Digitalkamera
Eine Digitalkamera ist eine Kamera, die als Aufnahmemedium anstatt eines Films (siehe: Analogkamera) ein digitales Speichermedium verwendet; das Bild wird zuvor mittels eines elektronischen Bildwandlers (Bildsensor) digitalisiert. Manche Film-Fotoapparate können mit einer digitalen Rückwand zu einer Digitalkamera umgerüstet werden.
Geschichte
Erfindungsphase
Die Geschichte der Digitalkamera beginnt 1963 mit der von David Paul Gregg während seiner Zeit bei der Winston Research Corporation erfundenen Videodisk-Kamera. Obwohl ihre Bilder nur ein paar Minuten und elektrisch-analog (auf eben jener Videodisk) gespeichert werden konnten, so ist sie doch die erste Kamera, die Standbilder elektronisch speichern konnte.
Das erste Patent auf einen Bildsensor (in Form einer Matrix aus diskreten Photodioden, die jeweils mit einem Speicherkondensator gekoppelt sind), der optische Bilder durch den Einsatz von (festen) Halbleiterbauelementen (engl. solid state device) aufnehmen und speichern kann, wurde 1968 beantragt.[1]
Im Jahr 1969 wurde von Willard Boyle und George Smith die Basis des CCD (charge-coupled device) erfunden. Ein CCD, ursprünglich als Datenspeicher entwickelt, ist ein lichtempfindlicher Chip, mit dem Bilder kurzzeitig gespeichert werden können. Diese Erfindung war der endgültige technische Durchbruch auf dem Weg zur digitalen Fotografie. 1970 bauten Wissenschaftler der Bell Laboratories die erste Solid-State-Kamera, die ein CCD als Bildsensor benutzte. Dabei handelte es sich noch um eine elektrisch-analoge Videokamera mit Live-Bild, da es mangels Pufferspeicher nicht möglich war, ein Einzelbild dauerhaft wiederzugeben oder gar mehrere Bilder in einer Sequenz zu speichern und anschließend wiederzugeben.[2]
1972 erfanden und bauten Thomas B. McCord vom MIT und James A. Westphal von CalTech eine Digitalkamera. Ihre Kamera verwendete zwar eine analoge Vidicon-Bildaufnahmeröhre mit einer 256 × 256 Pixel Matrix (0,065 Megapixel), schrieb jedoch digitale 8-bit-Bilddaten in ungefähr 4 Sekunden auf einer 9-spurigen, magnetischen Digitalkassette. Sie veröffentlichten isophote Bilder vom Jupiter und dem Kugelsternhaufen 47 Tucanae, aufgenommen am Cerro Tololo Interamerican Observatorium in Chile in 1971. Ihr Bericht wurde bei Applied Optics am 12. Oktober 1971 eingereicht und im März 1972 publiziert.[3]
Die „Digitalkamera“ von McCord und Westphal wog 10 kg und hatte die ungefähren Abmessungen von 20 × 20 × 40 cm. Die Elektronik und der Kassettenrekorder waren in einem 53 cm Geräteschrank eingebaut und durch ein Kabel mit der Kamera verbunden. Daher war es ein stationäres, schnurgebundenes System. McCord und Westphal reichten am 7. August 1972 ein Patent (US3951552) für ihre Digitalkamera ein, das am 20. April 1976 bewilligt wurde. Die Digitalkamera wurde zum ersten Mal Ende August 1971 auf einer Konferenz in Santa Cruz (Kalifornien) öffentlich vorgeführt.[4]
Ein weiteres Patent wurde 1972 von Willis A. Adcock von Texas Instruments eingereicht. Es beschreibt eine filmlose, elektronische Kamera, wobei noch ein Fernsehbildschirm als Sucher empfohlen wird.[5]
Kommerziell erhältlich waren von Fairchild Imaging entwickelte und produzierte CCDs im Jahre 1973. Die Auflösung betrug 100 × 100 Pixel (0,01 Megapixel). Bei der ersten vermarkteten CCD-Kamera handelte es sich allerdings um eine Fernsehkamera, die 1973 von Fairchild gebaut wurde. Das Modell MV-100 verwendete einen Fairchild-Bildsensor mit 0,01 Megapixeln und eignete sich in erster Linie für Überwachungssysteme, medizintechnische und industrielle Anwendungen. Sie wog nur 170 Gramm, und die elektrische Leistungsaufnahme betrug lediglich ein Watt.[6] 1974 fand Gil Amelio eine Möglichkeit, CCDs einfach und industriell zu fertigen. 1975 war das Geburtsjahr der ersten „tragbaren“ Digitalkamera. Konstruiert wurde sie von Steven J. Sasson von Kodak. Sie verwendete die CCD von Fairchild als Bildsensor, benötigte 23 Sekunden zur Speicherung eines einzigen Bildes auf einer Digitalkassette und wog gut 4 kg.[7][8]
Weitere Entwicklung
Ab Ende der 1980er Jahre wurden Digitalkameras zunächst vorwiegend von professionellen Fotografen im Bereich der Studio-, Mode- und Werbefotografie sowie ab Mitte der 1990er auch in der Reportagefotografie eingesetzt. Frühe serienreife Modelle wurden von Apple (Apple QuickTake), Casio (QV-Series), Kodak (DCS), Sony (Mavica) und Canon (Powershot) angeboten; Konica Minolta (Dimage), Nikon (Coolpix), Olympus (Camedia) und andere folgten mit eigenen Modellreihen. 2002 wurde von Kyocera erstmals eine digitale Spiegelreflexkamera (englisch digital single lens reflex, DSLR) mit einem Sensor in voller Kleinbildgröße (Contax N Digital) vorgestellt. Inzwischen gibt es eine unüberschaubare Fülle an Modellen in allen Preisklassen und Ausstattungsstufen.
