Der Pixelpitch

Jürgen Pagel

Technik pur - der Pixelpitch

Mit Pixelpitch (wörtlich "Bildelementabstand" von englisch pixel pitch = "picture element pitch") wird der Abstand der Pixel auf Bildsensoren oder Bildschirmen gemessen von Pixelmitte zu Pixelmitte bezeichnet. Bei der Verwendung von Farbsensoren oder Farbbildschirmen, die üblicherweise mit nebeneinanderliegenden leuchtenden Elementen in drei Primärfarben arbeiten, wird zur Unterscheidung häufig der Begriff "dot pitch" (englisch, wörtlich "Fleckabstand") verwendet, der den Abstand der Bildelemente repräsentiert, die die gesamte Farbinformation enthalten. Der Pixelpitch wird üblicherweise in horizontaler und vertikaler Richtung bestimmt und kann, in verschiedenen Richtungen gemessen, unterschiedliche Werte ergeben.

Je geringer der Abstand der einzelnen Fotodioden zueinander auf einem Bildsensor ausfällt, desto höher ist bei gegebener Größe des Sensors die Bildauflösung.

Eine bei gleichbleibender Sensorgröße höhere Megapixel-Zahl wird somit durch eine geringere Lichtmenge je Pixel erkauft, wodurch sich bei gleichem Belichtungsindex der Aufwand der kamerainternen Signalverstärkung und Bildverarbeitung erhöht. Zusätzlich wird bei Digitalkameras durch eine geeignete Signalaufbereitung die subjektiv wahrgenommene Bildqualität verbessert. Dies geschieht zum Beispiel durch den Einsatz von Weichzeichnern und Konturverstärkern, die zwar das Bildrauschen reduzieren und den Schärfeeindruck verbessern können, jedoch das Auflösungsvermögen durch die Verringerung der Bildinformation verschlechtern.

Je kleiner der Pixelpitch, umso niedriger wird auch der Wert der kritischen Blende, also der Blendenzahl, oberhalb derer die registrierte Auflösung aufgrund von Beugungseffekten abnimmt. So schrumpft mit dem Pixelpitch der Blendenbereich, in dem einerseits Abbildungsfehler durch Abblenden reduziert werden, andererseits noch keine Beugungsunschärfe auftritt.

Bei einer Blendenzahl k von 2,0 und einer Lichtwellenlänge λ\lambda von 550 Nanometer (Empfindlichkeitsmaximum des menschlichen Auges im Grünen) beträgt der Durchmesser des Beugungsscheibchens bei einer Abbildung eines unendlich entfernten, scharfgestellten Punktes zum Beispiel 2,7 Mikrometer und bei einer Blendenzahl von 16,0 bereits 21 Mikrometer. Bei 6000 Bildpunkten in der Bildbreite müssten unter diesen beiden Bedingungen Bildsensoren mit einer Breite von etwa 16 Millimetern beziehungsweise 126 Millimetern verwendet werden. Bei der Verwendung von hochkorrigierten Objektiven mit sehr hohem optischem Auflösungsvermögen ist es zum Übertragen der hohen Informationsdichte ins digitalen Bild daher nicht hinreichend, Bildsensoren zu verwenden, die einen geringeren Abstand der Bildpunkte auf dem Sensor aufweisen, als sich durch die Größe des entsprechenden Beugungsscheibchens ergibt.

Aus https://de.wikipedia.org/wiki/Pixelpitch

Hat der Pixelpitch Einfluss auf das Rauschverhalten eines Sensors?

Ja und nein. Je mehr Pixel beispielsweise ein APS-C-Format-Bildsensor hat, desto größer wird das Bildrauschen gegenüber anderen APS-C-Format Sensoren mit weniger Pixeln, denn mehr Pixel bedeutet zugleich einen geringeren Pixelabstand und eine geringere Pixelgröße der einzelnen Fotodioden am Bildsensor. Diese Aussagen beziehen sich allerdings nur auf einen Vergleich der Bilder bei 100-%-Darstellung am Bildschirm, also bei unterschiedlichen Ausgabegrößen. Werden die Bilder dagegen in der gleichen Ausgabegröße betrachtet, ist das Rauschverhalten bei gleicher Größe und Bauart des Sensors weitgehend unabhängig von der Pixelgröße bzw. dem "pixel pitch".

Die Kamerahersteller versuchen nun mit ausgeklügelter Software diesen Effekten entgegen zu wirken. Das gelingt einmal mehr, einmal weniger gut. Bei guten Lichtverhältnissen am Tag sind die Unterschiede sowohl zwischen einer 12 MP- und einer 26 MP-Kamera tatsächlich marginal und nur etwas für Pixelpeeper.

Selbst das sogenannte RAW-Bild einer jeden Kamera ist mittlerweile softwareseitig bearbeitet - entgegen der landläufigen Meinung, dass RAW-Bilder unbearbeitet OOC sind - dem ist keineswegs so. In dem Moment, in dem Licht auf den Sensor fällt, beginnt bereits der kamerainterne, softwaregestützte Verarbeitungsprozess.

