Je größer desto besser? Was bewirkt die Sensorgröße? Welche Sensor-Größen sind üblich? Wie berechne ich die benötigte Brennweite? Wie groß ist der Schärfentiefe-Unterschied? Welche Nachteile hat ein großer Sensor?

Ganz klar: je größer der Sensor, desto mehr Licht kann verwendet werden, um das elektronische Bild herzustellen – ein detailreicheres und störungsfreieres Bild wird möglich.
Die größere Fläche bringt aber auch, möglicherweise unangenehme Nebeneffekte mit sich, auf die hier eingegangen werden soll.

Was bewirkt die Sensor-Größe?

Sie hat Einfluss auf den Abbildungsmaßstab und die Schärfentiefe.

Je nachdem, welche Brennweite und welche Sensorgröße verwendet wird, ergibt sich ein bestimmter Abbildungsmaßstab, d.h. es entsteht ein bestimmtes Verhältnis zwischen der realen Größe eines Objekts und der Größe des Objekts auf dem Film.

Eine Foto- oder Filmaufnahme mit dem selben Objektiv ergibt bei einem kleinen Sensor einen relativ engen und bei einem großen Sensor einen relativ weiten Bildausschnitt.

Skizze_Sensorgroessen_Bildausschnitt

Skizze_Bildausschnitt
Zusammenhang zwischen Sensorgröße, Bildausschnitt und verwendetem Objektiv.

Um also mit einem kleinen Sensor denselben Bildausschnitt wie mit einem großen Sensor zu erhalten, muss die Entfernung zum Motiv erhöht, oder eine andere Brennweite gewählt werden. Das Verhältnis zweier Sensorgrößen zueinander entspricht dabei dem Verhältnis zweier Brennweiten, die den äquivalenten Bildausschnitt liefern.

Dieser Unterschied wird häufig als “Crop-Faktor” bezeichnet, der angibt, um welchen Faktor sich die gewählte Brennweite beim verwendeten Sensor im Vergleich zum Kleinbildformat unterscheidet. Dieser Crop-Faktor ist jedoch in der Filmwelt oft irreführend, da die Bezugsgröße viel eher das 35 oder 16mm Bildfenster ist, nicht jedoch das Kleinbildformat.

Neben dem Abbildungsmaßstab beeinflusst die Sensorgröße auch die Schärfentiefe maßgeblich. Je größer der Sensor, desto verschwommener sind Objekte, die vor oder hinter dem eingestellten Fokus liegen. Das zu fotografierende Objekt kann damit beispielswiese noch deutlicher vom Hinter- und/oder Vordergrund getrennt werden.

Welche Sensor-Größen sind üblich?

Typischerweise wird in folgende Sensor-Größen unterschieden:[1]

  • Kleinbild, oder auch “Vollformat”
  • Super 35mm, das Äquivalent zum Bildfenster des Super 35mm Films
  • Micro Four Thirds, oder auch 4/3” oder MFT
  • 1”
  • Super 16mm, das Äquivalent zum Bildfenster des Super 16mm Films
  • 2/3”
  • 1/2”
  • 1/3”

Folgende Darstellung soll einen Überblick zu den verschiedenen Sensor Größen aktueller digitaler Kameras geben, die zur Filmaufnahme in Werbung, Kino und Fernsehen verwendet werden.
Die angegebenen Größen wurden bei den Kameraherstellern recherchiert und beziehen sich auf die tatsächlich verwendete Fläche bei der Videoaufnahme im 16:9 Format.[2]

 

Skizze_Sensorgroessen

 

Wie berechne ich die benötigte Brennweite?

Mithilfe der vereinfachten Linsengleichung:

Mit den oben vorgestellten Maßangaben ist es nun möglich zu berechnen, welches Objektiv beim gegebenen Sensor verwendet werden muss, um einen entsprechenden Bildausschnitt zu erhalten.

Beispiel:
Eine Person sitzt in 1,5m Abstand und soll mit einer Canon C300 “Groß”, d.h. das Gesicht (Annahme 20cm hoch) formatfüllend, portraitiert werden.

Um das auszurechnen, kann die folgende, weit verbreitete[3], Formel verwendet werden.

