Leitfaden zur Größe von Kamerasensoren

Wie wirkt sich die Größe des CMOS-Sensors auf die Leistung der Kamera aus?

Sensor format sets the light-collecting area, and it drives physical size, cost, and lens requirements. It does not by itself set low-light SNR or dynamic range. Those come out of quantum efficiency, fill factor, full-well capacity, read noise, dark current, the exposure time and f-number you run, and the processing behind the sensor. Format is one input to that budget. Every camera project weighs it against the rest.

Larger pixels collect more photons per pixel, but that becomes better low-light performance only under a fair comparison: same f-number, same exposure time, same scene irradiance, comparable quantum efficiency and pixel architecture, and the same output resolution after any binning or downsampling. Compare two sensors at matched output resolution and the per-pixel advantage often shrinks.

A larger sensor also needs a lens with a larger image circle, and holding image quality and corner illumination across that wider field is the harder design problem. M12 lenses cover sensors up to 1/1.8 inch typically, with select designs to 2/3 inch, while C-mount lenses carry the formats above that.

Warum sind die verschiedenen Sensorformate bei Digitalkameras so verwirrend?

Das Klassifizierungssystem für Formattypen geht auf Videokameraröhren zurück, die vor der Einführung von CCD- und CMOS-Sensoren hergestellt wurden. Diese Vidicon-Röhren wiesen außerhalb des aktiven Kathodenbereichs undurchsichtige Bereiche auf, die auf die mechanischen Strukturen zurückzuführen waren, mit denen die Röhre und die Elektroden befestigt waren.

Der Bildbereich war deutlich kleiner als der Außendurchmesser der Röhre. Als Festkörper-CCD-Sensoren die Röhren ablösten, behielten die Hersteller die bestehende Namenskonvention für Formate bei, um die Kompatibilität mit etablierten Objektivsystemen zu gewährleisten. Das Ergebnis: Die Bezeichnungen moderner Sensorformate beschreiben den äquivalenten Vidicon-Röhrendurchmesser, der denselben Bildkreis erzeugen würde, und nicht die tatsächlichen Abmessungen des Sensors.

Wie sieht der mathematische Zusammenhang zwischen dem Format und der tatsächlichen Sensorgröße aus?

We've done our best to fit a "modern-day" curve to the format names, using commonly agreed upon datapoints of 1" = 16.0mm, 1/2" = 8.0mm, 1/3" = 6.0mm, 1/4" = 4.5mm, then cross-referencing as many other articles as possible. Treat that fit as a convenience, not a definition: the format names are a historical list inherited from tube diameters, not a continuous function of sensor diagonal.

That is why the curve breaks between the 1/2" and 1/2.3" format sizes, and why the chart below still carries the legacy "image dissector" label for the tube diameter. When the number matters, take width and height from the sensor datasheet or from the reference table below.

Referenztabelle für Sensorformate

The table below lists common CMOS sensor formats with nominal dimensions. Active area varies between manufacturers and between parts sold under one label. Use the table for orientation and the datasheet active area for any calculation.

Wie wähle ich ein Objektiv passend zu meinem Sensorformat aus?

The lens image circle must equal or exceed the sensor diagonal. A full-frame fisheye lens is no exception: it is specified to cover the diagonal, and accepting barrel distortion does not substitute for coverage. A circular fisheye is the deliberate exception, since its image circle is designed to fall inside the sensor's short side.

A "1/2 inch" rating is shorthand for an image circle near 8mm, not a guarantee of coverage. Coverage is a criterion: ask what relative illumination and MTF the vendor still holds at the edge of that circle, and at which aperture, wavelength, and conjugate. Two lenses carrying the same format label can differ at the corner once the criterion is fixed. Run a sensor past the rated circle and the corners darken or go black.

Running a lens on a sensor smaller than its rated format is common and usually safe optically, but coverage alone is not compatibility. Chief ray angle, the sensor cover glass and filter stack, working distance, MTF over the field you actually use, mechanical clearance behind the mount, and the narrower field of view all still have to check out.

