Der Trend zu immer höheren Sensorauflösungen hält unvermindert an. Aktuelle Rekordhalterin unter den DSLR’s ist die Nikon D800 mit 36 Megapixeln. Ist diese Entwicklung nur eine Verkaufsmasche oder bringt ein Sensor mit höherer Auflösung tatsächlich auch eine größere Bildqualität? Hier mein Praxistest.

Update Juli 2020

In der ersten Version dieses Artikels vom Februar 2014 sind mir fachliche Fehler unterlaufen, auf die mich freundliche Leser aufmerksam gemacht haben. Diese Fehler wurden in der aktualisierten Version korrigiert und der theoretische Teil komplett überarbeitet.

Natürlich entsprechen die hier getesteten Kameras und Objektive längst nicht mehr dem Stand der Technik und mittlerweile sind sogar Kameras auf dem Markt, die Sensorauflösungen von 45 Megapixeln erreichen. Die grundsätzlichen Überlegungen und Zusammenhänge dieses Artikels gelten aber weiterhin.

 

Kritiker des sogenannten „Megapixelwahns“ weisen schon seit langem darauf hin, dass ein Bildsensor nur soviele Details eines Motivs wiedergeben kann, wie das verwendete Objektiv auch auflöst. Liegt die maximale Auflösung eines Objektivs für die verwendete Sensorgröße also z.B. bei 10 Megapixel (MP), nutzt auch eine Sensorauflösung von 16 MP nichts: Die resultierende Bildauflösung beträgt trotzdem nur 10 MP. Der Rest sind „leere Pixel“, Bildpunkte, deren Inhalt sich nicht von dem der Nachbarpixel unterscheidet.

Für die optische Leistungsfähigkeit einer Kamera sind mithin beide Kennwerte wichtig: Die maximale Auflösung des Objektivs und die Auflösung des Bildsensors der Kamera selbst. Und klar ist auch, für beides gibt es physikalisch-technische Grenzen. Die Frage lautet nun also: Ist die Auflösunggrenze der Objektive an aktuellen DSLR’s bereits erreicht und eine Sensorauflösung von 24 MP (bei DX) oder 36 MP (bei FX) schon unsinnig? Ich schnappte mir also meine Ausrüstung und machte eine Reihe von Testfotos.

Theorie: optische Auflösung und Beugung

Als optische Auflösung wird der Abstand zwischen zwei Gegenständen bezeichnet, die im Bild gerade noch unterschieden werden können. Diese maximale Auflösung eines Objektivs ist abhängig

• von der Blendenöffnung
• und der Wellenlänge des Lichts (hier also ca. 400 – 750 nm).

(Vergl. Auflösungsvermögen)

Grundsätzlich begrenzt die Wellenlänge des Lichts die Auflösung. Zwei Objekte können nur dann durch Licht voneinander unterschieden werden, wenn sie weiter als eine Lichtschwingung von einander entfernt sind. Für das Auflösungsvermögen einer Fotokamera spielt diese absolute Grenze aber keine Rolle.

Anders die sogenannte Beugung. Durch den Wellencharakter des Lichts kommt es an jeder Kante zu Beugungseffekten die auf dem Kamerasensor Interferenzmuster erzeugen. Jeder Punkt des Objektes wird auf dem Sensor zu einem Beugungsscheibchen, letztlich also unscharf. Unschärfe ist in diesem Fall aber gleichbedeutend mit dem Verlust an Auflösung. Die Stärke der Beugung nimmt zu, je kleiner die Objektivöffnung ist. Je stärker also abgeblendet wird, desto geringer die Auflösung.

Auch die Wellenlänge des Lichts beeinflusst die Stärke der Beugung, denn verschieden farbiges Licht wird unterschiedlich stark gebeugt. Je größer die Wellenlänge, desto stärker die Beugung und desto geringer die Auflösung. Blaues Licht wird also weniger stark gebeugt, als rotes Licht.

Da natürliches Licht immer aus unterschiedlichen Farben besteht, kommt es bei jeder fotografischen Abbildung zu einer Auffächerung der Farben und noch zusätzlich verminderten Schärfe und Auflösung (vergl. Lens Diffraction & Photography).