Diese lautet:

f…Brennweite
g…Gegenstandsweite
B…Bildgröße, Größe des Objekts auf dem Film
G…Gegenstandsgröße, reale Größe des Objekts

Um die benötigte Brennweite zu berechnen setzen wir die Zahlen wie folgt ein:

b_Brennweite

Wir erhalten dadurch das Ergebnis von 96,82mm. Wenn mit Festbrennweiten gearbeitet wird, kann daher ein 100mm Objektiv verwendet werden.

Wichtig: Diese Gleichung ist zwar weit verbreitet, das Ergebnis kann jedoch nur als Richtlinie gesehen werden. Sie geht von einer vereinfachten Welt aus, in der eine einzelne Linse zur Darstellung des Bildes verwendet wird. Tatsächlich werden in einem Objektiv aber viele einzelne Linsen verbaut, um optische Fehler zu reduzieren und ein entsprechendes Bild zu liefern. Um beim Beispiel zu bleiben, kann es daher sein, dass ein bestimmtes 100mm Objektiv das Gesicht formatfüllend darstellt, das Objektiv eines anderen Herstellers aber davon abweicht. Hinzu kommt, dass Fotoobjektive oder ältere Filmobjektive beim Verstellen des Fokus “pumpen”, d.h. ihren Bildausschnitt je nach eingestelltem Fokus minimal verändern.

Ebenso wichtig: Jene Sensor-Abmessung ist von Relevanz, die für die Auslesung des Bildes verwendet wird. Bei professionellen Kameras wie bspw. der Alexa Kamera ist der Sensor etwas größer als der Bildausschnitt des aufgezeichneten Bildes, um den sogenannten “Sorround View” zu ermöglichen. [4] Außerdem bieten manche Kameras (z.B.: Red Epic oder Sony A7s) die Möglichkeit das Bild zu croppen, d.h. nur einen bestimmten Teil des Sensors zu verwenden und damit den Ausschnitt zu vergrößern. Neben der schlichten Vergrößerung kann dies besonders nützlich sein, wenn bestimmte Objektive mit kleinem Bildkreis verwendet werden oder die Schärfentiefe bei gleichem Abbildungsmaßstab erhöht werden soll.

Wie berechne ich die äquivalente Brennweite?

Mithilfe des “Crop-Faktors” bzw. “Bildausschnittfaktors”, der den Größenunterschied zwischen zwei Sensor-Größen als Faktor angibt.

Wie bereits weiter oben beschrieben ergibt sich der Bildausschnitt aus Sensor-Größe und der Brennweite des gewählten Objektivs. Um bei einem kleineren Sensor denselben Bildausschnitt wie bei einem größeren Sensor zu erhalten, muss eine kürzere Brennweite gewählt werden. Um zu berechnen welche Brennweite benötigt wird muss nur das Verhältnis der beiden Sensor-Größen ermittelt werden, welches ebenso dem Verhältnis der Brennweiten entspricht.

Beispiel:
Es soll eine Schuss- Gegenschuss Situation realisiert werden. Da der Regisseur heute seine private BlackMagic-Pocket Kamera mit gebracht hat, wird spontan entschieden mit zwei Kameras gleichzeitig zu drehen. Die A-Kamera ist eine ARRI Alexa, bestückt mit einem 100mm Objektiv, in einer Entfernung von 2m zum Darsteller eingerichtet. Der Bildausschnitt soll in der BlackMagic-Pocket Kamera identisch gewählt werden.

Welche Brennweite muss für die BlackMagic-Pocket Kamera gewählt werden, um beim selben Abstand denselben Bildausschnitt wie bei der Arri Alexa zu erreichen?

b_Cropfactor

(Anmerkung: Für die Berechnung des Umrechnungsfaktors kann auch die Höhe oder die Breite der beiden Sensoren verwendet werden, wichtig hierbei ist dann nur, dass es sich bei beiden Sensoren um das selbe Seitenverhältnis handelt.)

Wenn wir für die Sensordiagonale des A-Sensors 27,313mm und für den B-Sensor 14,327mm einsetzen, erhalten wir den Faktor 1,906. Diesen verwenden wir nun um die Brennweite auszurechnen, die wir benötigen um den selben Bildausschnitt wie bei der A-Kamera zu erreichen.

b_Brennweitenaequivalent
Für die Black-Magic-Pocket Kamera muss daher ein Objektiv mit etwa 52mm gewählt werden, um denselben Bildausschnitt bei 2m Entfernung zu erzielen. Steht nur ein 50mm Objektiv zur Auswahl, muss der Unterschied mit der geringfügigen Verringerung des Abstands kompensiert werden.

