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Was ist ISO: Eine technische Erkundung

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German (Deutsch) translation by Katharina Grigorovich-Nevolina (you can also view the original English article)

Die meisten Menschen verstehen die praktische Anwendung von ISO, aber was ist es, woher kommt es und was ist der Unterschied zwischen ISO in Film und Digital? Ich werde die Geschichte und die technischen Grundlagen des Systems erkunden. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, was ISO bedeutet oder wie es funktioniert, dann ist dies das richtige für Sie!


Die Geschichte

ISO ist im fotografischen Kontext das Standard-Bewertungssystem für die Lichtempfindlichkeit eines fotografischen Mediums. Es ist die Abkürzung für International Organization for Standardization, ein internationales Gremium, das alle Arten von Produkten und Prozessen für maximale Interoperabilität und Sicherheit standardisiert.

Sie kodifizierten die ISO-Filmbewertungen von 1974 und kombinierten die neuesten Fortschritte in den deutschen DIN- und amerikanischen ASA-Systemen (jetzt ANSI) in einem einzigen universellen Standard.

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Diese beiden Systeme reichen bis in die 1930er und 40er Jahre zurück, vor denen verschiedene Ratingsysteme verschiedener Hersteller und Ingenieure nebeneinander existierten, obwohl der 35-mm-Film bereits 1909 als internationaler Standard akzeptiert wurde. Etwa 120 Mittelformatfilme stammen ebenfalls aus dieser Zeit, sind aber groß Die Filmgröße erhöhte die Kosten und verringerte daher die allgemeine Beliebtheit bei Amateuren.


Wie es gemessen wurde

Was bedeuten die Zahlen selbst? Es gibt vier ISO-Normen, die Farbnegativfilm, Schwarzweiß-Negativfilm, Farbumkehrfilm (Diafilm) und digitale Sensoren regeln. Diese sind so kalibriert, dass unabhängig von der Art des Films oder Mediums die effektive Empfindlichkeit theoretisch gleich ist.

Das ist für praktische mathematische Zwecke beim Filmen nützlich, obwohl Fotografen in der Regel festgestellt haben, dass die Einstellung von Kameras auf etwas andere ISO-Werte als die Nenndrehzahl eines bestimmten Films zu besseren Ergebnissen führt.

Aufgrund der unterschiedlichen Emulsionen und Interpretationen von Messprozessen zwischen Herstellern, Fabriken und sogar Chargen sowie der inhärenten Variabilität eines chemischen Prozesses können Ergebnisse auch bei der Standardisierung variieren.

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In letzter Zeit wurde die Filmgeschwindigkeit anhand einer "charakteristischen Kurve" gemessen, die die allgemeine Klangleistung eines Films beschreibt. Diese Kurve wird unter Verwendung einer "sensitometrischen Tablette" erstellt, einer Art abgestufter ND-Filter, die aus einem genau kalibrierten Array von 21 Graustufen mit gleichem Abstand (von Schwarz zu Weiß) besteht.

Sie werden in einem Sensitometer - Licht, Verschluss, Filterhalter und Filmhalter - auf den Film belichtet. Nach der Verarbeitung führt dies zu einer abgestuften Abstufung der optischen Dichte (d.h. der Dunkelheit und/oder der Opazität) der Emulsion auf dem belichteten Filmabschnitt.

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Die 21 Stufen werden dann jeweils mit einem hochpräzisen Instrument, dem so genannten Densitometer, gemessen, das den Fotodetektor mit Licht durch den Film strahlt und einen Wert auf einer Skala von null bis drei anzeigt. Nachdem alle 21 Schritte gemessen wurden, werden sie in Millilux-Sekunden in einer Grafik dargestellt.

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Diese Grafik enthält verschiedene Teile, die verschiedene Aspekte des Films erklären, z. B. Schleierbildung, Gamma, Kontrast usw. Der für uns relevante Teil der ISO-Empfindlichkeitsstufe des Films liegt um 0,1 Dichteeinheiten über der Mindestdichte, nennen wir diesen Punkt x. Dieser Wert ist nicht besonders wissenschaftlich, wird jedoch traditionell als minimaler Dichteunterschied akzeptiert, den das durchschnittliche menschliche Auge unterscheiden kann.