Im Heimanwenderbereich haben sich Digitalkameras zunehmend durchgesetzt und erzielen aufgrund rapide fallender Preise seit etwa 2003 höhere Verkaufszahlen als analoge Fotogeräte.[10] Viele Hersteller haben inzwischen die Herstellung analoger Modelle ganz eingestellt oder stark reduziert.[11]
In der Computertechnik (und damit verbunden der Digitalfotografie) herrscht eine hohe Innovationsgeschwindigkeit. Neue Geräte gelten bereits nach wenigen Monaten als veraltet, wodurch sich eine starke Belebung des gesamten Fotohandels ergab, der vor Einführung der Digitalkameras als gesättigt und technisch ausgereizt galt.
Neue Kamerasysteme
Im Zuge der Digitalisierung der Kameras wurden neue Kameragehäuse zunächst häufig den alten Kamerasystemen angepasst, indem trotz der Verkleinerung der effektiven Bildkreise die Objektivanschlüsse und Objektive beibehalten wurden. Olympus stellte 2003 mit der Olympus E-1 die erste Spiegelreflexkamera des Four-Thirds-Standards vor, der von Grund auf und eigens für digitale Fotografie entwickelt wurde. Dieser herstellerübergreifende Standard wurde 2008 mit dem ersten spiegellosen Kameragehäuse mit elektronischem Sucher, der Panasonic LUMIX DMC-G1, zum Micro-Four-Thirds-Standard weiterentwickelt. Viele weitere Anbieter von Systemkameras haben danach proprietäre digitale Kamerasysteme für spiegellose Systemkameras herausgebracht, wie zum Beispiel Sony NEX, Samsung NX, Nikon 1, Fujifilm X oder Canon EOS M. Inzwischen gibt es solche digitalen Kamerasysteme auch mit Bildsensoren im Vollformat, wie zum Beispiel Sony E, Nikon Z oder Canon R.
Erhöhung der Bildauflösung
Im Jahr 2000 wurde mit der Olympus E-10 die erste Amateur-Kamera mit einer Bildauflösung von vier Megapixeln auf den Markt gebracht.[12] In den folgenden Jahren wurde die Bildauflösung für solche Geräte kontinuierlich erhöht und erreichte 2011 oft 16 Millionen Pixel[13], in Einzelfällen sogar 24 Millionen Pixel, wie zum Beispiel bei der Sony Alpha 77.
Seit etwa 2007 wurde immer wieder darauf hingewiesen, dass die Erhöhung der Pixelzahl der Bildqualität abträglich sein kann.[14][15] 2012 stellte Nokia mit dem Nokia 808 PureView sogar ein Smartphone vor, dessen Kamera mit einem 41-Megapixel-Bildssensor ausgestattet ist, die wegen der hohen Pixelzahl ebenfalls kritisiert wurde.[16]
Erhöhung des Zoombereichs
Nachdem bis 2004 viele Kompaktkameras noch mit einem dreifachen Zoombereich ausgestattet waren, stieg der maximal verfügbare Zoombereich im Laufe der Jahre immer weiter an. Ein extremes Beispiel für eine Superzoom-Kamera ist die Nikon P900 von 2015, die nominell mit einem 83-fachen Zoombereich ausgestattet ist.[17] Seit 2014 sind ungefähr die Hälfte der Kompaktkameras mit einem bis zu zehnfachen Zoom und die andere Hälfte mit einem über zehnfachen Zoom ausgestattet. Einige, oft hochwertige Kompaktkameras haben immer noch einen dreifachen Zoombereich.
Integration in andere Geräte
Digitalkameras werden seit den 2000er Jahren zunehmend in andere Geräte integriert:
- Fast alle modernen Mobiltelefone und Smartphones enthalten eine eingebaute Digitalkamera. Mittlerweile gibt es Smartphones, die mit bis zu 108 Megapixeln ausgestattet sind (Xiaomi Mi (Note) 10 (Pro), Samsung Galaxy S20 Ultra).
- Video-Camcorder besitzen Fotofunktionen, da sie ähnlich wie Digitalkameras arbeiten. 2003 wurde von Samsung mit dem VP-D5000i ein erstes hybrides Gerät auf den Markt gebracht.[18]
- Die Integration von digitaler Bildvorschau in filmbasierten Kompaktkameras mit dem Advanced Photo System (APS) hat sich nicht durchgesetzt.[19]
- Mittlerweile kaum noch verbreitete Personal Digital Assistants hatten einfache Digitalkameras integriert.
