dkamera.de-Grundlagenwissen: Die ISO-Empfindlichkeit

Der ISO-Wert und dessen Auswirkungen im Detail

An der Sensorempfindlichkeit und dem Wissen darum kommt effektiv kein Fotograf vorbei. Der ISO-Wert hat einen fundamentalen Einfluss auf die Belichtung und die Bildqualität. Natürlich kann man alle Einstellungen auch der Kamera überlassen, das geht jedoch nicht immer gut. Im folgenden Grundlagenwissen-Artikel gehen wir auf alle relevanten Details rund um die Sensorempfindlichkeit ein.

Kurzer Rückblick in die Geschichte:
Zu Zeiten der analogen Fotografie gab es natürlich noch keine Sensorempfindlichkeit, die Empfindlichkeit des verwendeten Films war aber genauso relevant. Diese entscheidet neben der Blende und Belichtungszeit über die Helligkeit einer Aufnahme. Die Filmempfindlichkeit kann in unterschiedlichen Skalen angegeben werden, die bekanntesten sind „DIN“, „ISO“ und „ASA“. Alle drei verbindet, dass niedrige Werte für eine geringere Empfindlichkeit und höhere Werte für eine höhere Empfindlichkeit stehen. Eine Umrechnung ist möglich, beispielsweise entspricht ein ASA-Wert von 100 einer DIN-Angabe von 21°.

Die Angabe der Filmempfindlichkeit bei einem analogen Film:

Bei digitalen Kameras ist nur die ISO-Angabe gängig, jede Verdopplung des Wertes entspricht dabei einer Blendenstufe. Wer die Blende beispielsweise um eine Stufe schließen möchte, muss für die gleiche Helligkeit den ISO-Wert verdoppeln. Für Anfänger mag dies verwirrend sein, schließlich ist der Empfindlichkeitsunterschied zwischen beispielsweise ISO 100 und ISO 200 genauso groß wie zwischen ISO 102.400 und ISO 204.800.

Zu Beginn der Digitalfotografie lag die Sensorempfindlichkeit der ersten Kameras unterhalb klassischer Filme oder bestenfalls auf deren Niveau. Im Laufe der Zeit haben die Hersteller neben der Auflösung auch den ISO-Bereich der Kameras immer weiter erhöht. Bei Kompaktkameras wurden die ISO-Stufen von ursprünglich etwa ISO 50 bis ISO 400 auf ISO 100 bis ISO 6.400 angehoben, bei Systemkameras von zunächst etwa ISO 100 bis ISO 1.600 auf ISO 100 bis ISO 25.600. Mittlerweile sind ISO-Werte von 51.200 bis 204.800 gängig, manche Kameras bieten aber auch Sensorempfindlichkeiten im Millionenbereich an. Im Prinzip gibt es nach oben keine Grenze, die Bildqualität ist bei sechsstelligen ISO-Werten bis auf wenige Ausnahmen jedoch sehr schlecht.

Kameras mit sehr hohen ISO-Werten (Auswahl):

Bei modernen Kameras lassen sich teilweise extreme ISO-Empfindlichkeiten einstellen:

Beispielaufnahme der Sony Alpha 7S III mit ISO 409.600:

Was bedeutet der ISO-Wert überhaupt:
Der ISO-Wert entspricht aus technischer Sicht der Verstärkung, mit der ein Sensor Signale verstärkt. Ein Sensor besteht aus zahlreiche Photodioden, die Photonen „auffangen“ und anschließend im Verhältnis zur Photonenzahl entsprechend viele Elektronen abgeben. Diese Anzahl wird gemessen und stellt die Helligkeit einer Aufnahme dar. Farben kann ein herkömmlicher Sensor (Ausnahme Foveon Sensoren) nicht erkennen, dafür sind die Pixel mit unterschiedlichen Farbfiltern (heutzutage wird normalerweise eine Bayer Matrix verwendet) versehen. Um die Helligkeit eines Bildes zu erhöhen, werden die Signale verstärkt und anschließend durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert.