For embedded vision applications with sensors up to 1/1.8" format (8.9mm diagonal), M12 mount lenses provide compact, cost-effective solutions. For larger sensor formats, C-mount lenses extend coverage beyond what most M12 optics reach, and many C-mount models add an adjustable iris and focus ring for depth-of-field control.

Welches Sensorformat sollte ich für meine Anwendung wählen?

Die Wahl des Sensorformats hängt von den Anforderungen an die Auflösung, den Anforderungen an die Lichtempfindlichkeit, den räumlichen Gegebenheiten und dem Budget ab. Beachten Sie folgende Richtlinien:

• Mobile Robotik (1/4" bis 1/1,7"): Kompakte Sensoren lassen sich gut mit leichten M12-Objektiven für die Robotik kombinieren. Für die Navigation sollte ein großes Sichtfeld im Vordergrund stehen.
• Automotive Vision (1/2,8" bis 1/1,7"): Ausgewogenes Verhältnis zwischen kompakter Bauweise und guter Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. M12-Objektive für den Automobilbereich zeichnen sich durch eine robuste Bauweise aus.
• Machine Vision (1/1.7" to 1"): Larger formats provide more area for a given pixel pitch. Global shutter is a pixel and readout architecture choice, available in both small and large sensors. Global shutter sensors in 2/3" and 1" formats pair with C-mount lenses for precision applications.
• Überwachung (1/3" bis 1/2"): Kostengünstige Formate mit bewährter Objektivverfügbarkeit. Die Objektive für die Überwachung sind für den Tag- und Nachtbetrieb optimiert.

Wie wirkt sich die Belichtung auf die Blendenzahl, die Verstärkung und die Bewegungsunschärfe aus?

Sensor format sets the physical area available to collect light, but how much light actually reaches each pixel in a given frame comes down to exposure: image-plane irradiance multiplied by integration time. Aperture, transmission, and spectrum act through the irradiance term; sensor gain sits outside exposure, a readout setting that changes no photons. Image-plane irradiance scales with 1/(f/#)², so each full stop increase in f-number (for example F/2.8 to F/4) roughly halves the light reaching the sensor. See the f-number guide for the full derivation.

Die Verlängerung der Belichtungszeit ist eine Möglichkeit, den durch eine kleinere Blende verursachten Lichtverlust auszugleichen, führt jedoch auch zu einer stärkeren Bewegungsunschärfe, die durch Objekt- oder Kamerabewegungen während der Belichtung entsteht. Bei typischen Förderbandgeschwindigkeiten von 200–500 mm/s führt eine um 1 ms verlängerte Belichtungszeit zu einer Bewegungsunschärfe von etwa 0,2–0,5 mm am Objekt. In unserem Leitfaden zur Bewegungsunschärfe und unserem Leitfaden zur Kamerabelichtung wird erläutert, wie sich dieser Kompromiss auf die Erkennungsgenauigkeit in Bildverarbeitungssystemen auswirkt.

Sensor gain, the third adjustment, acts at readout, not on exposure. Analog gain, ahead of the analog-to-digital converter, suppresses only the noise added after the gain stage: ADC and quantization noise. Read noise accumulates across the reset, source-follower, column-amplifier, and ADC stages; noise already at the gain input is amplified with the signal, not suppressed. No gain setting collects photons the optics never delivered, and analog gain costs headroom at the bright end. Digital gain rescales values that were already converted, so it raises brightness and visible image noise together.

Because full-well capacity scales with pixel area, though full-well density is sensor-specific, sensors with larger pixels, which for a given resolution come from larger formats, hold more signal headroom before gain-driven noise becomes limiting. This is one more reason format selection is a system-level tradeoff, not just a field-of-view decision.

Häufig gestellte Fragen

Warum misst ein 1/2,8-Zoll-Sensor nicht 1/2,8 Zoll?

Die Bezeichnung „Zoll“ stammt aus den 1950er Jahren und bezieht sich auf die Vidicon-Fernsehkamera-Röhren. Der Formatname bezog sich auf den Außendurchmesser der Glasröhre und nicht auf den aktiven Bildbereich. Der aktive Kathodenbereich betrug aufgrund der mechanischen Befestigungsvorrichtungen nur etwa zwei Drittel des Röhrendurchmessers.