Andererseits verfügen viele digitale Fotoapparate über die Möglichkeit, Filme selbst in hohen Auflösungen (HDTV, Ultra HD) mit Ton aufzunehmen oder die digitalen Signale ohne Zwischenspeicherung direkt an einer entsprechenden Schnittstelle auszugeben. Damit können sie ggf. auch als Webcam oder Camcoder-ähnlich genutzt werden. Das Betriebssystem der Digitalkamera wird mittlerweile auch von Smartphones beeinflusst. So arbeiten bereits Digitalkameras auf Android-Basis.[20]
Reproduktion der Bilder
Obwohl auch heute noch viele Fotografen ihre Bilder als Papierabzüge sehen wollen, ist der Anteil an erstellten Abzügen durch Fotolabore stark zurückgegangen. Dafür waren im Wesentlichen fünf Ursachen verantwortlich:
- Die Fotolabore befanden sich zu diesem Zeitpunkt in einem Preiskrieg, bei dem teilweise auch unter Herstellungspreis produziert wurde. Daher gibt es seit dieser Zeit nur noch zwei Großlabore (die restlichen Anbieter besitzen nur unbedeutende Marktanteile), die fast alle Fotoannahmestellen (Center, Drogerien, Tankstellen usw.) beliefern.
- Die Hybridtechnik APS (ein Film mit elektronischer Speicherschicht) wurde als weltweiter Standard eingeführt, bedingt durch Streitigkeiten zwischen den weltweiten Marktführern aber mit vier Jahren Verzögerung. Damit war in den Fotolaboren (die bei dieser Markteinführung eingebunden waren) ein wesentlicher Teil des Investitionsvolumens gebunden.
- In den Anfangsjahren der digitalen Fotografie war diese entweder sehr teuer oder qualitativ schlecht. In den Fotolaboren schätzte man das künftige Auftragsvolumen digitaler Arbeiten falsch ein und investierte in den folgenden Jahren nur unbedeutende Summen.
- Die Hersteller von Tintenstrahldruckern bieten guten „Fotodruck zu Hause“ bei stark gesunkenen Kosten.
- Weltweit gibt es nur in Kerneuropa die Fotofertigung in Großlaboren. Den global größten Anteil haben Fotoautomaten, die die Abzüge vor Ort produzieren. Auch in Deutschland ist deren Anteil in den letzten Jahren immer weiter gestiegen.
Funktionsweise
Das fotografische Bild entsteht in einer Digitalkamera in folgenden Schritten:
- Optische Projektion durch das Objektiv auf den Bildsensor
- Optische Filterung zum Beispiel durch Hoch- und Tiefpass, Infrarot-, Farbfilter und Farbmosaiken (meist im Bildsensor integriert)
- Wandlung der Lichtintensitäten in analoge elektrische Größen; anschließend Diskretisierung/Digitalisierung der Werte durch Analog-Digital-Umsetzung (Quantisierung)
- Ermitteln der Einstellungen:
- Scharfstellung des Bildes entweder mit Autofokus, oder manuell, wobei Hilfen wie eine Einstellscheibe (bei optischem Sucher) oder Softwarelupe und Kantenanhebung (bei digitalem Sucherbild) möglich sind
- Abschätzen einer sinnvollen Belichtungszeit und Blendenzahl (Belichtungswert)
- Einstellen des Geräts auf diese Werte.
- Zurücksetzen des Wandlerchips, erneute Bilderfassung (Schritte 1…3), nun mit soeben festgelegter Fokussierung, Belichtungszeit und Blende.
- Bildverarbeitung der Bilddatei:
- Farbrekonstruktion/Zusammenfassen von Subpixeln zu Vollfarb-Pixeln b
- Rauschunterdrückung b
- Entfernen bekannter korrigierbarer Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen, Randlichtabfall, Verzeichnung, chromatische Aberration) b
- Komprimierung der Bilddatei c
- Speicherung der Bilddatei im gewünschten Format; ggf. anderweitige Ausgabe.
Anmerkungen:
Bei einer Digitalkamera gelangt Licht durch die Linsen des Objektivs, welche das Bild auf den Sensor werfen, in das Kameragehäuse. Vor dem Sensor durchläuft das Licht in der Regel ein Infrarot-Sperrfilter, oft auch ein Tiefpassfilter, das nur niedrige Ortsfrequenzen passieren lässt und zur Unterdrückung von Aliaseffekten dient, und anschließend meist Farbfilter vor den einzelnen Sensorpixeln (z. B. im Fall eines Bayer-Sensors). In Kombination werden meist auch Mikrolinsen eingebaut, die das Licht auf die empfindlichen Bereiche des dahinterliegenden Bildwandlers fokussieren und so den Lichtverlust vermindern.
Der Bildsensor führt eine Bildwandlung durch, die aus den Schritten Diskretisierung und Quantisierung besteht.Die Diskretisierung bezeichnet die Bildzerlegung in diskrete, das heißt nicht-kontinuierliche, Einheiten (hier: örtliche Diskretisierung: Flächen-Aufteilung in (Sub-)Pixel; zeitliche Diskretisierung: „Nullen“ aller Pixel, Belichten gemäß der vorgegebenen Belichtungszeit).Bei der Quantisierung wird die Signalstärke jedes Subpixels durch einen A/D-Wandler in eine natürliche Zahl umgesetzt.Da bei Kameras, die den RGB-Farbraum verwenden, pro Vollfarb-Pixel drei Farbwerte gespeichert werden müssen, werden für jeden Bildpunkt mindestens drei jeweils einfarbige (R-, G- und B-)Sensorelementchen „gewichtet zusammengefasst“ (Demosaicing; siehe auch Bayer-Sensor).
Nach der optionalen Kompensation von Abbildungsfehlern erfolgt die Kompression zur Reduktion des Datenvolumens, wenn das Bild wie im Allgemeinen nach der JPEG-Methode gespeichert wird. Inwieweit auch Rohdaten (Raw-Format) komprimiert werden, hängt vom proprietären Format des jeweiligen Herstellers ab.