Die Gleichung für die Filmempfindlichkeit (ja, es gibt eine) lautet $$speed = {800\over{log^{-1} (x)}}$$ Wenn die Belichtung in Lux-Sekunden statt in Millilux-Sekunden gemessen wird. Das wird wie folgt: $$speed = {0.8\over{log^{-1} (x)}}$$ Beachten Sie, dass ich ein Protokoll für base-10 schreibe, nicht ln für natural log (base-e). So wie sich die Geschwindigkeit verdoppelt oder halbiert, nimmt auch die Lichtempfindlichkeit zu.

Wie ändert sich die Empfindlichkeit?

Ein Film besteht aus einer Suspension von Silberhalogenidkristallen in einem Gelatinebindemittel. Diese Emulsion wird viele Male zusammen mit Farbstoffen für Farb- oder Verarbeitungshilfsstoffe auf einer Zelluloidbasis vielfach geschichtet und auf der Rückseite durch physikalische Beschichtungen geschützt. Die Silberhalogenidkristalle sind das eigentliche photoreaktive Medium.

Sie reagieren nur auf das blaue Ende des sichtbaren Lichtspektrums (daher müssen UV-Filter beim Filmen verwendet werden), sie werden während des Wachstums beschichtet oder imprägniert - mit organischen Verbindungen, die sie für das gesamte sichtbare Spektrum sensibilisieren.

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Photonen, die auf das Silberhalogenid oder die spektralen Sensibilisatoren treffen, übertragen ihre Energie in das Molekül. Das bewirkt, dass ein Elektron aus einem Halogenidion im Silberhalogenidkristall ausgestoßen wird. Dieses kann durch ein Silberion eingefangen werden, um ein elektrisch neutrales Silberatom zu bilden.

Das ist jedoch nicht stabil. Es müssen mehr Photoelektronen in derselben Region verfügbar sein, um mehr Silberatome zu bilden, damit ein stabiler Cluster von mindestens drei oder vier Silberatomen gebildet werden kann. Ansonsten können sie sich leicht wieder in Silberionen und freie Elektronen zersetzen. Es können sich mehr Silberatome bilden, solange Photoelektronen erzeugt werden.

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Ein Atomcluster aus reinem Silber dieser stabilen Größe katalysiert die Reaktion mit dem Entwickler, der dann den gesamten Kristall in ein metallisches Silberkorn zerlegt, das aufgrund seiner Größe und seiner unpolierten Oberfläche schwarz erscheint.

Der Fixierer fixiert dann das Bild durch Auflösen der verbleibenden Silberhalogenidsalzkristalle, die dann weggespült werden. Dies ist seit über einem Jahrhundert die allgemeine Grundlage der Fotografie. Was hat das also mit der Empfindlichkeit des Films zu tun?

Die Antwort darauf ist wirklich ziemlich einfach: Wahrscheinlichkeit. Je größer die Silberhalogenidkristalle sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass Photonen auf sie treffen und absorbiert werden. Um eine grundlegende Analogie zu verwenden: Wenn Sie ein großes Schmetterlingsnetz durch einen großen Schwarm Schmetterlinge schwenken, werden Sie wahrscheinlich mehr davon fangen als mit derselben Welle durch denselben Schwarm mit einem kleinen Netz.

Größere Kristalle haben eine größere Oberfläche, die der Linse zugewandt ist, und logischerweise korreliert die Lichtempfindlichkeit direkt mit der Wahrscheinlichkeit, dass Licht auf die Oberfläche trifft.

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Daher haben langsame Filme wie ISO 25, 50 und 100 sehr feine Körner, um die Menge an Licht zu reduzieren, die auf sie fällt, was zur Erfassung feiner Details nützlich ist. Umgekehrt haben sehr schnelle Filme wie ISO 1600 und 3200 relativ große Körner für die größtmögliche Chance, Photonen einzufangen, und somit ihre extrem körnige Qualität.

Wie es für Digital funktioniert

Digitalkameras, die keinen chemischen Prozess haben, können nicht mit derselben Methode wie Filme gemessen werden. Das ISO-Bewertungssystem ist jedoch so ausgelegt, dass es hinsichtlich der tatsächlichen Lichtempfindlichkeit dem Film einigermaßen ähnlich ist. Technisch ist der Begriff für digitale Sensoren "Exposure Index" und nicht "ISO". Da es jedoch ein ISO-Standard ist, sehe ich kein Problem bei der Verwendung des traditionelleren "ISO".

