Sensorgeflüster: Von ISO bekommt man nie genug

Moderne Sensoren erlauben Aufnahmen mit extrem hohen ISO-Werten bei immer noch mäßigem Rauschen, aber manche kriegen nie genug und fordern weitere Steigerungen der Empfindlichkeit. Doch ist das überhaupt realistisch?

In der guten, alten, analogen Zeit legte man einen ISO-1600-Film – damals sagte man 33 DIN – nur ein, wenn es gar nicht anders ging. Die sichtbare Körnigkeit solcher Filme nahm man hin, oder erklärte sie trotzig zum Stilmittel. Heute liegt ISO 1600 noch an der Grenze des Empfindlichkeitsbereichs, den man ohne große Bedenken nutzen kann, denn das bisschen Rauschen, das dabei entsteht, bekommt eine gute Rauschunterdrückung in den Griff. Die Grenze aktueller Kameramodelle ist erst bei mehreren hunderttausend ISO erreicht – die Bildqualität ist dann zwar jenseits von Gut und Böse, aber man bekommt immer noch eine erkennbare Abbildung seines Motivs.

In Fotoforen lese ich dennoch oft von der Hoffnung, neue Modelle möchten Aufnahmen mit noch höheren ISO-Werten bei weniger Rauschen ermöglichen – teilweise in vorwurfsvollem Ton vorgetragen, so als gäbe es an der Leistung von Sensoren nach dem Stand der Technik etwas zu meckern. Wie stehen die Chancen, dass sich solche Wünsche erfüllen?

Moderne CMOS-Sensoren sind bereits so rauscharm, dass im Sensor selbst kaum noch Rauschen entsteht. Das Dunkelstromrauschen ist ebenso wie das Ausleserauschen auf ein Minimum reduziert. Im hohen ISO-Bereich ist es das Photonenrauschen, also das Rauschen des Lichts selbst, das hier dominiert, und das lässt sich nicht durch technologische Kniffe reduzieren – weniger Rauschen erfordert mehr Licht, und mehr Licht gibt es nur mit niedrigeren ISO-Werten.

Nehmen wir beispielsweise Sonys Kleinbildsensor IMX 551 mit rund 60 Millionen Pixeln in einem 3,76 Mikrometer weiten Raster – Pixel dieser Größe verwendet Sony in Sensoren aller gängigen Formate von Micro-FourThirds bis zum Mittelformat. Der Ladungsspeicher eines solchen Sensorpixels fasst bis zu 52.000 Elektronen, bevor er überläuft. Das gilt wohlgemerkt, wenn man den Sensor bei seiner Grundempfindlichkeit von ISO 100 belichtet. Wählt man stattdessen einen extremeren Wert wie ISO 104.000, dann reduziert sich die Kapazität eines Pixels auf 52.000 × 100 / 102.400 = 50 Elektronen. Dem entspräche rechnerisch ein Dynamikumfang von 5,64 EV, aber tatsächlich ist er geringer, weil das Signal vom Photonenrauschen überdeckt wird. Einem mittleren Grauwert entsprächen 7 Elektronen, und das Verhältnis von Signal zu Rauschen beträgt dann nur noch 2,66/1. Vorausgesetzt, dass der Sensor dem Photonenrauschen nicht noch eigenes Rauschen hinzufügt, was er tatsächlich kaum tut.

Mit den Mitteln der Sensortechnologie lässt sich hier nichts mehr verbessern. Aber das heißt nicht, dass man gar nichts mehr tun könnte. Smartphones machen es vor: Mit einem elektronischen Verschluss kann man den Sensor mehrmals in schneller Folge belichten und auslesen und die Bilddaten dann miteinander verrechnen. Auf diese Weise simuliert man eine längere Belichtung, die mehr Licht einfängt, und dementsprechend steigen Dynamikumfang und Rauschabstand. Das gelingt naturgemäß nur, wenn sich zwischen den Belichtungen nichts verändert. Neuere, auf neuronalen Netzen basierende Rauschunterdrückungsverfahren können das Rauschen unterdrücken und Details hervorheben. Solche Netze sind darauf trainiert, realistische Bilddetails zu rekonstruieren, nicht jedoch typische Rauschstrukturen. Das funktioniert auch recht gut, nur gibt es mit steigendem Rauschen immer weniger Sicherheit, dass die vom neuronalen Netz vermeintlich erkannten Details auch eine reale Entsprechung haben.

Die digitale Kameratechnik hat in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht, den Bereich hoher und höchster ISO-Werte zu erschließen, wovon man in der analogen Zeit nur träumen konnte. Wir sind aber mittlerweile an einem Punkt angelangt, an dem die bislang so erfolgreichen Strategien nicht länger verfangen.