Wie groß das Beugungsscheibchen für verschiedene Wellenlängen und Blendenöffnungen ist, lässt sich berechnen:

D = 2 * 1,22 * Wellenlänge des Lichts * Blendenzahl (vergl. Grenzauflösung und MTF)

(D = Durchmesser des Beugungsscheibchens)

Die folgende Tabelle gibt die Durchmesser des Beugungsscheibchens für verschiedene Blendenöffnungen und Wellenlängen an. Diese Werte sind physikalisch bedingte Größen für ein ideales Objektiv. In der Praxis führen zusätzliche Abbildungsfehler so gut wie immer zu schlechteren Werten.

Blendenzahl	Durchmesser des Beugungsscheibchens in µm
	Blau 470 nm	Grün 530 nm	Rot 650 nm	IR 890 nm
2	2,3	2,6	3,2	4,3
2,8	3,2	3,6	4,4	6,1
3,5	4,0	4,5	5,6	7,6
4	4,6	5,2	6,3	8,7
5,6	6,4	7,2	8,9	12,2
8	9,2	10,3	12,7	17,4
11	12,6	14,2	17,4	23,9
16	18,3	20,7	25,4	34,7
22	25,2	28,5	34,9	47,8

 

Sensorauflösung

Das Auflösungsvermögen jedes Objektivs ist physikalisch begrenzt. Das gleiche gilt natürlich für jeden Kamerasensor. Auf den ersten Blick entspricht die Sensorauflösung der Anzahl der Bildpixel, bei einem 24 MP Sensor also 24 Megapixel. Das ist jedoch nicht richtig. Tatsächlich ist bei digitalen Sensoren die maximale Auflösung immer nur die Hälfte der Anzahl der Einzelpixel (vergl. Nyquist-Grenze, Nyquist-Frequenz). Um die tatsächliche Sensorauflösung, die sogenannte Grenzauflösung, eines Sensors zu ermitteln, muss man die realen Abmessungen der Einzelpixel kennen und mit zwei multiplizieren.

Die folgende Tabelle zeigt die Sensor- und Pixelabmessungen sowie die Grenzauflösung einiger Kameramodelle.

Kamera	Sensor Abmessungen mm		Pixel			Pixelgröße µm	Grenzauflösung µm
Nikon D200	23,6	15,8	10,9 MP	3872	2592	6,1	12,2
Nikon D500	23,6	15,8	21,6 MP	5568	3712	4,2	8,5
Nikon D7100	23,6	15,8	24,1 MP	6000	4000	3,9	7,9
Nikon Z6	36	24	24,5 MP	6048	4024	6,0	11,9
Nikon Z7	36	24	45,7 MP	8256	5504	4,4	8,7
Canon 5D Mark III	36	24	23,4 MP	5760	3840	6,3	12,5

 

Kamerasensor + Objektiv = Gesamtauflösung

Bringt man die Auflösung von Objektiv und Kamerasensor zusammen, erhält man Werte für die maximale Gesamtauflösung. Die Grenzauflösung des Kamerasensors gibt die Größe an, die ein zu einem Beugungsscheibchen vergrößertes Motivdetail mindestens haben muss, damit es einzeln im Bild erscheinen und von anderen Bilddetails unterschieden werden kann. Kleinere Beugungsscheibchen können nicht mehr aufgelöst werden. Die maximale Auflösung des Sensors ist damit festgelegt. Übersteigen nun die vom Objektiv erzeugten Beugungsscheibchen die Grenzauflösung des Sensors, vermindert sich die Gesamtauflösung.

Nimmt man die ermittelte Grenzauflösung des Sensors und setzt diesen Wert in die obige Formel als Durchmesser des Beugungsscheibchens ein, lässt sich durch umstellen der Formel die maximale Blendenzahl ermitteln, mit der der Sensor ohne Auflösungsverlust durch Beugung belichtet werden kann.

max Blendenzahl = D / (2,44 * Wellenlänge des Lichts)

Die folgende Tabelle zeigt die Grenzauflösung und die maximale Blendenzahl für verschiedene Wellenlängen einiger Kameramodelle.