Anstelle eines minimalen sichtbaren Belichtungsniveaus wird die Empfindlichkeit von digitalen Sensoren durch die Belichtung bestimmt, die zum Erzeugen eines vorbestimmten charakteristischen Signalausgangs erforderlich ist. Der ISO-Standard für die Sensorempfindlichkeit (ISO 12232: 2006) enthält fünf mögliche Methoden zur Bestimmung der Sensorgeschwindigkeit, von denen jedoch nur zwei regelmäßig verwendet werden.

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Der Sensor einer Kamera besteht aus einer Matrix aus Millionen von mikroskopischen Fotodioden, die normalerweise mit Mikrolinsen für zusätzliche Lichteinstrahlung bedeckt sind, und einem Bayer-Musterfilter, um Farbe einzufangen. Jeder repräsentiert einen einzelnen Pixel.

Eine Fotodiode kann entweder in einem Fotovoltaikmodus mit Null Vorspannung (keine angelegte Spannung) betrieben werden, in dem der Ausgangsstrom begrenzt ist und die interne Kapazität maximiert ist, was zu einem Photoelektronenaufbau am Ausgang führt.

Es kann auch in entgegengesetzt vorgespannter (rückwärts gerichteter) photoleitender Modus gefahren werden, in dem in den p-n-Übergang absorbierte Photonen ein Photoelektron freisetzen, das direkt zum durch die Diode fließenden Strom beiträgt.

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Die Kamerasensoren verwenden letzteres, da die Spannung, die angelegt wird, um die Diode in Sperrrichtung vorzuspannen, die Fähigkeit zum Sammeln von Photonen erhöht, indem der Verarmungsbereich erweitert wird, und die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination aufgrund der erhöhten elektrischen Feldstärke verringert, die die Ladungsträger auseinanderziehen. Plötzlich verloren? Lassen Sie uns den Betrieb der Fotodioden, die den Sensor Ihrer Kamera bilden, durchgehen.

Ein (etwas) grundlegendes Interlude auf Photodioden

Eine Fotodiode ist im Wesentlichen eine normale Halbleiterdiode (eine Vorrichtung, die den Stromfluss in nur eine Richtung zulässt), wobei der p-n-Übergang Licht ausgesetzt wird. Dadurch können Fotoelektronen Einfluss auf den elektronischen Betrieb des Geräts haben.

Ein p-n-Übergang ist ein positiv dotierter Halbleiter, der mit einem negativ dotierten Halbleiter verbunden ist. Beim Dotieren werden Verunreinigungen infundiert, die Elektronen abgeben oder aufnehmen, um die Verfügbarkeit und Polarität der Ladung in einem Halbleiter zu verändern. Diese selektive Ladungsmanipulation ist die Basis aller Elektronik.

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In der Nähe des Verbindungspunktes im Halbleiter werden die Elektronen auf der negativ dotierten Seite von der postiv dotierten Seite angezogen und neigen dazu, in diese zu diffundieren. Es gibt Löcher ohne Elektronen innerhalb des Halbleitergitters, was zu einer positiven Nettoladung führt. Löcher werden für allgemeine Zwecke als positiv geladene Partikel behandelt. Diese neigen ebenfalls dazu, in die negativ dotierte Seite zu diffundieren.

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Sobald sich jedoch genügend mobile Ladungsträger (die Elektronen und Löcher) auf jeder Seite angesammelt haben, ist dort genügend Ladung vorhanden, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das dazu neigt, mehr Ladungsträger von der Diffusion abzuweisen. Ein Ladungsgleichgewicht ist erreicht. Die streuenden Träger sind in jeder Richtung gleich den abgestoßenen Trägern.

Dieser äquilibrierte Bereich in der Nähe des Übergangs ist ein so genannter Verarmungsbereich, wo sich auf der positiv dotierten Seite des Übergangs eine Elektronenwolke und auf der negativ dotierten Seite eine Lochwolke befindet. Die Träger sind von ihren ursprünglichen Positionen aufgebraucht und haben eine Ladungsdifferenz erzeugt, die zu einem elektrischen Feld führt, d. h. eingebautes Spannungspotential. Das ist die Basis für eine Diode. Eine Fotodiode ist im Wesentlichen dasselbe, jedoch mit einem transparenten Fenster, damit die Photonen den Verarmungsbereich treffen können.