Versuchsaufbau

Ich habe dazu vier Kameras herangezogen - ein iPhone 11 mit 12 MP, eine Nikon Z6II mit Vollformatsensor und 24,5 MP, eine Fujifilm X-T4 mit 26,1 MP sowie eine Fujifilm X100F mit 24,3 MP. Eine höher auflösende Kamera stand mir leider im Test nicht zur Verfügung.

Gleichzeitig habe ich den Pixelpitch für die Kameras herausgesucht. Diesen findet man in der Regel im Datenblatt der Kamera oder hier.

Dabei weist die Nikon Z6II einen Pixelpitch von 6 Mikrometer, die X-T4 von 3,9 Mikrometer, die X100F ebenfalls von 3,9 Mikrometer und das iPhone 11 von 1,4 Mikrometer auf.

Schaut man sich nun die Vergleichsbilder an, so sind die Unterschiede in Bezug auf das Rauschverhalten erst ab einer 800%igen Vergrößerung tatsächlich deutlich.

Die Belichtung (Rollei Solana II 60 mit 27%) ist gleich, der Abstand variiert geringfügig auf Grund nicht hundertprozentig gleicher Brennweite.

In der Vergrößerung schneidet die Nikon Z6II in Bezug auf das Rauschverhalten vor allem in den oberen Randbereichen und in dem nahezu schwarzen Bereich des Buches deutlich besser ab, als die X-T4 - gefolgt von der X100F. Den letzten Platz macht erwartungsgemäß das iPhone 11, weil hier die interne Software alles weich gewaschen hat und die Schrift nicht mehr lesbar war. Von objektivbedingten Abweichungen in Bezug auf die Schärfe einmal abgesehen, sind die Unterschiede bei "normalem" Bildausschnitt allerdings in der Praxis kaum auszumachen und ich bin sicher, dass nur sehr wenige Profi's in der Lage wären, anhand der Bilder die Kamera zu bestimmen, mit welcher die Aufnahmen erfolgten.
Nichts, aber auch gar nichts spricht für das Vollformat im Vergleich zum APS-C. Einzig die Handybilder lassen zu wünschen übrig. Aber selbst die sind noch - trotz der extrem dunklen Bereiche - vertretbar und als Schnappschuss vollkommen geeignet und durchaus brauchbar - verzichtet man auf exorbitante Vergrößerung.

Fazit
Zu erwarten ist also, dass bei einem Pixelpitch von 3 Mikrometer bei der neuen Fujifilm X-T5 im Vergleich zu einem Pixelpitch von 6 Mikrometer einer Nikon Z6II das Rauschverhalten per se - im Besonderen durch die höhere Auflösung von 40 MP - schlechter ausfällt. Vor allem in Low-Light-Situation sollte sich das negativ bemerkbar machen. Und die ersten Testberichte bestätigen diese Theorie - trotz verbesserter Software gegenüber der X-T4. Bedenkt man jetzt noch, dass bisher nur wenige Objektive tatsächlich mit den 40 MP umgehen können, lohnt sich der Umstieg kaum. Mit anderen Worten: die Welt braucht diese Kamera nicht, der Fotograf dagegen schon ;-). Der einzige Vorteil liegt bei der hohen Auflösung darin, dass bei einem Crop des Bildes immer noch ausreichend, nahezu verlustfreie Auflösung übrig bleibt - das ließe sich allerdings durch eine zuvor sorgfältige Auswahl des Bildausschnitts zumeist vermeiden. Noch nicht einmal eine größere Schärfe ist ein Argument, denn diese ist nach wie vor in erster Linie vom Objektiv abhängig und erst in zweiter Linie von einem höher auflösenden Sensor. Wer also mehr Schärfe will, sollte mit kürzeren Verschlusszeiten (wenn er aus der Hand fotografiert) bzw. besseren Objektiven arbeiten.

Um die Bildqualität zu verbessern kann es durchaus sinnvoll sein, auf extrem hohe Auflösung zu verzichten und bei 26-30 MP den Schlussstrich zu ziehen. Denn das ist ein guter Kompromiss in Bezug auf Auflösung, Pixelpitch und Rauschverhalten. Übrigens ein Profi-Tipp von namhaften Fotografen an die Hersteller, dem Megapixel-Wahn ein Ende zu bereiten.

Da nur sehr wenige Sensorhersteller den Weltmarkt bedienen, also nahezu alle Sensoren aus dem gleichen Hause stammen, sind die Unterschiede auch in Zukunft eher marginal. Einzig mit der Qualität und dem Umfang der softwareinternen Verarbeitung sind noch Blumentöpfe zu gewinnen. Und da ließe sich mit dem einen oder anderen Formware-Update noch einiges herausholen - was jedoch am Pixelpitch nichts ändert ;-).

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