Kamera	Sensor		Grenzauflösung µm	maximale Blendenzahl
				Blau	Grün	Rot
Nikon D200	DX	10,9 MP	12,19	10,6	9,4	7,7
Nikon D500	DX	21,6 MP	8,48	7,4	6,6	5,3
Nikon D7100	DX	24,1 MP	7,87	6,9	6,1	5
Nikon Z6	FX	24,5 MP	11,9	10,4	9,2	7,5
Nikon Z7	FX	45,7 MP	8,72	7,6	6,7	5,5
Canon 5D Mark III	FX	23,4 MP	12,5	10,9	9,7	7,9

 

Diese Tabelle zeigt die Grenzen hochauflösender Sensoren, insbesondere bei solchen im DX/APS-C-Format. Bei einer Nikon D7100 mit 24 MP Sensor treten schon ab einer Blendenzahl über 5 Abbildungsverluste durch Beugungseffekte auf. Selbst bei einer Canon 5D Mark III mit großem FX-Sensor und ebenfalls 24 MP ist das ab Blende 8 der Fall. Und für eine Nikon Z7 mit einem Sensor von 45,7 MP stellt Blende 5,5 die Grenze dar.

Zwischenergebnis: Die Grenze ist erreicht

Blende 5,6 oder 8 sind in der Praxis aber in vielen fotografischen Bereichen gängige Werte. Lange Teleobjektive oder gar Telezooms fangen überhaupt meist erst bei Blende 5,6 an. Und in der Landschaftsfotografie oder bei Makros hat man häufig gern die Tiefenschärfe von Blende 11 oder mehr. Dazu kommt: Alle diese Werte gelten für ideale Objektive. Für reale, mit konstruktionsbedingten Schwächen und Abbildungsfehlern behaftete Objektive, gelten noch geringere Werte. Die eingangs gestellte Frage nach der höheren Bildqualität kann an dieser Stelle also relativ eindeutig beantwortet werden: 45 MP für FX- und 24 MP für DX-Sensoren sind Werte, die an die physikalischen Grenzen der Bildauflösung stoßen und in der Praxis so hohe Anforderungen an Objektive stellen, dass diese kaum noch erreicht werden können.

Bevor nun aber jemand nach dem Lesen dieser Zeilen seine oder ihre hochauflösende Kamera für nutzlos befindet und wegwirft, hier noch ein paar Überlegungen zur richtigen Einordnung. Auflösung ist nur ein Kriterium zur Bewertung einer Kamera. Es kommt immer darauf an, wie das fertige Bild verwendet werden soll. Die allermeisten Fotos werden auf Bildschirmen angeschaut oder in Formaten gedruckt, die nur einen kleinen Teil der ursprünglichen Auflösung benötigen. Die Bilder werden also verkleinert wiedergegeben und damit wird ein Mangel an Auflösung (und Schärfe) so gut wie immer kompensiert.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Dynamikumfang. Der von einem Sensor umsetzbare Helligkeitsunterschied ist von der Größe der Sensorpixel und von deren Anzahl abhängig. Je größer ein Einzelpixel, desto größer der Dynamikumfang. Mehr Pixel steigern den Dynamikumfang aber ebenso. Es hängt vom konkreten Sensor ab, welcher Effekt sich stärker auswirkt.

Praxistest: 2 Kameras, 3 Objektive und eine Backsteinmauer

Für Testfotos hat sich als Motiv eine Backsteinmauer bewährt. Sie ist praktisch zweidimensional, die Steine haben harte Kanten und die Oberfläche von Steinen und Mörtel sind voller feiner und feinster Strukturen. Anhand der Kanten und Strukuren lassen sich also sowohl Bildschärfe als auch Detailzeichnung – sprich Auflösung – gut beurteilen. Außerdem hat die Mauer einen weiteren Vorteil: sie ist gleich um die Ecke.