Verschiedene Szenenmodi in Kamerafirmwares dienen zur Anpassung der Parameter an verschiedenen Umgebungen. Beispielsweise könnte ein „Landschaftsmodus“ unerwünschtes Scharfstellen auf Naheliegendes wie verschmutztes und/oder zugetropftes Fensterglas wie eine Windschutzscheibe verhindern und ein „Sportmodus“ könnte die Belichtungszeit mithilfe erhöhter Lichtempfindlichkeit verkürzen, um bewegliche Motive scharf zu halten.[21][22]
Bildwandlung
Wie bei einer Analogkamera wird das einfallende Licht mit einem Objektiv gesammelt und auf die Filmebene, in diesem Fall auf den Sensor, scharfgestellt (fokussiert). Die Filmebene ist in der Regel eine deutlich kleinere Fläche als ein Bild auf dem analogen 35-mm-Film einer Kleinbildkamera; nur höherwertige Digitalkameras verfügen über Bildflächen (und somit Sensoren) in Größe des APS-C-Negativs oder sogar über einen Vollformatsensor. Im professionellen Mittelformatbereich werden auch größere Sensoren eingesetzt.
Der Sensor kann entweder ein Flächensensor oder (selten) ein Zeilensensor sein.Der Flächensensor steht fest in der Filmebene, er registriert gleichzeitig das gesamte Bild.Zeilensensoren werden in Scannerkameras eingesetzt, die nach dem Scannerprinzip funktionieren, das heißt, sie arbeiten ähnlich wie ein Flachbettscanner und tasten das Bild zeilenweise ab: Der Zeilensensor wird mittels Antriebs über die Filmebene gefahren, dabei wird Zeile um Zeile erfasst.
Die Erfassung der drei Grundfarben kann gleichzeitig im selben Sensor geschehen, der dann für jeden Vollfarb-Pixel drei Subpixel besitzt.Die Grundfarben können jedoch auch räumlich getrennt erfasst werden, indem z. B. ein System aus halbdurchlässigen Spiegeln das einfallende Licht auf drei getrennte Sensoren für die drei Grundfarben verteilt.Als dritte Möglichkeit können die Grundfarben zeitlich getrennt erfasst werden: Gleichzeitig (One-shot-Kameras) oder nacheinander (Three-Shot-Kameras), wobei dann vor jeder Erfassung ein anderer Farbfilter vorgeschaltet wird.
Der Großteil aller Kameras verwendet einen Flächensensor mit Subpixeln.
Im Wesentlichen existieren zwei verschiedene marktgängige Flächensensor-Typen, der weit verbreitete CCD-Sensor (zum Beispiel in Kameras von Canon, Hewlett-Packard, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung oder Sony) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der CMOS-Sensor.
Eine Sonderstellung nimmt dabei der Foveon-Sensor ein, der in Sigma-Kameras zum Einsatz kommt. Dabei handelt es sich um einen dreischichtigen Sensor, der rotes, grünes und blaues Licht mit jedem Bildpunkt aufzeichnet. Daher bestimmen die drei Fotodetektoren die genaue Pixelfarbe.[23] Dieses Mehrschichten-Prinzip entspricht der Anwendung bei Farbfilmen in der Farbfotografie, bei der ebenfalls verschiedenen farbempfindliche Schichten übereinander liegen. Für die Sigma dp2 Quattro wurde der Foveon-X3-Sensor neu überarbeitet und kann im Vergleich zu den Vorgängermodellen eine höhere Auflösung realisieren.[24] Dem interessanten Prinzip zum Trotz hat auch die zweite mit Mikrolinsen ausgestattete Generation nicht zum durchschlagenden Erfolg geführt.
Bildverarbeitung
In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik (z. T. gesteuert durch die Firmware) eine Reihe bildverändernder Verarbeitungen vor, während und nach der Aufnahme durch; diese werden unter dem Begriff der Bildverarbeitung zusammengefasst. Davon zu unterscheiden ist die Bildbearbeitung, die an der fertiggestellten Aufnahme durchgeführt wird.
Die Digitalkamera versucht durch den Weißabgleich – wie auch die Videokamera – die von einem Menschen bei Tages- oder Kunstlicht empfundenen Farben zu erfassen, unter Verlust der absoluten Farbtreue.
Die Homogenität, das heißt die gleichmäßige Schärfe und Helligkeit über das gesamte Bild, insbesondere am Bildrand, ist abhängig von den Abbildungseigenschaften und kann teilweise durch die kamerainterne Software ausgeglichen werden.
Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch über die Signaldynamik, das heißt, die von der Kamera unterscheidbaren Helligkeitsstufen sowie den Kontrastumfang des digitalen Bildes.
Die Kameraelektronik beeinflusst auch die Bildreinheit bzw. den Grad an Bildfehlern,, die sich beispielsweise als Bildrauschen oder Kompressionsartefakte zeigen.
- Digitaler Fingerabdruck
- Bei Kameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler kaum vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit usw. Solche „Aussetzer“ können ebenso wie das besonders bei Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik zumindest vermindert werden.