Wichtig: Zwar wurde durch dieses Vorgehen der Bildausschnitt berechnet, dennoch werden sich die Bilder der Kameras unterscheiden, da die Schärfentiefe beim kleineren Sensor deutlich höher ist. Damit die Bilder auch im Bezug auf die Schärfe möglichst ähnlich aussehen, muss auch dieser Unterschied kompensiert werden, indem die Blende bei der Kamera mit dem kleineren Sensor weiter geöffnet wird, als bei der A-Kamera.

Wie groß ist der Schärfentiefen-Unterschied bei gleichem Bildausschnitt?

Die Schärfentiefe ist bei einem kleineren Sensor ungefähr genauso groß wie bei einem größeren Sensor, wenn die Blende beim größeren Sensor um den Faktor c geschlossen wird.

Kurzer Schärfentiefe-Exkurs

Die Schärfentiefe verändert sich, wenn sich der Abbildungsmaßstab oder die Größe der Licht-Eintrittsöffnung verändert, d.h. wenn entweder

  • die Entfernung des Objekts zur Kamera,
  • die Größe des Objekts auf dem Sensor oder
  • die Blende

geändert wird.

Wenn die Brennweite gewählt wird, um denselben Bildausschnitt zu erhalten, bleibt zwar die Entfernung zum Objekt, sowie die Licht-Eintrittsöffnung gleich, die Größe des Objekts auf dem Sensor verändert sich aber, da der Sensor und somit auch das Bild kleiner bzw. größer ist.

Dieser Unterschied kann mit dem Verändern der Licht-Eintrittsöffnung, d.h. mit Verstellung der Blende kompensiert werden. Dabei muss beachtet werden, dass durch das Öffnen der Blende mehr Licht durch das Objektiv kommt und dadurch das Bild möglicherweise unter- oder überbelichtet wird – ND Filter und/oder die Veränderung der ISO/ASA Zahl werden notwendig.

Um den ungefähren Unterschied in Blendenzahlen ausgedrückt zu erhalten, kann der zuvor berechnete Crop-Faktor c herangezogen werden.[5]

Beispiel:
Kamera A, Arri Alexa, bestückt mit einem 100mm Objektiv, Blende 2.8, hat einen Abstand ca. 2m zum Objekt.
Kamera B, Blackmagic Pocket, bestückt mit einem 50mm Objektiv, Blende 2.8, hat einen Abstand von ca. 2m zum Objekt.
Der Bildausschnitt ist nahezu identisch. Die Belichtung ebenso. Nur die Schärfentiefe unterscheidet sich beträchtlich.

b_BlendeDer Umrechnungsfaktor von Sensor Kamera A zu B ist, wie vorher berechnet, 1,906, aufgerundet 2.

b_Blende_Rechnung

Um annähernd denselben Schärfentiefen-Verlauf in beiden Bildern herzustellen, kann Kamera A die Blende auf 5.6 schließen.

Eine genauere Korrektur kann vorgenommen werden, indem entsprechende Stellen in Schärfentiefe-Tabellen gesucht werden. Diese Tabellen sind auch für Apps auf Smartphones erhältlich, die eine Suche der entsprechenden Werte deutlich erleichtern.

Welche Nachteile hat ein großer Sensor?

Der größere Bildkreis, die geringe Schärfentiefe und ein stärkerer Rolling Shutter Effekt können Nachteile eines größeren Sensors sein.

Bildkreis

Wie bereits erklärt wurde, ergibt sich durch die Kombination aus Sensor und Objektiv ein bestimmter Abbildungsmaßstab. Dieser fällt bei gleicher Brennweite, aber unterschiedlichem Sensor verschieden aus, da die Fläche des Sensors, der das Bild “auffängt” kleiner oder größer ist. Bei einem größeren Sensor muss das Objektiv also eine größere Fläche belichten als bei einem kleinen Sensor, oder anders gesagt, der Bildkreis des Objektivs muss ein größerer sein.