Als Halbleitersensoren die Röhren ablösten, behielten die Hersteller die Namenskonvention bei, um die Abwärtskompatibilität mit bestehenden Objektivsystemen zu gewährleisten. Ein „1/2,8-Zoll“-Sensor hat eine Diagonale von etwa 6,4 mm, was bei weitem nicht 0,357 Zoll (9,07 mm) entspricht.

Wie berechne ich das Sichtfeld anhand des Sensorformats?

Verwenden Sie den Formattyp nicht direkt für Berechnungen des Sichtfelds. Die Formatbezeichnung ist eine Annäherung, die je nach Hersteller variiert. Verwenden Sie stattdessen die tatsächlichen Sensorabmessungen aus dem Datenblatt.

Angle of view needs both the sensor dimension and the focal length: AoV = 2 × arctan(sensor_dimension / (2 × focal_length)), for a rectilinear lens focused near infinity. Linear field of view then needs a working distance: FOV = 2 × WD × tan(AoV / 2). Both are pinhole approximations. At finite conjugates the image distance exceeds the focal length, so work from magnification instead. Use our Field of View Calculator with actual sensor width or height in millimeters.

Was passiert, wenn ich ein Objektiv verwende, das für ein kleineres Sensorformat ausgelegt ist?

Der Bildkreis des Objektivs deckt nicht den gesamten Sensor ab, was zu Vignettierung (dunkle Ecken) führt. Das Ausmaß hängt von der Formatabweichung ab. Ein 1/3"-Objektiv an einem 1/2"-Sensor kann eine deutliche Verdunkelung in den Ecken verursachen. Ein 1/2"-Objektiv an einem 2/3"-Sensor führt zu starker Vignettierung.

Always select a lens rated for your sensor format or larger. A 2/3" lens on a 1/3" sensor uses only the central portion of the image circle, which is optically safe, but coverage alone is not compatibility: check chief ray angle, the cover glass stack, rear clearance, and the narrower field of view before calling the pairing good.

Wie berechne ich die für meine Anwendung erforderliche Brennweite?

Start with the far-conjugate approximation: Focal Length ≈ (Working Distance × Sensor Width) / Scene Width. It treats the lens as a pinhole, which is close enough when the object sits many focal lengths away.

Imaging a 2-meter wide scene from 3 meters with a 1/2.8" sensor (5.1mm width) gives 3000mm × 5.1mm / 2000mm = 7.65mm, so a 7.5mm or 8mm lens. At short working distances use the thin-lens form f = WD × m / (1 + m), with magnification m = sensor width / scene width and WD measured from the object-side principal plane. Use our EFL Calculator to check both.

Wie wirkt sich die Blendenzahl auf die Belichtung und die Bewegungsunschärfe aus?

Die Blendenzahl bestimmt, wie viel Licht pro Zeiteinheit auf den Sensor fällt: Die Bestrahlungsstärke in der Bildebene ist proportional zu 1/(f/#)², sodass bei einer größeren Blendenöffnung (niedrigerer Blendenzahl) die gleiche Belichtung in kürzerer Zeit erreicht wird.

Eine kürzere Belichtungszeit verringert die Bewegungsunschärfe, die sich in etwa proportional zur Geschwindigkeit des Objekts multipliziert mit der Belichtungszeit verhält. Eine kleinere Blende zwingt zu einer Entscheidung zwischen einer längeren Belichtungszeit (stärkere Unschärfe), einer helleren Beleuchtung oder einer höheren Sensorverstärkung (mehr Rauschen, geringerer Dynamikumfang).

Kann Commonlands komplette Kameramodule zusammenbauen?

Ja. Commonlands bietet Dienstleistungen im Bereich der Kameramodulmontage an, darunter optisches Design, Sensorintegration (Sony, OmniVision, OnSemi), Auswahl der Objektivhalterung sowie die komplette Modulmontage einschließlich Fokussierung und Gewindesicherung.

Wir bieten Lösungen für Stückzahlen von 100 bis über 100.000 Einheiten pro Jahr an. Wenden Sie sich mit Ihren Spezifikationen an unser Ingenieurteam.