- Dennoch bleibt für jede einzelne Kamera ein individuelles Muster, das bei mindestens zwei vorliegenden Bildern als digitaler „Fingerabdruck“ extrahiert werden kann. Jeder Bildsensor in jeder Digitalkamera – vom Handy bis zum Profigerät – hat also einen eindeutigen Fingerabdruck, den er in jedem Bild hinterlässt. Man kann also ein Bild einer Kamera zuordnen, wie man eine Kugel einer Waffe zuordnen kann. Statt der Kratzer an der Patronenhülse wird das rauschartige Muster im Bild untersucht. Dieses Verfahren gilt als gerichtsfest. Das Analyseverfahren wurde primär für Fotos und Videos entwickelt, es ist sogar möglich, den Fingerabdruck aus gedruckten Bildern zu extrahieren. Selbst für den Fall, dass jemand einen falschen Fingerabdruck in ein Bild einfügt, gibt es mittlerweile Methoden, dies zu entdecken.[25]
Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung führt die Firmware darüber hinaus noch diverse Optimierungen durch. Dazu zählen beispielsweise:
- Scharfzeichnung: Erkennen und Verstärken von Übergängen/Kanten im Bild;
- Kontrastanhebung: Anhebung des Kontrasts im Bild;
- Farbsättigung: Erhöhen der Farbsättigung.
Bevor ein Foto ausgelöst wird, wird gegebenenfalls der Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfstellung übernimmt. Auch wenn mehrere Fotos vom selben Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfstellung erfolgen. Bei einigen Kameras kann der Autofokus ausgeschaltet werden. Außer bei Objektiven digitaler Systemkameras sucht man bei den meisten Digitalkameras einen Schärfe-Einstellring allerdings vergeblich. Lediglich über eine Menüstruktur kann eine manuelle Scharfstellung in Stufen erreicht werden, was die Einsatzmöglichkeiten der meisten Digitalkameras begrenzt. Auch wenn der Autofokus abgeschaltet wird, findet vor dem Auslösen in der Kameraelektronik noch ein Weißabgleich statt. Weil das jedoch nicht ausreichend ist, findet zusätzlich ein Schwarzabgleich statt, um das elektronische Rauschen des Sensors und Fehlerpixel herauszufiltern.
In einem Einstellungsmenü lässt sich die abzuspeichernde Bildauflösung wahlweise zur Einsparung von Speicherplatz reduzieren. Die niedrigste verfügbare Auflösungsstufe ist in der Regel 640×480 VGA (0,3 Megapixel).[26]
Optisches System
Fast alle digitalen Kompaktkameras und auch viele digitale Systemkameras verwenden einen Bildsensor mit einer teils erheblich kleineren Fläche als Kameras, die mit Filmen im weit verbreiteten und für viele gewohnten Kleinbildformat arbeiten. Durch die kleinere Bildfläche des Sensors ergibt sich bei gleicher Brennweite des Objektivs ein kleinerer Bildwinkel, oder anders gesagt, um den gleichen Bildwinkel zu erhalten, muss die Brennweite entsprechend kleiner werden. Der Zusammenhang wird bei verzeichnungsfreien Objektiven durch die Formel
beschrieben. Dabei ist die Brennweite, der halbe diagonale Bildwinkel (von der optischen Achse aus gemessen) und die Bildhöhe (Abstand der Ecke des Sensors von dessen Mitte). Beim Kleinbildformat beträgt die Normalbrennweite 50 Millimeter und die Bilddiagonale 43,3 Millimeter, woraus sich ein normaler Bildwinkel von 46,8° ergibt. Das Verhältnis von Bilddiagonale zu Normalbrennweite ist konstant, wobei die Bilddiagonale immer 15,6 % kürzer ist als die Normalbrennweite:
Dass bei gleicher Brennweite der Bildwinkel gegenüber dem Kleinbildformat kleiner wird, bezeichnet man häufig fälschlicherweise als Brennweitenverlängerung. Fotografen sind es gewohnt, die Brennweite als Maß für den Bildwinkel zu sehen (je größer die Brennweite, desto kleiner der Bildwinkel), aber das funktioniert nur, solange sich das Bildformat nicht ändert. Damit diese Zuordnung weiterhin funktioniert wie vom Kleinbildformat her gewohnt, geben viele Hersteller von kompakten Digitalkameras zusätzlich zur realen Brennweite ihrer Objektive auch die Brennweite an, die im Kleinbildformat den gleichen Bildwinkel ergeben würde (KB-äquivalente Brennweite).
Bei digitalen Systemkameras mit Wechselobjektiven wird zumeist ein Umrechnungsfaktor angegeben – der Formatfaktor –, mit dem die Brennweite eines Objektivs multipliziert werden muss, um die Brennweite zu errechnen, die auf Kleinbild den gleichen Bildwinkel aufnimmt. Bei Systemkameras mit Vollformatsensor 36 mm × 24 mm beträgt der Formatfaktor demzufolge 1,0. Weit verbreitet sind Kameras mit kleineren Bildaufnehmern, die zum traditionellen Kleinbildformat im Verhältnis 1:1,3, 1:1,5, 1:1,6 oder wie beim Four-Thirds-System ca. 1:2 stehen. Der Formatfaktor ist jeweils der Kehrwert davon. Bei Kompakt- und den meisten Bridgekameras ist das Verhältnis noch deutlich kleiner.