Die Empfindlichkeit eines Sensors:
Je größer ein Sensor ausfällt, desto mehr Photonen kann er auffangen. In diesem Zusammenhang wird oftmals der Vergleich mit einem Wassereimer verwendet. Auch dieser kann bei einem entsprechend größeren Durchmesser mehr Tropfen auffangen als ein kleinerer Eimer. Ein großer Sensor ist daher rein physikalisch betrachtet lichtempfindlicher als ein kleiner Sensor.

Allein an der Größe des Sensors oder der Abmessungen der Pixel lässt sich die effektive Empfindlichkeit allerdings nicht festmachen. Auch Sensortechnologien entwickeln sich weiter, kleinere Pixel liefern daher nicht automatisch schlechtere Bilder. Eine Technologie, die in den letzten Jahren für deutlich rauschärmere Bilder gesorgt hat, ist beispielsweise die sogenannte rückwärtige Belichtung. Diese wird auch als Back Side Illumination (BSI) bezeichnet und ermöglicht, dass mehr Photonen die lichtempfindlichen Strukturen erreichen. Eine weitere Technologie, die für eine höhere Empfindlichkeit gesorgt hat, sind die sogenannten Microlenses. Diese lassen auch schräg einfallende Lichtstrahlen am lichtempfindlichen Bereich, also den Photodioden, ankommen.

Links ein Sensor mit FSI-Aufbau und rechts ein Modell mit BSI-Aufbau:

Bei Smartphones haben viele Hersteller zuletzt auf Kamerasensoren zurückgegriffen, die durch eine spezielle Anordnung der Farbfilter und die besondere Verarbeitung der Bilddaten das Zusammenlegen von Pixeln (heutzutage sind Verhältnisse von "4 zu 1" oder "9 zu 1" gängig) erlauben. Diese Technologie nennt sich Pixel-Binning. Sie wird herstellerspezifisch zudem unter anderem als Super-Pixel-Technologie bezeichnet und ermöglicht je nach Bedarf das Vorhandensein von großen oder kleinen Bildpunkten und daraus folgend Fotos mit wenigen oder vielen Pixeln. Erstere Option ist für Aufnahmen bei wenig Licht von Vorteil, letztere für Aufnahmen bei guten Lichtverhältnissen.

Bei manchen Sensoren lassen sich einzelne Pixel zu größeren Pixeln zusammenschalten:

Welche Technologien bei welchem Sensor zum Einsatz kommt, geben die Hersteller nicht immer bekannt. Gesicherte Informationen gibt es daher nur wenige. Grundsätzlich lässt sich jedoch sagen, dass moderne Sensoren bei gleicher Pixelgröße normalerweise Bilder mit einem geringeren Bildrauschen erzeugen als ältere Sensoren.

Basis-ISO und Erweiterungen:
Jeder Sensor bietet bestimmte ISO-Werte, die sich einstellen lassen. Wie bereits erwähnt, wurde dieser Bereich zuletzt immer weiter vergrößert. Kaum verändert hat sich dagegen die Basis-Empfindlichkeit der Bildwandler. Dabei handelt es sich um den niedrigsten Wert, der sich ohne Einsatz der sogenannten ISO-Erweiterungen einstellen lässt. Die meisten Kameras besitzen einen Sensor mit einem Basis-ISO-Wert von 100, einige auch von ISO 200. Des Weiteren gibt es Sensoren mit etwas abweichenden Basis-ISO-Werten. Hier sind als Beispiel ISO 64, ISO 125, oder ISO 160 zu nennen. Das Bildrauschen ist beim Basis-ISO-Wert am geringsten, der Dynamikumfang ist zudem am größten. Sofern möglich, sollten sich Fotografen daher sinnvollerweise für den Basis-ISO-Wert entscheiden.

