3. DSLR

3.1 Der Sensor

CCD-Sensor einer Kamera [1]

Der Bildsensor ist im Prinzip das Bauteil, das eine DSLR von einer analogen SLR unterscheidet.
Die meisten Sensoren bestehen aus einem Feld lichtempfindlicher Halbleiter. Die Spannung dieser Fotodioden verändert sich durch Lichteinfall, sie ist also proportional zur Helligkeit und zur Belichtungszeit. Fotodioden in DSLRs haben einen Spannungsbereich von 0-5 V, wobei 5V einer Helligkeit von 100% entspricht.
Wenn das Licht nun - sobald sich der Verschluss öffnet - auf eine Fotodiode trifft, entsteht durch den inneren photoelektrischen Effekt eine Ladung. Durch das einfallende Licht entstehen im Valenzband des Halbleiterkristalls (z.B. Silizium) freie Elektronen und positiv geladene "Löcher". Diese werden dann durch die Grundspannung des Sensors voneinander getrennt.
Die Ladungen werden als nächstes durch einen Ausleseverstärker verstärkt und zum Analogsignalprozeßor geleitet, der es dann in ein digitales Signal umwandelt, aus dem letztendlich das Bild entsteht.
In CMOS-Sensoren - auch Active Pixel Sensoren genannt - ist zu jeder Fotodiode ein Kondensator parallel geschaltet, der die Spannung zunächst speichert, bevor sie zum Ausleseverstärker des jeweiligen Bildelements gelangt.
Im Gegensatz dazu haben die vor allem bei digitalen Kompaktkameras und in der Filmtechnik verwendeten CCD-Sensoren nur einen einzigen Verstärker, die Signale werden auf einer Schicht unter den Fotodioden bis zum Rand des Sensors geleitet, wo sie dann als einzelne Datenpakete an den Ausleseverstärker übergeben werden.

Bildsensor und Hauptplatine einer Nikon Coolpix L2 6MP, Urheber: Feudiable [2]

In DSLRs werden fast ausschließlich CMOS-Sensoren verwendet, da in CCDs verstärkt der Bloom-Effekt auftritt und außerdem sogenannte Smears, beides Bildfehler aufgrund überschüssigen Lichts bzw. der direkt unter den Fotodioden liegenden Schicht, die die Elektronen zum Verstärker leitet.
Doch Fotodioden können, wie oben genannt, nur Helligkeit unterscheiden. Wie aber kommen die Farben zustande?
Das funktioniert nach dem Prinzip der Additiven Farbmischung, das erstmals James Clerk Maxwell um 1860 zur Herstellung von Farbfotos verwendete. Damals waren nur Fotos in Graustufen möglich, da die Filme zu dieser Zeit nur helligkeitsempfindlich waren. Maxwell kam auf die Idee, dreimal das selbe Motiv aufzunehmen, jedes mal aber in einem anderen Farbkanal, was er mit Farbfiltern am Objektiv erreichte.
Das Resultat waren drei beinahe identische schwarz-weiß-Diapositive, die sich nur in den Helligkeitsbereichen unterschieden. Auf dem des roten Farbkanals waren nur die roten Farben des Motivs in SW sichtbar, auf dem des grünen Kanals nur die grünen und beim blauen dementsprechend nur die blauen.
Diese projizierte er dann aufeinander, wobei er für jeden Farbkanal einen eigenen Projektor verwendete und davor wieder einen Farbfilter des jeweiligen Kanals befestigte.
Nun wurden also die verschiedenen Graustufenbilder wieder gefärbt und mittels additiver Farbmischung zu einem Bild zusammengefügt.

Schema der Bayer-Matrix, Urheber: Amada44 [3]

Bayer-Farbinterpolation, Urheber: Lars Fermum [4]

Und im Prinzip ist es in einer DSLR ähnlich. Jeder Pixel nimmt (nach dem Konzept der Bayer-Matrix) die Helligkeit eines Farbkanals durch ein Feld von Farbfiltern vor dem jeweiligen Bildelement auf. Dieses Feld besteht zu 50% aus grünen und jeweils 25% aus roten und blauen Filtern (das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf grün) in der Größe der darunterliegenden Bildelemente. Jedes Bildelement verwertet also nur die zugeordnete Farbe. Dadurch fehlen aber für ein vollständiges Bild z.B. bei einem grünen Pixel natürlich die Farben rot und blau.
Das wird durch Farbinterpolation geändert: unser grüner Pixel zieht die Farbinformationen der benachbarten blauen und roten Pixel hinzu und rechnet sie entsprechend der oben genannten Prozentsätze ein. Bei der Bayer-Technik geht aber die effektive Bildauflösung verloren, da jeder Pixel nur die Informationen einer einzigen Farbe aufnimmt.
Alternativen sind drei Sensoren gleichzeitig (3CCD) oder Foveon X3 Direkt-Sensoren. Letztere besitzen Bildelemente, die die Farbkanäle in drei Schichten der Reihe nach herausfiltern. Die 3CCD-Technik hingegen verwendet ein Prisma, das das einfallende Licht bricht und jede Farbe zu einem eigenen Sensor schickt.
Die Bayer-Technik ist jedoch am verbreitetsten.

Aufbau Monochrom- und Farbsensor (Bayer-Matrix), Urheber: Lars Fermum [4]

3.2 Analog - Digital

Nun fragt man sich vielleicht: Warum DSLR? Was ist daran besser? Weshalb benutzen manche Fotografen immer noch analoge SLRs? Und wie sieht es mit der Zukunft aus?
Das sind Fragen über Fragen, also eins nach dem anderen.
Das erste, das einem bei einer DSLR auffällt, ist das Display. Und das ist vermutlich auch einer der größten Vorteile: der Fotograf kann seine Aufnahme jederzeit betrachten, und wenn nötig löschen und wiederholen. Außerdem entfällt das Wechseln der Filme, da man die Lichtempfindlichkeit und Farbtemperatur jederzeit einstellen kann.
Und schließlich leben wir im 21. Jahrhundert. Computer sind Alltagsgegenstände und digitale Aufnahmen lassen sich damit sehr gut nachbearbeiten. Die Möglichkeiten dabei sind beinahe unbegrenzt. Hinzu kommt noch der vermehrte Einsatz der Videofunktion in DSLRs.
Dass manch ein Fotograf noch analoge Kameras benutzt, kann verschiedene Gründe haben. Erst einmal ist es Geschmackssache, einigen gefällt der besondere "Look" eben besser, anders als die quadratischen Pixel ihrer digitalen Pendanten.
Wenn man allerdings im Großformat fotografieren möchte, kommt man um die analogen Kameras kaum herum, da Sensoren in dieser Größenordnung einfach zu teuer wären.
Und das wird sich in Zukunft wohl auch zunächst nicht ändern. Analoge Kleinbild- und Mittelformatkameras aber werden vermutlich schon bald vollständig wegfallen.
Die Kameratechnik befindet sich, wie anderes auch, in einer kontinuierlichen Entwicklung. Rauschverhalten, Auflösung, Geschwindigkeit, Kontrastumfang - alldem sind vorerst keine Grenzen gesetzt.

Fußnoten und Hinweise:

[1] Quelle: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:CCD_in_camera.jpg

[2] CC-BY-SA-3.0 unported
     Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Image_sensor_and_motherbord_nikon_coolpix_l2.JPG&filetimestamp=20100108164320

[3] Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bayer_matrix.svg&filetimestamp=20090808214902

[4] Quelle: http://www.vision-doctor.de/