Digitalzoom
Zusätzlich zu dem bei den meisten digitalen Kompaktkameras eingebauten optischen Zoom besitzen viele Modelle noch einen sogenannten digitalen Zoom. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Ausschnittvergrößerung, bei dem nur ein Teil aus der Mitte der Sensorfläche genutzt wird mit entsprechend verminderter Bildauflösung. Dieser Ausschnitt wird in der Kamera auf die jeweils eingestellte Auflösung vergrößert. Digitalzooms können für Fotografen nützlich sein, die ihre Bilder nicht nachbearbeiten wollen oder können. Sie sind kein Ersatz für ein optisches Zoomobjektiv, das dieselbe Vergrößerung bieten würde, da die Interpolation je nach Zoomstufe meist nur sehr unbefriedigende Ergebnisse erzielt. Eine nachträgliche digitale Vergrößerung mit einer geeigneten Bildbearbeitungssoftware ist in der Regel qualitativ mindestens gleichwertig und gleichzeitig flexibler, da beispielsweise der Bildausschnitt noch verschoben werden kann.
Suchersysteme
Digitale Kameras verfügen über unterschiedliche Suchersysteme, die eine Gestaltung des Bildes vor der Aufnahme ermöglichen. Grundsätzlich wird zwischen optischen und elektronischen Suchern unterschieden.
Optischer Sucher:
Die optischen Sucher arbeiten wie bei herkömmlichen filmbasierten Kameras entweder mit einem Spiegelreflexsystem oder als separater Durchsichtsucher, wobei nur wenige digitale Sucherkameras einen hochwertigen Messsucher bieten.
Elektronischer Sucher:
Der weit überwiegende Teil digitaler Kompaktkameras wie auch Fotohandys besitzen ausschließlich einen Bildschirm mit einem reellen Bild ohne Suchereinblick. Höherwertig ausgestattete Kompaktkameras sowie die meisten Systemkameras verfügen zusätzlich über einen elektronischen Sucher mit einem virtuellen Bild in einem Okular.
Elektronische Sucher nutzen entweder direkt das Signal des Kamerasensors oder, wie zeitweise bei einigen Spiegelreflexkonstruktionen, einen zusätzlich eingebauten Sensor. Die Anzeige erfolgt auf einem auf der Kamerarückseite angebrachten Display, zusätzlich kann ein zweiter Kleinst-Monitor im Gehäuse integriert sein, der mit einem herkömmlichen Suchereinblick kombiniert ist.
Elektronische Sucher zeigen weitestgehend exakt den Bildausschnitt, der beim Auslösen der Kamera gespeichert würde. Eine genaue Beurteilung der Bildschärfe und insbesondere des Schärfeverlaufs ist wegen des kleinen Formats und der meist relativ geringen Auflösung der Monitore nicht einfach. Abhilfe schaffen Hilfsfunktionen wie beispielsweise eine digitale Sucherlupe. Zusätzlich können auch teils umfangreiche Statusinformationen oder beispielsweise Gitterlinien zur exakten Kameraausrichtung eingeblendet werden.
Der Aufbau elektronischer Sucher erfordert, dass der Aufnahmesensor, außer bei einigen Sonderkonstruktionen, permanent aktiv sein muss. Dies führt zu vergleichsweise hohem Stromverbrauch und zu einer Erwärmung von Kamera und Aufnahmesensor, was sich ungünstig auf das Bildrauschen auswirken kann. Dies gilt auch für die meisten Geräte in Spiegelreflexbauweise, wenn die Live-View-Funktion genutzt wird. Spiegelreflexkameras, die herkömmlich betrieben werden, zeigen diesen Effekt nicht bzw. nur bei Langzeitbelichtungen, da der Aufnahmesensor nur während der eigentlichen Aufnahme aktiv ist.
Bauformen einer Digitalkamera
Die aus der filmbasierten Fotografie bekannten Bauformen Kompaktkamera und Spiegelreflexkamera sind auch in der digitalen Fotografie vertreten, wobei es hier außerdem eine Reihe von weiteren Formen gibt.
Kompaktkameras
Während sich Spiegelreflexkameras in äußerer Gestalt und Aufbau wenig von den filmbasierten Vorgängern unterscheiden, fällt bei den Kompaktkameras vor allem die extreme Miniaturisierung auf, die durch die starke Verkleinerung des Aufzeichnungsformates (Formatfaktor etwa 6 gegenüber Kleinbild) ermöglicht wird.Der inzwischen nur noch selten verbaute optische Sucher wurde durch großformatige Displays zur Bildgestaltung ersetzt.
Als Gehäuseformate haben sich für Ultra-Kompakte Quaderformate mit den Abmessungen einer Zigarettenschachtel durchgesetzt, wobei das Objektiv im Ruhezustand vollständig in der Front verschwindet und automatisch verschlossen wird. Manche Kompaktkameras sind mit innenliegendem Objektiv aufgebaut: Die Frontlinse ist starr im Gehäuse, das Licht wird mittels Prisma auf die senkrecht zur Aufnahmerichtung angeordneten beweglichen Linsenelemente für Zoom und Fokus im Gehäuseinneren gelenkt. Diese „Periskopobjektiv“ genannte Bauform ermöglicht besonders robuste Kameras, die sogar unter Wasser verwendbar sind.[27]
Für etwas ambitioniertere Modelle ist eine Bauform ähnlich den klassischen Kompaktkameras mit vorstehendem Objektiv und Griffwulst üblich. Neuartige Sonderbauformen, zum Beispiel mit verdrehbaren Gehäusehälften wie die Pentax Optio X, haben sich nicht durchgesetzt.