Wie in folgender Abbildung veranschaulicht werden soll, kann es bei Objektiven, die nicht den notwendigen Bildkreis liefern, zu “Vignettierungen”, d.h. Abschattungen an den Bildrändern, kommen.

Skizze_Sensorgroessen_Bildkreis
Wenn der Bildkreis für eine bestimmte Sensorgröße zu klein ist, kommt es zu Abschattungen an den Randbereichen.

 

Beispielsweise können trotz einheitlichem Bajonett nicht alle Canonobjektive für alle Canon Fotoapparate verwendet werden. Verwendet man Objektive deren Bildkreis für Kameras mit APS-C Sensor gerechnet wurden auf einer Vollformat Kamera, kann es passieren, dass es zu einer eben solchen Vignettierung kommt.

Umgekehrt können aber bestimmte 16mm Objektive für MFT-Kameras und für RED-Kameras im gecroppten 2K Modus verwendet werden, vorausgesetzt man verfügt über den entsprechenden Adapter.

Wichtig: Auch wenn der entsprechende Adapter verfügbar oder der Objektiv-Mount identisch ist: Objektive, die nicht für eine bestimmte Kamera konstruiert wurden, können unter Umständen zu weit in die Kamera hineinragen, sodass durch die Hinterseite des Objektivs das Innere der Kamera beschädigt werden kann – oder umgekehrt.
Prinzipiell sollte also jede Kamera – Objektiv – Kombination getestet werden. Insbesondere bei unüblichen Kombinationen, wie bspw. 16mm Objektive auf einer gecroppten RED Kamera zu verwenden oder dem Einsatz von Spezialkameras.

Objektive, die einen relativ großen Bildkreis liefern, sind aufwändiger zu konstruieren, da Linsenfehler wie die Randunschärfe oder chromatische Aberration zu den Rändern hin stärker werden. Objektive mit solchen Problemen können auf kleineren Sensoren besser aussehen, da hier die Ränder ohnehin nicht aufgezeichnet werden.

Rolling Shutter

Aus elektrotechnischen Gründen sind Sensoren die größer als 1” sind CMOS Sensoren. Dieser Sensortyp hat den Nachteil, dass die Pixel sequenziell von links oben bis rechts unten, ausgelesen werden. Bedingt durch dieses Ausleseverfahren kann es bei Schwenks, Vorbeifahrten oder ähnlichem, zu kippenden Linien – dem sog. “Rolling Shutter Effekt” – kommen.

Vereinfacht gesagt, kann es aufgrund der längeren Wege, die beim Auslesen eines größeren Sensors im Vergleich zu einem kleineren Sensor, zurückgelegt werden, zu einem stärker ausgeprägten Rolling Shutter Effekt kommen. Beispielsweise konnte in Tests festgestellt werden, dass die Sony A7s mit einem Vollformat Sensor stärker mit kippenden Linien zu kämpfen hat als die Panasonic GH4, welche einen MFT-Sensor verbaut hat. [6][7]

Schärfentiefe

Umso größer der Sensor, desto geringer die Schärfentiefe. Zunächst bringt dies den augenscheinlichen Vorteil den Vorder- vom Hintergrund besser trennen zu können. Wenn sich das zu filmende Objekt jedoch bewegt und die Schärfe nachgezogen werden muss, kann dies zum Problem für den Focus Puller bzw. den Kameramann werden.

In der Praxis

Einige Low-Budget gedrehte Kurzfilme oder auch Werbungen greifen auf die vollformatige Canon 5D Mark II/III zurück. Viele sind begeistert von der tollen Trennung der Ebenen durch die extrem geringe Schärfentiefe. Ein Umstand, der die Drehpraxis schnell zum Glücksspiel werden lassen kann, wenn es nicht gelingen will, eine simple Bewegung scharf zu bekommen. Zur geringen Schärfentiefe kommt hinzu, dass Produktionen, die auf eine solche Kamera zurückgreifen, oft keine entsprechend skalierten Objektive einsetzen, die es für den Schärfenassistenten oder Kameramann noch schwerer bis unmöglich machen, die Entfernung des Objekts zu treffen.

 

Nützliche Links:

Den Unterschied der Schärfentiefe, aber auch mehr zum Crop-Faktor, kann man hier erfahren: http://www.red.com/learn/red-101/sensor-crop-factors

Welche Fragen zum Thema “Sensor Größe” stellst Du Dir noch? Würdest Du auf die Fragen anders antworten? Ich freue mich auf deine Fragen oder Anregungen in den Kommentaren!