Die ISO-Erweiterungen:
Des Öfteren kommen Fotografen mit den sogenannten ISO-Erweiterungen in Kontakt. Diese ergänzen den eigentlichen ISO-Bereich eines Sensors nach oben, unten oder in beide Richtungen. Bei den ISO-Erweiterungen handelt es sich effektiv um gar keine ISO-Stufen des Sensors. Um diese Werte zu erreichen, werden die Bilder in der Kamera über- oder unterbelichtet und anschließend durch Anpassen der Helligkeit auf die gewünschte Belichtung gebracht. Dieses Verfahren ist einfach, bringt jedoch Nachteile mit sich. Bei Erweiterungen des ISO-Wertes nach unten leidet vor allem der Dynamikumfang des Bildes, bei ISO-Erweiterungen am oberen Limit nimmt das Bildrauschen stark zu.

Panasonic kennzeichnet die ISO-Erweiterung bei der Lumix G70 mit "L.100":

Dies wissen auch die Hersteller und zeichnen ISO-Erweiterungen normalerweise gesondert aus. Beispielsweise mit „Low“, „High ISO“ oder "L1", "L2" bzw. "H1" und "H2". Da der Effekt der ISO-Erweiterung nachträglich auch bei der Bildbearbeitung (nur bei den RAW-Dateien) zu erreichen ist, raten wir vom Einsatz der ISO-Erweiterungen ab.

Bei den Kameras von Sony werden die ISO-Erweiterungen mit zwei Strichen markiert:

Mit dem „Dual Conversion Gain“ zu einem geringeren Rauschen:
Wie bereits erwähnt, fällt die Bildqualität einer Kamera beim Basis-ISO-Wert am besten aus. Der beste Weg, die Bildqualität einer Kamera auch bei höheren Sensorempfindlichkeiten zu verbessern, ist daher – einfach gesagt – mehrere Basis-ISO-Werte zu schaffen. Diese Technik nennt sich „Dual Conversion Gain“ oder auch „Dual Native ISO“.  In diesem Fall verfügen die Pixel nicht nur über einen analogen Schaltkreis, sondern über zwei. Diese arbeiten mit einer abweichenden Grundempfindlichkeit. Welche dies sind, unterscheidet sich von Sensor zu Sensor. Natürlich ist nicht jeder Sensor mit diesem Feature ausgestattet, die Kamerahersteller machen dazu nur selten genauere Angaben. Bei Bedarf schaltet die Kamera automatisch zwischen den analogen Schaltkreisen um, bei höheren ISO-Stufen fällt das Bildrauschen daher geringer aus.

Single Native ISO und Dual Native ISO im Vergleich:

ISO-loser-Sensor oder ISO-Invarianz:
Moderne Sensoren besitzen oftmals einen enormen Dynamikumfang, können also extreme Helligkeitsunterschiede abbilden. Das liegt am sehr geringen Ausleserauschen, das bei der Umwandlung der Ladung in eine Spannung auftritt. Bedingt durch optimierte Technologien, unter anderem geringer rauschende Analog-Digital-Wandler und einen abweichenden Prozess bei der Signalgenerierung (Analog-Digital-Wandlung vor dem Verstärken), erzeugen moderne Sensoren deutlich weniger Rauschen als frühere Modelle. Beim Verstärken der Signale werden daher, vereinfacht gesprochen, weniger „Fehler“, die als Rauschen sichtbar werden würden, verstärkt. Dies sorgt bei ISO-losen-Sensoren für die Tatsache, dass es zumindest bei Aufnahmen in der Nähe des Basis-ISO-Wertes praktisch keine Rolle spielt, ob man die Sensorempfindlichkeit an der Kamera vorwählt oder die Helligkeit eines Bildes im RAW-Konverter anhebt.

Gut zu wissen: Bei Szenen, die einen großen Dynamikumfang benötigen, lässt sich durch die Wahl eines niedrigen ISO-Wertes und das nachträgliche Aufhellen ein deutlich größerer Helligkeitsumfang abbilden. Sensoren mit ISO-Invarianz sind bei vielen aktuellen Kameras beispielsweise von Sony, FujiFilm oder Nikon zu finden.