Bridgekameras
Eine der ersten am Markt etablierten Mischformen zwischen Kompakt- und Spiegelreflexkameras war die sogenannte Bridgekamera mit festem Objektiv und elektronischem Sucher, ähnlich dem optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera. Üblicherweise besitzen Bridgekameras Superzoom-Objektive.
Spiegellose Systemkameras
Auf der Basis des Anfang 2008 vorgestellten Micro-Four-Thirds-Standards der Hersteller Olympus und Panasonic wurde mit der LUMIX DMC-G1 erstmals eine Kamera mit Wechselbajonett, aber ohne Schwingspiegel vorgestellt, die zugleich eine neue Gattung digitaler Systemkameras begründete, die sogenannten MILC-, EVIL- bzw. CSC-Kameras (für mirrorless interchangeable lens, electronic viewfinder interchangeable lens bzw. compact system camera, auf Deutsch etwa spiegellose Kamera mit austauschbarem Objektiv, Kamera mit elektronischem Sucher und austauschbarem Objektiv bzw. Kompaktsystemkamera).[28]
Anfang 2010 stellte auch Samsung mit der NX10 ein spiegelloses System vor, das, ebenso wie bei Sony die Kameras der Sony-NEX-Serie, einen Sensor im APS-C-Format verwendet.[29] Im Sommer 2011 schließlich brachte Pentax mit seiner Pentax Q eine ebenfalls spiegellose Systemkamera auf den Markt, die ebenso wie die Nikon-1-Serie (Herbst 2011) auf einem sehr viel kleineren Aufnahmesensor aufbaut. Anfang 2012 brachte Pentax die K-01[30] und Fujifilm die X-Pro1 auf den Markt; beide verwenden einen Sensor im APS-C-Format.
SLT-Kameras
SLT-Kameras (für single lens translucent (mirror)) sind eine weitere Variante von Digitalkameras der Firma Sony, die zwischen den spiegellosen Systemkameras und den herkömmlichen digitalen Spiegelreflexkameras mit Schwingspiegel (DSLR) stehen. Sie nutzen einen teildurchlässigen Spiegel als Strahlteiler für die Umlenkung bzw. Aufteilung des einfallenden Bildes auf den Fotosensor und den Autofokus-Detektor.[31] Bauform und Sensorgröße sind ähnlich denen von DSLR-Kameras, wodurch die Nutzung von SLR-Wechselobjektiven mit passendem Objektivanschluss möglich ist.Der Spiegel dient hier allein dem Autofokus mittels Phasenvergleich. Im Gegensatz zu Spiegelreflexkameras wird das Sucherbild elektronisch erzeugt, was – wie bei Kompakt- und spiegellosen Systemkameras – eine Voransicht des zu erwartenden Bildes möglich macht. SLT-Kameras haben den Vorteil des schnellen Autofokus (das sogar beim Filmen), der echten Voransicht des Bildes sowie – da der Spiegel nicht hochgeklappt werden muss – eine wesentlich höhere Serienbildgeschwindigkeit, eine kleinere Verzögerung beim Auslösen und leisere Auslösegeräusche. Nachteilig ist eine kleine zeitliche Verzögerung des Sucherbildes und ein Lichtverlust von 20 bis 30 %.
Digitale Spiegelreflexkameras
Viele Hersteller bieten außerdem Systemkameras mit einem Spiegelreflexsystem an, bei denen der Film der herkömmlichen „Analog“-Kamera durch einen digitalen Bildsensor ersetzt ist. Sie werden im Englischen als digital single lens reflex, kurz DSLR, bezeichnet. Entsprechend gibt es zu solchen Kameras eine große Auswahl an Wechselobjektiven, allerdings meist auch mit wesentlich geringerem Zoomfaktor als bei den fest montierten Zoom-Objektiven der Kompakt- und Bridgekameras. Ähnlich wie bei herkömmlichen Systemkameras gibt es auch hier Ausführungen mit auswechselbarer, in diesem Fall digitaler Kamerarückwand, die an den Kamerabody angesetzt wird, sowie Modelle, bei denen zwischen analoger oder digitaler Rückwand gewechselt werden kann.
Sensor-Bildpunkte, Foto-Auflösung und Abbildungsqualität
Effektive Auflösung im Zusammenspiel von Optik und Sensorik
Die effektive Auflösung wird in Linienpaaren pro Millimeter angegeben; man spricht davon, dass ein Objektiv an einem bestimmten Sensor eine gewisse Anzahl von Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) abbilden kann. Von den ermittelten Linienpaaren lassen sich Rückschlüsse über die effektive Auflösung in Megapixel ableiten. Abhängig von der optischen Abbildungsleistung in Kombination mit der Blende entstehen gewöhnlich unterschiedliche Werte für Bildmitte und Bildrand.
Eine geringe Pixelzahl stellt bei modernen hochauflösenden Bildsensoren von weit über 16 Megapixeln nicht mehr den Flaschenhals dar hinsichtlich der damit verbundenen Beurteilung der Gesamtqualität einer Kamera. Eine höhere Auflösung führt nicht zwangsläufig zu einem höheren Schärfeeindruck. Denn eine Kompaktkamera mit beispielsweise einem 1/2,3″-Sensor[32] hat eine Sensorgröße von 6,2 mm × 4,6 mm, was bei 16 Megapixeln zu einer Pixelgröße mit einer Seitenlänge von 1,35 µm führt (in Höhe und Breite).[33] Durch die Beugung am Objektiv mit typischer Blende von F2,8 wird ein Lichtpunkt auf ein Beugungsscheibchen von 3,75 µm Durchmesser abgebildet.[34] Das bedeutet, dass es bei diesen Sensorgrößen nicht gelingen kann, dass ein Lichtpunkt nur ein einzelnes Pixel belichtet, auch wenn man von einem Objektiv ohne Abbildungsfehler ausgeht, wobei hier bei billigen Kameras häufig gespart wird.
