Leitfaden zur Größe von Kamerasensoren

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

Die Größe des Sensorformats einer Digitalkamera bestimmt deren grundlegende Leistungsmerkmale. Die Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen, der Dynamikumfang, die Abmessungen, die Kosten und die Anforderungen an das Objektiv hängen von der Größe des Sensorformats ab. Bei jeder Anwendung und jedem Kameraprojekt müssen verschiedene Kompromisse abgewogen werden.

Bei gleicher Pixelarchitektur nehmen größere Pixel mehr Licht auf und verbessern so die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Größere Sensoren erfordern jedoch größere Objektive oder grundlegend andere optische Anordnungen mit einem höheren nichtlinearen Hauptstrahlwinkel. M12-Objektive sind für Sensoren bis zu einem Format von etwa 1/1,6" ausgelegt, während C-Mount-Objektive für Sensoren mit größerem Format und globaler Pixelarchitektur geeignet sind.

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?

Wir haben unser Bestes getan, um eine „zeitgemäße“ Gleichung abzuleiten, die den Bildsensor-Formattyp genauer definiert. Wir haben uns auf allgemein anerkannte Datenpunkte gestützt: 1" = 16,0 mm, 1/2" = 8,0 mm, 1/3" = 6,0 mm, 1/4" = 4,5 mm, und daraus eine passende Gleichung abgeleitet; anschließend haben wir so viele andere Artikel wie möglich zum Abgleich herangezogen. Leider weist die Formel für den Typ des digitalen Bildsensors eine Unstetigkeit zwischen den Bildsensorformaten 1/2" und 1/2,3" auf.

Referenztabelle für Sensorformate

In der folgenden Tabelle sind gängige CMOS-Sensorformate mit ihren ungefähren Abmessungen aufgeführt. Die meisten Sensoren entsprechen in etwa diesen Werten.

Wie wähle ich ein Objektiv passend zu meinem Sensorformat aus?

Der Bildkreis des Objektivs muss mindestens der Sensordiagonale entsprechen oder diese übersteigen, es sei denn, Sie können Verzerrungen in Kauf nehmen oder arbeiten mit einem Fischaugenobjektiv. Ein für das 1/2"-Format ausgelegtes Objektiv deckt Sensoren mit einer Diagonale von bis zu 8 mm ab. Die Verwendung eines Objektivs an einem größeren Sensor führt zu Vignettierung (dunkle Ecken). Die Verwendung eines Objektivs an einem kleineren Sensor führt zu einer Verschwendung der optischen Leistung, verursacht jedoch keine Bildverschlechterung.

Für Embedded-Vision-Anwendungen mit Sensoren bis zum 1/1,8-Zoll-Format (8,9 mm Diagonale) bieten Objektive mit M12-Anschluss kompakte und kostengünstige Lösungen. Für größere Sensoren oder Anwendungen, die eine überragende optische Leistung erfordern, bieten C-Mount-Objektive industrielle Qualität mit einstellbarer Blende und Fokussierung.

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.
• Bildverarbeitung (1/1,7" bis 1"): Größere Formate ermöglichen eine höhere Auflösung und einen Global-Shutter. Global-Shutter-Sensoren im 2/3"- und 1"-Format lassen sich für Präzisionsanwendungen mit C-Mount-Objektiven kombinieren.
• 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?

Das Sensorformat legt die physikalische Fläche fest, die zur Lichtaufnahme zur Verfügung steht, doch wie viel Licht tatsächlich jedes einzelne Pixel in einem bestimmten Bild erreicht, hängt von der Belichtung ab: der Kombination aus Blendenzahl, Belichtungszeit (Integrationszeit) und Sensorverstärkung. Die Bestrahlungsstärke in der Bildebene skaliert mit 1/(f/#)², sodass sich die Lichtmenge, die den Sensor erreicht, bei jeder Erhöhung der Blendenzahl um eine ganze Blendenstufe (zum Beispiel von F/2,8 auf F/4) ungefähr halbiert. Die vollständige Herleitung finden Sie im Leitfaden zur Blendenzahl.

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.

Die Erhöhung der Sensorverstärkung ist der dritte Hebel. Die Verstärkung verstärkt das analoge Signal und das damit einhergehende Rauschen an jedem Pixel, ohne dabei mehr Photonen einzufangen. Dadurch wird zwar die Helligkeit wiederhergestellt, jedoch der nutzbare Dynamikbereich verringert und das Bildrauschen erhöht. Da die Full-Well-Kapazität mit der Pixelfläche skaliert (in der Größenordnung von 1000–2000 Elektronen pro Quadratmikrometer), verfügen Sensoren mit größeren Pixeln – die bei einer gegebenen Auflösung aus größeren Formaten stammen – im Allgemeinen über mehr Signalreserve, bevor das durch die Verstärkung verursachte Rauschen zum limitierenden Faktor wird. Dies ist ein weiterer Grund, warum die Wahl des Formats eine Abwägung auf Systemebene ist und nicht nur eine Entscheidung hinsichtlich des Sichtfelds.

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.

Sichtfeld = 2 × arctan(Sensorabmessung / (2 × Brennweite)). Verwenden Sie unseren Sichtfeldrechner mit der tatsächlichen Sensorbreite oder -höhe in Millimetern, um genaue Ergebnisse zu erhalten.

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.

Wählen Sie stets ein Objektiv, das für Ihr Sensorformat oder ein größeres Format ausgelegt ist. Sie können ein 2/3"-Objektiv problemlos an einem 1/3"-Sensor verwenden: Dabei nutzen Sie einfach den mittleren Bereich des Bildkreises des Objektivs.

Wie berechne ich die für meine Anwendung erforderliche Brennweite?

Das Herrschaftsverhältnis: Brennweite = (Arbeitsabstand × Sensorbreite) / Bildbreite.

Beispiel: Um eine 2 Meter breite Szene aus einer Entfernung von 3 Metern mit einem 1/2,8-Zoll-Sensor (5,1 mm Breite) aufzunehmen, sind 3000 mm × 5,1 mm / 2000 mm = 7,65 mm erforderlich, also ein 7,5-mm- oder 8-mm-Objektiv. Nutzen Sie unseren EFL-Rechner für präzise Berechnungen.

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.