Testkameras waren eine schon recht betagte Nikon D200 mit 10 MP und eine aktuelle Nikon D7100 mit 24 MP. Das Setting war nun recht einfach: Ich markierte mit Kreide ein Mauerstück von rund 3m Breite als Motiv. Nacheinander wurden nun von möglichst exakt diesem Ausschnitt mit den beiden Kameras und jeweils allen drei ausgewählten Objektiven Fotos gemacht. Zusätzlich wählte ich noch als Blendenreihe: größte Objektivöffnung, f8 und f13. Die Entfernung zur Mauer betrug bei der kleinsten Brennweite von 18 mm knapp einen Meter, bei 300 mm Brennweite gut 12 Meter. Alle Aufnahmen erfolgten vom Stativ mit Autofokus und Spiegelvorauslösung. Die Kameraempfindlichkeit war auf ISO 100 eingestellt.

Die gewählten Objektive decken nicht nur einen großen Brennweitenbereich ab, sie repräsentieren auch unterschiedliche optische Qualitäten. Das AF-S 18-70mm ist ein günstiges Kitobjektiv. Das Micro 105mm ein erstklassiges Makroobjektiv und ausgezeichnetes mittleres Tele – allerdings schon 25 Jahre alt. Und das AF-S 300mm/f4 ein aktuelles Tele mit ausgezeichneter Schärfe, wenngleich kein absolutes Spitzenobjektiv wie der große Bruder 300mm/f2,8.

Aufgezeichnet wurden alle Bilder in RAW und anschließend mit Lightroom entwickelt. Die Einstellungen für Weißabgleich, Farbe und Kontrast wurden für alle Aufnahmen identisch vorgenommen. Lediglich die Helligkeit streute und wurde so eingestellt, dass alle Bilder möglichst gleich belichtet erscheinen. Alle Bilder wurden in Lightroom leicht geschärft: 0,6 Pixel mit einer Stärke von 90.

Entsprechend meinem üblichen Workflow wurden dann alle Testfotos als JPEG mit 80% Qualität exportiert und die jeweiligen Testpaare für den Sensorvergleich in Photoshop montiert. Für die Gegenüberstellung der Auflösung wurden abweichend davon TIFF-Bilder mit 16Bit-Farbtiefe aus Lightroom exportiert.

Auswertung

Für die Begutachtung wurden in einem Bild von 1000 x 667 Pixeln in der linken Hälfte ein Bild der D200 und der rechten Hälfte ein Bild der D7100 gegenübergestellt.

Der Vergleich der Bildschärfe ist nur bei identischen Bildgrößen sinnvoll. Deshalb wurden die Vergleichsbilder der D7100 auf das Format der D200 herunterskaliert: 6000 x 4000 Pixel auf 3872 x 2592 Pixel, entsprechend 64,5%. Die montierten Bildpaare sind hinsichtlich Brennweite und Objektiv identisch und zeigen einen möglichst gleichen Ausschnitt aus der Bildmitte. Das Bild der D200 entspricht einer 100%-Ansicht, d.h. ein Sensorpixel ist gleich einem Bildschirmpixel. Das Bild der D7100 zeigt den gleichen Ausschnitt, entspricht aufgrund der Skalierung aber einer Ansicht von 64,5%.

Der Vergleich der Bildauflösung ist nur bei einer 100%-Ansicht sinnvoll. Jedes Sensorpixel wird von einem Bildschirmpixel angezeigt. Die Ausschnitte aus den Bildern der D7100 sind dann natürlich größer – logisch – sonst könnte man auf diesen Fotos ja auch nicht mehr Details als Ergebnis der höheren Sensorauflösung erkennen. Die montierten Bildpaare sind trotzdem gut vergleichbar, weil der Ausschnitt des Bildes der D7100 so gewählt wurde, dass er innerhalb des Bildausschnitts der D200 liegt.

Daraus ergaben sich dann für Schäfe- und Auflösungsvergleich jeweils 4 Bildpaare der gestesteten Brennweiten 18, 70, 105 und 300 mm. Nach anfänglicher Sichtung wurden lediglich die Testfotos die mit Blende 8 aufgenommen worden waren verwendet, da sie übereinstimmend die beste Qualität zeigten.

Zusätzlich wurden noch Testpaare in Photoshop auf 800% vergößert und als Screenshot exportiert. Diese Vergleichspaare sollten darüber Aufschluß geben, ob etwa benachbarte Pixel identische Farbwerte zeigten, vom Objektiv also nicht mehr aufgelöst wurden.