Eine umgekehrte Vorspannung der Diode verbreitert den Verarmungsbereich, indem das natürliche Ladungsgleichgewicht des Verarmungsbereichs überwunden und ein neuer eingestellt wird, wobei das angeborene elektrische Feld jetzt stark genug sein muss, um sowohl der Anziehungsdiffusion als auch dem angelegten elektrischen Feld entgegenzuwirken. Das erfordert natürlich einen größeren Verarmungsbereich, der mehr Ladung enthält, um ein stärkeres Feld zu erzeugen.

Wenn ein Photon mit ausreichender Energie auf das Halbleitergitter trifft und von diesem absorbiert wird, erzeugt es ein Elektron-Loch-Paar. Ein Elektron gewinnt genug Energie, um der atomaren Bindung des Gitters zu entgehen und hinterlässt ein Loch. Die Rekombination kann sofort erfolgen, was jedoch weitgehend geschieht, ist, dass das Elektron in Richtung des negativ dotierten Bereichs und des Lochs in Richtung des postiv dotierten Bereichs gezogen wird.

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Sie können oft mit anderen Ladungsträgern im Halbleiter rekombinieren, idealerweise erreichen die Ladungsträger jedoch bei einer optimierten Transitentfernung von der Photostelle zum Elektrodenkollektor (kurz genug, um eine Rekombination zu vermeiden, aber lang genug, um die Photonenabsorption zu maximieren) die Elektrode und tragen dazu bei der Fotostrom zur Ausleseschaltung.

Je mehr Photonen absorbiert werden, desto mehr Ladungsträger gelangen zu den Elektroden und desto höher wird der Strom, der an den A-D-Wandler gesendet wird. Je höher der Strom, desto höher ist die Belichtung und desto heller ist das Pixel.


Wie sich das auf ISO auswirkt

Wie bereits erwähnt, wird der ISO-Wert häufig anhand der Belichtung gemessen, die zur Sättigung der Fotosite erforderlich ist. Ich habe gerade erklärt, was die Fotoseiten sind; der Verarmungsbereich innerhalb der Fotodioden. Wie werden sie gesättigt? Nun, die Anzahl der Elektronen, die zur Anregung von Photonen zur Verfügung stehen, ist nicht unbegrenzt. Nachdem eine bestimmte Menge Lichtenergie absorbiert wurde, hat der Halbleiter so viel Ladung an die Elektroden abgegeben, wie er kann, und reagiert nicht mehr auf die weitere Belichtung.

Fotografisch ist das die Kapazität der gesamten Bohrung oder der Markierungspunkt für das Hervorheben. Normalerweise setzen Hersteller ihre Sensoren absichtlich falsch ein, um den Kopfraum in den Highlights zu halten und die Erholung in RAW zu ermöglichen.

Gemäß ISO 12232 lautet die Gleichung zum Definieren der auf Sättigung basierenden Geschwindigkeit $$S_{sat} = {78\over{H_{sat}}}$$ where $$H_{sat} = L_{sat} t$$ [latex]L_{sat}[/latex] ist die erforderliche Beleuchtungsstärke für eine bestimmte Belichtungszeit, um die Sensorsättigung zu erreichen. Die 78 wird so gewählt, dass eine 18% graue Oberfläche genau 12,7% Weiß erscheint.

Auf diese Weise kann der Headroom in der endgültigen Bewertung hervorgehoben werden, damit spiegelnde Highlights auf natürliche Weise und nicht als blockierte Punkte ablaufen. Diese Bewertung ist am nützlichsten für die Studiofotografie, wenn die Beleuchtung gesteuert wird und maximale Informationen erforderlich sind.

Es definiert einen anderen Einstufungstest, der weniger verwendet wird, aber für Szenarien in der realen Welt nützlich ist. Das ist der rauschbasierte Geschwindigkeitstest. Das ist ein eher subjektiver Test, da die Bildqualität und die Testkriterien etwas willkürlich sind. Die verwendeten Signal-Rausch-Verhältnisse (S/N) betragen 40: 1 für "exzellenten" IQ und 10: 1 für "akzeptablen" IQ, basierend auf einem 180-dpi-Druck aus 25 cm Entfernung. Das S/N-Verhältnis ist definiert als die Standardabweichung eines gewichteten Durchschnitts der Luminanz- und Chrominanzwerte mehrerer einzelner Pixel in dem Rahmen.

Die Standardabweichung ist eine Möglichkeit, die Variation der Werte in den erfassten Daten aus dem Durchschnitts- oder Erwartungswert mathematisch abzuleiten. Das ist die Summe aller Differenzen im Quadrat, dividiert durch die Anzahl der Datenpunkte in der Gruppe, Quadratwurzel. Im Wesentlichen ein Durchschnitt der Abweichungen.