Quellen:

[1] vgl. HANS ALBRECHT LUSZNAT: Aktuelle Kameras. In: Film & TV Kameramann Monografie Nr. 7. Juni 2014, S.6

[2] ARRI.COM: Arri Classic Recording Areas. In: http://www.arri.de/fileadmin/media/arri.com/camera/35-format-digital/ALEXA/SUP_11_ALEXA_Classic_Recording_Areas_Surround_Views_Framelines.jpg (06.05.2015)

CANON USA: Cinema EOS Frequently Asked Questions. In: http://www.learn.usa.canon.com/resources/misc/cinemaEOS_faq.shtml (06.05.2015)

RED.COM: Epic Dragon. In: http://www.red.com/products/epic-dragon#tech-specs (07.05.2015)

SONY.COM: Sony Alpha 7s. In: http://store.sony.com/a7s-full-frame-mirrorless-camera-zid27-ILCE7S/B/cat-27-catid-all-alpha-interchangeable (07.05.2015)

SONY.NET: Main specifications of a7s. In http://www.sony.net/Products/di/en-us/translation_img/products/vq5f/overview/spec.pdf (07.05.2015)

PANASONIC.COM: Lumix G Camera DMC-GH4. In: http://www.panasonic.com/uk/consumer/cameras-camcorders/lumix-g-compact-system-cameras/dmc-gh4.html (07.05.2015)

BLACKMAGICDESIGN.COM: Black Magic Pocket Cinema Camera. In: https://www.blackmagicdesign.com/products/blackmagicpocketcinemacamera/techspecs/ (07.05.2015)

IMAGE-RESOURCE.COM: Canon 5D Mark III. In: http://www.imaging-resource.com/PRODS/canon-5d-mkiii/canon-5d-mkiiiDAT.HTM (07.05.2015)

FDTIMES.COM: Focal Lengths, Format Sizes. 4.5.2011. In: http://www.fdtimes.com/2011/05/04/focal-lengths-format-sizes/ (07.05.2015)

VISION-DOCTOR.DE: Sensor Pixel Größen. In: http://www.vision-doctor.de/kamera-grundlagen/sensor-pixel-groessen.html (

KODAK.COM: Super16_SellSheet. In: http://www.kodak.com/global/mul/digital/flash/choices_new/EKC_03520_Super16_SellSheet.pdf (07.05.2015)

KODAK.COM: Super35_SellSheet. In: http://www.kodak.com/global/mul/digital/flash/choices_new/EKC_03520_4Perf_SellSheet.pdf

[3] vgl. u.a. IMAGING-SOLUTIONS.DE: Brennweitenberechnung. In: http://www.imaging-solutions.de/pdf/TN_Brennweite.pdf (08.05.2015), WIKIPEDIA.ORG: Linsengleichung. In: http://de.wikipedia.org/wiki/Linsengleichung (08.05.2015), SCORPIONVISION.CO.UK: Calculating the Focal Length. In: http://scorpionvision.co.uk/FAQRetrieve.aspx?ID=37140 (08.05.2015)

[4] ARRI.COM: Arri Classic Recording Areas. In: http://www.arri.de/fileadmin/media/arri.com/camera/35-format-digital/ALEXA/SUP_11_ALEXA_Classic_Recording_Areas_Surround_Views_Framelines.jpg (06.05.2015)

[5] PROFOTO-ONLINE.DE: Sensorgröße und Schärfentiefe. In: http://www.prophoto-online.de/digitalfotografie/Sensorgroesse-Schaerfentiefe-10001071 (11.05.2015)

[6] vgl. SEBASTIAN WÖBER: Rolling Shutter – Sony A7s vs. the others. 24.07.2014. In: http://www.cinema5d.com/rolling-shutter-sony-a7s-vs-arri-amira-canon-c300-5d-mark-iii-1dc-panasonic-gh4/ (12.05.2015)

[7] vgl. LEARNING VIDEO: Sony a7S as it Compares to the Panasonic GH4. 11.09.2014. In: http://www.learningvideo.com/sony-a7s-review/ (12.05.2015)

Sensor-Größe

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