achten, dass nicht zu weit abgeblendet wird, weil die Auflösung sonst sichtbar leidet. Hinsichtlich der Schärfentiefe spielt die Beugung nur eine