Abschließend wurden noch Vergleichsfotos der Brennweiten 18, 105 und 300 mm jeweils einer Kamera nebeneinander montiert. Hier sollte nun direkt beurteilt werden, ob sich die Bildauflösung mit zunehmender Brennweite verändert.

Die Beurteilung der Fotos erfolgte rein optisch durch mich selbst. Für die vergrößerten Pixel wurden stichprobenhaft die Farbwerte benachbarter Pixel in Photoshop gemessen.

Ergebnisse des Schärfevergleichs

Bei allen Brennweiten zeigen die Bilder der D7100 eine deutlich bessere Schärfe. Durch zusätzliche Scharfzeichnung der Vergleichsbilder in Photoshop (Selektiver Scharfzeichner, 0,3 Pixel, Stärke 120) wird dieser Unterschied noch deutlicher.

 

Ergebnisse des Auflösungsvergleichs

Bei allen Brennweiten zeigen die Bilder der D7100 erheblich mehr Details und damit eine deutlich höhere Auflösung als die der D200.

Die Bildschärfe ist in der hier verglichenen 100%-Ansicht bei allen Vergleichspaaren praktisch identisch. Die D7100 zeigt also – bezogen auf die einzelnen Bildpunkte – keine bessere Schärfe als die D200.

Vergleich der Auflösung bei 800%-Ansicht

Bei keiner Brennweite gibt es nebeneinander liegende identische Bildpunkte. Dies ist schon optisch erkennbar und wurde zusätzlich anhand von Stichproben in Photoshop an den 16Bit-Fotos ausgemessen. Anders ausgedrückt, es sind keine “Leeren Pixel” feststellbar.

Vergleich der Brennweite bei identischem Sensor

Bei der D200 erscheinen die Ausschnitte bei allen drei Brennweiten in etwa gleich scharf und detailliert. Scharfgezeichnet fällt die Bildqualität des AF-S 18-70mm und des 300mm/f4 leicht hinter der des Micro 105mm zurück.

Bei der D7100 ist der Ausschnitt des 300mm/f4 deutlich unschärfer und weniger detailliert als bei den anderen Brennweiten. Dieser Eindruck bestätigt sich bei den scharfgezeichneten Bildern, wobei wiederum das Micro 105mm die besten Ergebnisse zeigt.

Methodenkritik

Dieser Test trägt seine größte Schwäche natürlich schon im Ansatz: Ich beurteile Schärfe und Auflösung mit meinem eigenen Auge und in voller Kenntnis der technischen Bilddaten. Es ging aber ja gerade darum herauszufinden, ob und wie sich die höhere Sensorauflösung für den Betrachter auf das Endergebnis auswirkt.

Neben den üblichen technischen Streuungen bei der Aufnahme – Fokuslage, Verwacklung, Belichtung – sind natürlich auch die Sensorpixel nicht zu hundert Prozent identisch. Die Unterschiede im Farbwert benachbarter Bildpunkte bei der Betrachtung in der 800%-Ansicht können also auch einfach dadurch entstanden sein, dass benachbarte Pixel zwar identisch belichtet wurden, aber nicht identisch reagiert haben. Darüber hinaus lässt die 800%-Ansicht keinen Rückschluß darauf zu, ob das abgebildete Pixelmuster auch tatsächlich der Struktur der Mauer entspricht, oder nicht etwa ein Artefakt ist.

Interpretation der Ergebnisse

Vergleicht man die Bilder jeweils in der 100%-Ansicht erscheinen beide Sensoren gleich scharf. Werden die Bilder der D7100 nun auf die Größe der D200 – 64,5% – verkleinert, werden sie natürlich zwangsläufig schärfer. Schärfe ist eine Funktion der Ausdehnung des Übergangs zwischen zwei Bildelementen. Wird dieser Übergang kleiner, erhöht sich automatisch die Schärfe (vergl. Scharf, schärfer, Scharfzeichnung!).

Da nun aber so gut wie nie ein digitales Foto in der nativen Größe angeschaut wird – bei der D7100 sind das 6000 x 4000 Pixel – sondern immer verkleinert, bringt die höhere Sensorauflösung automatisch eine größere Bildschärfe.

