Der Pixel-Schubser

Anfang Juli stellte Kodak den ersten Kamerasensor der Welt vor, der 50 Megapixel darstellen kann. Obwohl eine derart hohe Auflösung für den normalen Konsumenten eher Overkill ist, begrüßen professionelle Fotografen die Technik sehr: Sie könnte Bilder ermöglichen, deren Detailreichtum alles bislang Mögliche übertrifft. Ein Beispiel macht das schnell deutlich: In einer Aufnahme, die ein Feld einer Größe von 2,4 Kilometern erfasst, ließen sich noch 30 Zentimeter kleine Gegenstände erkennen.

Diese Auflösung dürfte vor allem im High-End-Bereich interessant werden, wo auch dann noch qualitativ hochwertige Bilder geliefert werden müssen, wenn Ausschnitte "aufgeblasen" wurden. Aber auch andere Anwendungsbereich wie die Luftbildfotografie sind ein mögliches Nutzungsgebiet, etwa bei Diensten wie Google Earth. "Mehr Pixel bedeuten, dass das Flugzeug höher fliegen kann. Dadurch braucht man weniger Einzelaufnahmen", sagt Mike DeLuca, Marketingmanager für den Bereich Bildsensorlösungen bei Kodak im US-Bundesstaat New York.

Der neue Sensor deckt einen Bereich von 8176 mal 6132 Bildpunkten ab und schließt damit die Lücke zwischen traditionellen Analogaufnahmen auf Fotomaterial und der Digitalfotografie weiter. "Wir sind sehr nahe an dem angelangt, wie auf Film fotografiert wurde", sagt DeLuca, "sehr nahe". Es sei nun eigentlich nur noch die persönliche Entscheidung des Fotografen, mit welcher Technik er arbeiten wolle.

Normalerweise bedeuten kleinere Pixel auch eine schlechtere Bildqualität, sagt Albert Theuwissen, Digitalfoto-Experte und Gründer der belgischen Spezialfirma Harvest Imaging. "Das gilt sowohl für Amateur- als auch Profi-Geräte." Der neue Kodak-Sensor besitze nun aber neuartige Pigmente, die die Farbqualität, die der Sensor liefert, verbessern. Weitere Mechanismen sorgen dafür, dass die kleineren Pixel genauso empfindlich sind wie größere, das Bildsignal gleichzeitig aber schneller verarbeitet werden kann als bei früheren Systemen. Der Sensor komme außerdem mit weniger Energie aus. "Jeder Schritt, der einen Sensor schneller und stromsparender macht, ist ein Schritt vorwärts", sagt Theuwissen.

Kodak hat bereits einen Sensor auf dem Markt, der eine Auflösung von 39 Megapixeln erreicht. Um die Auflösung weiter zu erhöhen, musste die Firma nicht nur die Größe jedes Pixels von 6,8 Mikrometern auf 6 Mikrometer reduzieren, sondern auch die grundlegende Technik verändern, wie das verwendete CCD-Sensorsystem arbeitet, wie DeLuca sagt. "Das Verkleinern der Pixel allein ist eigentlich ganz einfach." Doch weil ein solcher Sensor aus mehr als nur den Elementen besteht, die das Licht aufnehmen, leidet die Gesamtleistung, wenn nicht auch der Rest der Komponenten mitschrumpft. "Jeder Bildpunkt besitzt mehrere unterschiedliche Strukturen." Einige sind dafür ausgelegt, die Ladung eines Pixels zum nächsten weiterzugeben, damit sich das Bild überhaupt auslesen lässt. Andere Bereiche stellen sicher, dass ein Übermaß an Ladung, das durch besonders helle Signalausschläge entsteht, nicht auf die Nachbarpixel übertragen wird.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, den Dynamikumfang des Sensors auch bei einer höheren Auflösung beizubehalten – also die Fähigkeit, helle und dunkle Bereiche gleichzeitig zu erkennen. Im Sensor laufe das letztlich auf die Frage des Störabstandes hinaus, sagt DeLuca. "Wenn man die Pixel verkleinert, lassen sich weniger Signale aufnehmen, weil schon physikalisch weniger Elektronen entstehen. Wenn man das nicht ausgleicht, erhält man ein schwächeres Gesamtsignal mit dem gleichen Störprofil." Kodak verbesserte deshalb das Verstärkermodul im Output-Bereich der Komponente.

Durch die Erhöhung der Pixelzahl wird es außerdem schwieriger, auf die aufgezeichneten Informationen zuzugreifen. "Fünfzig Millionen Pixel liefern eine riesige Datenmenge", sagt DeLuca. Kamera und Fotograf müsse deshalb erlaubt werden, diese Bildinformationen schnell genug auszulesen.

Bislang verwendete Kodak einen Prozess, bei dem die Informationen aus einer Pixelreihe zur nächsten weitergegeben wurden. Die Daten, die davor lagen, wurden dadurch bis zum Rand weiter geschoben, wo sie dann ausgelesen wurden – Pixel für Pixel. Dieser Prozess ist relativ langsam – nur zwei Reihen gleichzeitig lassen sich so erfassen. Um die zusätzliche Datenmenge handhaben zu können, besitzt der neue Sensor deshalb vier Ausgabekanäle. Dadurch lassen sich vier Mal so viele Daten gleichzeitig auslesen. Dies ermöglicht dem Sensor, die Aufnahmegeschwindigkeit von 0,9 auf 1 Frame pro Sekunde zu erhöhen, obwohl mehr Informationen aufgezeichnet werden. Gleichzeitig lässt sich die Frequenz, mit der die Daten bei jeder Bildausgabe ausgelesen werden, reduzieren. Auch das verbessert den Störabstand.

Strom lässt sich sparen, in dem der Sensor vor jeder neuen Bildaufnahme zurückgesetzt wird. Dies erfolgt jeweils kurz vor dem nächsten "Schuss", damit sichergestellt wird, dass keine Restladung oder andere elektrische Störungen mehr existieren, die die Qualität des neuen Bildes beeinträchtigen könnten. Bei früheren Sensoren las Kodak die Pixel einfach Reihe für Reihe weiter aus, warf das Ergebnis dann aber einfach weg. "Nun haben wir eine neue Struktur in jeden Bildpunkt eingebaut, mit der es möglich ist, alle auf einmal zu löschen – und zwar in einem einzigen Takt", sagt DeLuca. Statt den Sensor also Reihe für Reihe zu leeren, lässt er sich in einem Rutsch frei räumen.

Dies reduziert auch die "Click to Capture"-Zeit – jene Verzögerung zwischen dem Herunterdrücken des Auslösers und der tatsächlichen Aufnahme. "Wir bewegen uns statt im Millisekundenbereich nun im Mikrosekundenbereich", sagt DeLuca. Neben dieser Zeitersparnis reduziert dies auch die Energiemenge, die notwendig ist, die Rücksetzung des Sensors vorzunehmen.

So fortschrittlich die Technik auch ist – billig ist sie noch nicht. Nur der Sensor allein wird mindestens 3500 Dollar kosten. Die Hersteller von Profikameras ficht das nicht an: Ein Hersteller, Hasselblad, hat bereits Pläne angekündigt, den neuen Kodak-Sensor in den nächsten Monaten in eine neue Kamera einzubauen. Zudem werden die damit erzielbaren 50 Megapixel wohl kaum lange die Rekordauflösung bleiben: Nur kurz nach Kodaks Ankündigung meldete sich der kanadische Konkurrent DALSA mit der Nachricht zu Wort, man habe einen 60 Megapixel-Sensor entwickelt. (bsc)