Das bedeutet fotografisch, dass die Testpixel gemittelt werden, um den "erwarteten" Wert des Lichtsignals zu ermitteln. Dann definiert die Standardabweichung, wie weit die einzelnen Testpixel von diesem Durchschnitt entfernt sind. Unter der Annahme, dass die Pixel einen relativ einheitlichen Wert haben, ist diese Abweichung vom Durchschnitt Rauschen, entweder vom Sensor oder von der Verarbeitungselektronik.

Das Verhältnis zwischen dem Durchschnittswert (Signal) und der Standardabweichung (Rauschen) ist das S/N-Verhältnis. Je höher dieses Verhältnis ist, desto geringer ist das Rauschen im Signal. Für den "exzellenten" Bildqualitätsstandard von 40:1 bedeutet das beispielsweise, dass im Durchschnitt pro 40 Bits des Bildsignals nur ein Rauschen auftritt. Der große Unterschied zwischen dem Bild und dem Rauschen erzeugt ein sauberes Bild.

Das Rauschen kann auf verschiedene Arten eingeführt werden: Sättigungs-/Dunkelstrom über die Fotodioden, zufällig thermisch freigesetzte Elektronen in den Fotodioden oder der Verarbeitungselektronik (thermisches Rauschen), Bewegung der Ladungsträger über den Verarmungsbereich der Fotodioden (Schussrauschen) und Unvollkommenheiten Kristallstruktur oder Verunreinigungen, die zu willkürlichen Einfangen und Freisetzen von Elektronen führen (Flicker-Rauschen).

Die Zunahme des Rauschens durch Erhöhen der ISO-Einstellung an der Kamera ist das Ergebnis der Erhöhung der Verstärkung der Vorverstärker zwischen Sensor und A/D-Wandler. Das S/N-Verhältnis ist notwendigerweise reduziert, da zur Erzeugung einer "korrekten" Belichtung mit hoher Verstärkung eine geringere Belichtung erforderlich ist.Weniger Belichtung bedeutet weniger Signal und somit relativ viel Rauschen als Bruchteil dieses reduzierten Pegels.

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Ein einfaches mathematisches Beispiel. Bei ISO 100 wird eine korrekte Belichtung erreicht, indem ein bestimmter Pixel auf 80% Well-Kapazität aufgefüllt wird, und sein S/N-Verhältnis beträgt 40:1, so dass +/-2% der aktuellen Anzeige rauschinduziert sind. Eine Erhöhung der ISO auf 800 bedeutet, dass die Verstärker das Signal um das 8-fache erhöhen und somit die richtige Belichtung bei nur 10% Well-Kapazität erreicht wird. Der Rauschpegel von +/-2% bleibt jedoch ungefähr gleich und wird zusammen mit dem Signalpegel verstärkt. Nun ist das S/N-Verhältnis von 40:1 zu einem Verhältnis von 5:1 geworden, und das Bild ist unbrauchbar.


Schlussfolgerung

Sie können sehen, warum es wichtig ist, mit so viel Belichtung und so wenig Verstärkung wie möglich zu fotografieren. Die Schaltungs- und Sensortechnologie sowie die Rauschalgorithmen verbessern sich ständig. Denken Sie nur an den Unterschied zwischen einer ISO 800-Aufnahme von 2008 und einer ISO 800-Aufnahme von heute. Die Mehrzahl der Bilder wird jetzt auch in relativ kleinen Größen online angezeigt, und die Größenänderung reduziert auch das Rauschen.

Für den Großformatdruck können Sie jedoch erkennen, warum es wichtig ist, mit viel Licht und im Basis-ISO-Modus zu fotografieren. Daher auch die Maxime "nach rechts belichten", dh das Bild wird so hell wie möglich im Histogramm angezeigt, ohne die Höhepunkte zu beschneiden. Das maximiert nicht nur die Menge des Lichtsignals im Vergleich zu dem einigermaßen festen Rauschpegel der Abbildungselektronik, sondern die Digitalisierung der Daten bedeutet, dass mehr Informationen in den Highlights als in den Schatten gespeichert werden können.

Das ist es, denke ich. Ich hoffe, dass dieser Artikel für einige von Ihnen von Interesse war, möglicherweise sogar von Nutzen war, und dass Sie sich in den technischen Eigenschaften der Festkörperphysik nicht zu sehr verloren haben!

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