Die optische Auflösung ist von der Größe des Beugungsscheibchens und damit von der Blende des Objektivs abhängig.[35]
Bei einem Mittelformatsensor mit den Abmessungen 48 mm in der Breite und 36 mm in der Höhe lässt sich mit einer Auflösung von 123 Megapixeln eine zur Blende F2,8 passende Pixelgröße von 3,75 µm realisieren.[33] Bei gebräuchlichen Vollformatsensoren (auch Kleinbildformat genannt), die eine Breite von 36 mm und eine Höhe von 24 mm aufweisen, sind es 61 Megapixel.[33] Bei einer noch höheren Auflösung wird auch bei diesen relativ großen Sensoren die physikalisch sinnvolle Grenze für Objektive mit Blende F2,8 (oder höher) überschritten.
Zum Vergleich bieten hochauflösende Diafilme der analogen Fotografie eine noch feinere Granularität, wie beispielsweise der Fuji Velvia 50. Fuji gibt die Leistung dieses Films unter idealen Kontrastbedingungen mit 160 Zeilen (80 Linienpaare) pro Millimeter an; eine digitale Kamera bräuchte einen Kleinbild-Vollformat-Sensor mit 87 Megapixeln, um an diese Auflösung heranzukommen.[36] Dabei geht diese Angabe von einem gebräuchlichen Bayer-Farbsensor aus,[37] der die Farben rot, grün und blau mit separaten Sensorpixeln erfasst, um sie dann zu einem Farbwert zusammenzurechnen. Dagegen genügen bei einem Monochromsensor 44 Megapixel, um 80 lp/mm erfassen zu können.[38] Eine zu der jeweiligen Auflösung passende Blende des Objektivs vorausgesetzt:
Bei einem sehr lichtstarken Objektiv mit einer Blende von F1,5 liegt der Durchmesser des Lichtpunkts (des Beugungsscheibchens) bei nur 2 µm,[34] was einer optischen Auflösung von 125 lp/mm[39] entspricht, sobald die Lichtpunkte auf einen Farbsensor treffen, beziehungsweise 177 lp/mm bei der Verwendung eines Monochromsensors. Bei Blende F2,2 nimmt jeder Lichtpunkt 3 µm ein (83 lp/mm Farbe oder 118 lp/mm Monochrom). Solche Objektive könnten unter idealen Bedingungen (ohne optische Abbildungsfehler, keine Verwacklung sowie gutes Licht und idealer Kontrast) sogar eine höhere optische Auflösung liefern, als der Fuji Velvia 50 mit seinen 80 lp/mm beziehungsweise ein 87 Megapixel Kleinbild-Vollformat-Farbsensor zu erfassen vermag. Bei Blende F3 liegt hingegen der Durchmesser pro Lichtpunkt bei 4 µm (62 lp/mm Farbe oder 89 lp/mm Monochrom), bei Blende F4,5 sind es 6 µm (42 lp/mm Farbe oder 59 lp/mm Monochrom) und bei Blende F6 sind es 8 µm (31 lp/mm Farbe oder 44 lp/mm Monochrom).
Typische Bezeichnung der Sensorgröße (b) | Seiten- verhältnis | Breite (mm) | Höhe (mm) | Diagonale (mm) | Fläche (mm²) | Fläche (%) bezogen auf KB | maximale optische Auflösung in Megapixel bei Blende F2,8 (F2,8 erzeugt einen Lichtpunkt der einer Pixelgröße von 3,75 µm entspricht,(j) woraus sich die Sensorauflösung dieser Spalte ergibt;(d) selbst mit mehr Megapixeln kann eine Digitalkamera bei F2,8 optisch(k) nicht höher auflösen(h)) | Auflösung bei F1,5 (2 µm(l)) |
Mittelformat (e) | 4:3 | 48,0 | 36,0 | 60 | 1.728 | 200 | 123 | 433 |
Kleinbild-Vollformat (KB), FX | 3:2 | 36,0 | 24,0 | 43,3 | 864 | 100 | 61 | 216 |
DX, APS-C (f) | 3:2 | 23,7 | 15,6 | 28,4 | 370 | 42,8 | 26 | 92 |
4⁄3″, Four-Thirds, Micro-Four-Thirds | 4:3 | 17,3 | 13,0 | 21,3 | 225 | 26 | 16 | 56 |
1″, CX-Format (High-End-Kompaktkameras und kompakte Systemkameras) | 3:2 | 13,2 | 8,8 | 16 | 116 | 13,5 | 8 | (g) | 29
1⁄1,7″ (High-End-Smartphones) | 4:3 | 7,6 | 5,7 | 9,5 | 43 | 5 | 3 | (g) | 11
1⁄2,3″ (Low-End-Kompaktkameras und manche Smartphones) | 4:3 | 6,2 | 4,6 | 7,7 | 29 | 3,3 | 2 | 7 |