Links eine aufgehellte Aufnahme mit ISO 100, rechts eine Aufnahme mit ISO 3.200:

Weiter oben sehen Sie eine Beispielaufnahme (100-Prozent-Ansicht) der Sony Alpha 7R III. Hier wurde das Motiv einmal mit ISO 3.200 aufgenommen und korrekt belichtet sowie einmal mit ISO 100 und ansonsten gleichen Einstellungen abgelichtet. Danach erfolgte die Aufhellung auf die gleiche Helligkeit (= fünf Blendenwerte) mit Camera RAW. Die Ergebnisse sind wie zu sehen sehr ähnlich. Ohne Einschränkungen funktioniert das Verfahren allerdings nicht. Oberhalb von fünf Blendenwerten schneidet das korrekt belichtete Bild zumindest bei unserem Test in dunklen Bildpartien besser ab.

Die Auto-ISO-Option: Unterschätzt oder doch gefährlich?
"Den ISO-Wert sollten Fotografen immer manuell einstellen, schließlich handelt es sich dabei um einen bedeutenden Belichtungsparameter". Diese Aussage kann man zumindest bei modernen Kameras nicht mehr so stehenlassen. Es trifft in der Tat zu, dass die Kontrolle über den ISO-Wert nicht einfach aus der Hand gegeben werden sollte. Allzu schnell könnte sich das sonst negativ bemerkbar machen. Die ISO-Automatiken moderner Kameras sind – im Gegensatz zu früher – jedoch ausgereifter und verfügen oftmals über zahlreiche Einstellungsmöglichkeiten. Dadurch lassen sich bestimmte Einstellungen vornehmen, die den Komfort einer ISO-Automatik und die Kontrolle über den ISO-Wert verbinden.

Bei Kameras von Sony lässt sich die ISO-Automatik umfangreich konfigurieren:

So bietet beispielsweise Sony bei seinen Kameras neben der reinen Begrenzung nach unten (minimaler ISO-Wert) sowie oben (maximaler ISO-Wert) die Möglichkeit an, sich direkt oder indirekt für eine bestimmte Verschlusszeit zu entscheiden. Direkt über die Vorgabe der minimalen Verschlusszeit oder auch indirekt über die Option „ISO AUTO Min. VS“. Letztere lässt sich zwischen „Langsamer“, „Langsam“, Standard“, „Schnell“ und „Schneller“ wählen. Bei dieser Option nutzt die Kamera die eingestellte Brennweite als Basiswert und stellt in etwa den Kehrwert der Brennweite als Belichtungszeit ein. Dies reduziert die Verwacklungsgefahr in Abhängigkeit von der gewählten Brennweite.

Der Vorteil: Beim Zoomen (z. B. von 24mm zu 105mm beim Einsatz des Sony FE 24-105mm F4 G OSS) entscheidet sich die Kamera automatisch für den „optimalen“ Wert und verkürzt die Verschlusszeit ohne weiteres Eingreifen des Fotografen von 1/30 Sekunde auf 1/120 Sekunde. Diese Werte gelten für die Option „Standard“. Bei den zusätzlichen Optionen wird die Verschlusszeit jeweils verkürzt oder verlängert. Bei „Langsamer“ wird sie um zwei Blendenstufen verlängert, bei „Langsam“ um eine Blendenstufe verlängert, bei „Schnell“ um eine Blendenstufe verkürzt sowie bei „Schneller“ um zwei Blendenstufen verkürzt.

Wie üblich lässt sich auch bei einer Sony-Kamera der ISO-Wert begrenzen:

Zudem ist es bei Sony-Kameras ganz klassisch möglich, die Sensorempfindlichkeit nach oben und unten zu begrenzen. Letzteres sollten Fotografen in jedem Fall, ansonsten entscheidet sich die Kamera gegebenenfalls für die höchstmögliche ISO-Stufe. Ähnliche Optionen – wenn teilweise auch nicht ganz so umfangreich – sind bei den Modellen anderer Kamerahersteller zu finden.

Links zum Artikel:

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