Was ist die Empfindlichkeit einer Kamera und warum können Angaben zur Empfindlichkeit irreführend sein?

Die Empfindlichkeit (Sensitivity) beschreibt, wie stark ein Bildsensor auf eine bestimmte Lichtmenge reagiert. Die Empfindlichkeit allein liefert jedoch kein vollständiges Bild über die Leistungsfähigkeit einer Kamera. Beim Vergleich verschiedener Kameras sollten auch Faktoren wie Rauschen, Gain, Dynamikbereich und die gesamte Kameraarchitektur berücksichtigt werden.

Wie reagiert ein Sensor auf Licht?

Die typische Kennlinie eines Sensors lässt sich in drei Bereiche unterteilen:

• Dunkelbereich: Bei sehr geringer Lichtintensität ist das Sensorsignal sehr schwach und wird stark durch Rauschen beeinflusst. Das Nutzsignal lässt sich daher nur schwer vom Rauschen unterscheiden.

• Linearer Bereich: Mit zunehmender Lichtmenge steigt das Sensorsignal vorhersehbar und annähernd proportional zur einfallenden Lichtmenge. Dieser Bereich ist der wichtigste nutzbare Arbeitsbereich des Sensors.

• Sättigungsbereich: Bei hohen Lichtintensitäten erreicht der Sensor seinen maximalen Ausgangswert. Die Kennlinie wird nichtlinear und der Sensor geht schließlich in die Sättigung.

Der Übergang vom Dunkelbereich in den Bereich, in dem ein Signal zuverlässig vom Rauschen unterschieden werden kann, wird häufig durch die Noise Equivalent Exposure (NEE) beschrieben. Ein niedrigerer NEE-Wert bedeutet im Allgemeinen, dass der Sensor auch schwächere Lichtsignale erfassen kann.

Die Steigung des linearen Bereichs der Sensor-Kennlinie wird üblicherweise als Empfindlichkeit (Sensitivity) bezeichnet. Sie beschreibt, wie viel analoges Ausgangssignal der Sensor für eine bestimmte Menge einfallenden Lichts erzeugt.

Warum bedeutet eine höhere Empfindlichkeit nicht automatisch eine bessere Kamera?

Ein Sensor mit höherer Empfindlichkeit erzeugt bei gleicher Lichtmenge ein größeres Ausgangssignal. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass die Kamera ein besseres Bild liefert.

Beispielsweise kann eine Kamera durch eine höhere Verstärkung oder einen höheren Gain-Wert ein stärkeres Ausgangssignal erzeugen. Dabei wird jedoch nicht nur das Nutzsignal, sondern auch das vorhandene Rauschen verstärkt. Das resultierende Bild enthält dadurch nicht zwangsläufig mehr nutzbare Informationen.

Auch das Rauschniveau und die Fähigkeit, schwache Signale vom Rauschen zu unterscheiden, sind daher genauso wichtig wie die Empfindlichkeit selbst. Ein Sensor mit geringerem Rauschen kann bei schlechten Lichtverhältnissen besser abschneiden, selbst wenn seine angegebene Empfindlichkeit niedriger ist.

Was ist Responsivität?

Bei einer digitalen Kamera kann die Responsivität (Responsivity) eine aussagekräftigere Kenngröße als die reine Sensor-Empfindlichkeit sein.

Die Empfindlichkeit beschreibt die Reaktion des Sensors im analogen Bereich. Eine digitale Kamera besteht jedoch aus weiteren Komponenten wie Verstärkern und Analog-Digital-Wandlern (ADCs), die das endgültige digitale Ausgangssignal beeinflussen.

Die Responsivität beschreibt das Verhältnis zwischen der einfallenden Lichtmenge und dem daraus resultierenden digitalen Pixelwert. Sie kann beispielsweise angegeben werden als:

Responsivität = DN / µJ/cm²

Dabei steht DN (Digital Number) für den digitalen Pixelwert.

Die Responsivität hängt außerdem von der Gain-Einstellung der Kamera ab. Eine Erhöhung des Gains erhöht die Ausgangsreaktion, gleichzeitig aber auch das Rauschen.

Warum sollte Responsivität immer zusammen mit dem Rauschen betrachtet werden?

Betrachten wir zwei Kameras:

	Kamera 1	Kamera 2
Responsivität	1 DN/µJ/cm²	2 DN/µJ/cm²
Rauschen (Peak-to-Peak)	2 DN	5 DN

Auf den ersten Blick scheint Kamera 2 aufgrund der höheren Responsivität besser zu sein. Wenn Kamera 1 jedoch über eine Gain-Einstellung verfügt, mit der sich ihre Responsivität verdoppeln lässt, ergibt sich folgende Situation:

	Kamera 1 mit erhöhtem Gain	Kamera 2
Responsivität	2 DN/µJ/cm²	2 DN/µJ/cm²
Rauschen (Peak-to-Peak)	4 DN	5 DN

Beide Kameras haben nun die gleiche Responsivität, während Kamera 1 das geringere Rauschen aufweist.

Dieses Beispiel zeigt, warum Responsivität nicht unabhängig vom Rauschen betrachtet werden sollte. Eine Erhöhung des Gains kann die scheinbare Empfindlichkeit bzw. Responsivität erhöhen, erhöht aber nicht zwangsläufig die Menge der nutzbaren Informationen im Bild.

Worauf sollte ich beim Vergleich der Kameraempfindlichkeit achten?

Verlassen Sie sich beim Vergleich von Kameras nicht allein auf den Empfindlichkeitswert. Stellen Sie sicher, dass die Angaben unter vergleichbaren Messbedingungen ermittelt wurden, und berücksichtigen Sie insbesondere:

• Responsivität bzw. Empfindlichkeit

• Rauschniveau

• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

• Gain-Einstellungen

• Minimales detektierbares Signal / Noise Equivalent Exposure (NEE)

• Dynamikbereich

• Messbedingungen und verwendete Einheiten

Entscheidend ist, Kameras anhand vergleichbarer Messkriterien und unter identischen oder zumindest vergleichbaren Bedingungen zu bewerten. Ein höherer Wert für Empfindlichkeit oder Responsivität bedeutet allein nicht zwangsläufig eine bessere Bildqualität oder eine bessere Low-Light-Performance.