Darüber hinaus besteht ein – häufig vernachlässigter – Zusammenhang zwischen Bildgröße, Bildauflösung und Betrachtungsabstand. Im Normalfall wird ein Foto immer aus einer Distanz betrachtet, die es erlaubt das Bild vollständig wahrzunehmen. Wer im Kino in der ersten Reihe sitzt, muss seinen Kopf ständig hin und her drehen, um die Handlung verfolgen zu können. Wer in der letzten Reihe sitzt kann dagegen schon ein Opernglas gebrauchen. Für diesen “Normalabstand” ist dann eine Bildauflösung ausreichend, bei der unser Auge die Einzelpixel nicht mehr voneinander unterscheiden kann. Wer jetzt näher herangeht, wird natürlich ein verpixeltes Bild sehen. Aber was heisst das schon? Wir betrachten unseren Computerbildschirm ja auch nicht mit einer Lupe. Wird die Auflösung nun über den für unser Auge wahrnehmbaren Wert erhöht, sehen wir davon nichts. Für den Vergleich etwa der Bildschärfe von verschiedenen Objektiven oder Kameras folgt daraus, dass nicht die 100%-Ansicht herangezogen werden sollte, sondern identische Bildausschnitte (vgl. 3 Ursachen für unscharfe Fotos und wie ihr sie in den Griff bekommt!).

Die Testfotos der D7100 lassen eindeutig mehr Details erkennen, als die der D200, und das bei allen getesteten Objektiven und Brennweiten. Die zusätzlichen Details scheinen auch in erster Linie tatsächlich Motivdetails zu sein und nicht etwa Artefakte. Auch hinsichtlich der Auflösung ist der größere Sensor der D7100 also ein deutlicher Zugewinn.

Dieser Zugewinn relativiert sich natürlich, wenn man die Fotos wiederum verkleinert betrachtet. Bei gleicher Ausschnittgröße zeigen die Bilder der D7100 nicht mehr Details, als die der D200. Sie sind lediglich schärfer.

Im direkten Objektiv-/Brennweitenvergleich zeigt das 300mm/f4 auf der D7100 aber deutliche Schwächen, die mit der D200 nicht erkennbar sind. Dies kann meiner Ansicht nach als deutliches Zeichen dafür angesehen werden, dass die Auflösungsgrenze des Objektivs für den 24-MP-Sensor der D7100 erreicht ist.

Wie Anfangs aufgeschlüsselt ist der Abstand der Sensorpixel bei einer D7100 kleiner als bei einer D800. Trotz der höheren Auflösung der D800 könnte das 300mm/f4 mit dieser Kamera also durchaus bessere Ergebnisse liefern, als an der D7100. Da mir keine D800 zur Verfügung steht, konnte ich das jedoch nicht testen.

Fazit

Der 24-MP-Sensor der Nikon D7100 bringt im Vergleich zu einem 10-MP-Sensor einer D200 eine deutliche Steigerung an Schärfe und Auflösung. Ob optisch mittelmäßiges Kit-Objektiv oder erstklassiges Makro, ob Weitwinkel oder Tele, der Unterschied ist bei allen getesteten Objektiven klar zu erkennen. Lediglich in der 100%-Ansicht der mit 300mm Brennweite belichteten Bilder der D7100 zeigt sich ein Abfall der Bildqualität: Für dieses Objektiv scheint die Auflösungsgrenze tatsächlich erreicht zu sein. Werden die Bilder aber für die Ansicht auf einem normalen Bildschirm, die Projektion oder einen Ausdruck verkleinert, wird auch bei dieser Brennweite die Objektivschwäche durch die Verkleinerung kompensiert und im Ergebnis entstehen immer noch schärfere Fotos.

Hervorzuheben ist auch die gute optische Leistung des billigen Kit-Objektivs AF-S 18-70mm. Anders als beim 300mm-Objektiv ist beim 24-MP-Sensor der D7100 für diese Optik noch nicht Schluß.

 

16. Februar 2014 | Blog, Werkstattbuch | 32.773 views

Tags: Bildschärfe, Fotografie, Fototechnik, Praxistest