Dieser Artikel dreht sich um die Frage, welche Vor- und Nachteile APS-C- und Vollformatsensoren bei der Astrofotografie bieten.
Hier geht es also um nichts Geringeres als um DIE Glaubensfrage der Fotografie. 😉
Wenn Du überlegst, welcher Sensortyp für Landschafts-Astrofotografie der richtige ist, dann ist diese Seite genau die richtige für Dich. Hier beschäftige ich mich mit ein paar theoretischen Überlegungen zum Rauschverhalten der Sensoren und ihrer jeweiligen Vor- und Nachteile.
Vielleicht hilft Dir das selbst bei der Entscheidungsfindung weiter.
Viel Spaß!
Inhalt:
Ausgangssituation
Für die Fotografie der Milchstraße habe ich immer meine Sony Alpha 6400 mit einem APS-C-Sensor im Gepäck.
Tatsächlich stellte ich mir auch schon oft die Frage, ob ich mich dauerhaft auf APS-C einlassen möchte oder irgendwann doch auf Vollformat wechseln werde.
Leider beeinflusst diese Frage auch wesentlich meine Kaufentscheidungen für neue Objektive: Soll ich mir lieber die günstigen und für meine gleichermaßen guten APS-C-Objektive kaufen oder die teuren Vollformat-Linsen?
Vielleicht stehst Du ja vor der gleichen Problematik. Und vielleicht schaffe ich es, diese Frage im Laufe dieses Artikels beantworten zu können.
Vollformat = APS-C?
Immer öfters ist zu lesen, dass die kleineren APS-C- inzwischen den größeren Vollformatsensoren beinahe ebenbürtig sind.
Das mag auch durchaus in den meisten Situationen und bei guten Lichtbedingungen der Fall sein.
Wie sieht es aber mit der Bildqualität aus, wenn man im Dunkeln mit APS-C fotografiert?
Meine mit ihrem APS-C-Sensor macht ganz ordentliche Astroaufnahmen, das steht außer Frage.
Aufnahmen der Milchstraße mache ich in der Regel mit einem relativ hohen ISO-Wert von 3200.
Bei diesem Wert ist das Bildrauschen bereits deutlich zu sehen und ich empfinde es als störend.
Das ist mitunter der Hauptgrund, wieso ich mit Stacking arbeite.
Schon der Wechsel vom kleinen 1″-Sensor der Sony RX100 hin zum APS-C-Sensor der Alpha 6400 hat beträchtlich zur Bildqualität beigetragen und war für mich ein regelrechtes Aha-Erlebnis.
Die große Frage, die ich mir inzwischen jedoch immer öfter stelle, lautet aber: Wie sähe das wohl bei einem Vollformat-Sensor aus? Lohnt sich der Aufpreis? Wäre der Qualitätssprung ähnlich stark ausgeprägt, wie beim Wechsel von der zur Alpha 6400?
Zwar hat APS-C gegenüber Vollformat inzwischen sicherlich aufgeholt, doch ein entscheidender Vorteil der größeren Sensoren bleibt bestehen und wirkt sich speziell auf das Feld der Landschafts-Astrofotografie ziemlich gravierend aus:
Vollformatsensoren rauschen deutlich weniger.
Bildrauschen in der (Astro-)Fotografie
Jeder kennt es: Nachts aufgenommene Bilder sehen oft verrauscht und verpixelt aus. Je dunkler und je höher die ISO-Werte, desto ausgeprägter ist das Bildrauschen.
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PREISMONITOR nutzen!Bei der Astrofotografie bewegt man sich stets am Limit des technisch Machbaren: Dunkle Lichtverhältnisse führen zu langen Belichtungszeiten, großen Blenden – und hohen ISO-Werte.
Bildrauschen ist bei der Astrofotografie das Hauptproblem.
So zeigen sich schnell die Schwächen von und Objektiv.
Maximierung der Lichtmenge
Um Nachts viel Licht mit dem Kamerasensor einzufangen, stehen drei Einstellungsparamter zur Verfügung:
- Blende weit öffnen
- Verschlusszeit maximieren
- ISO-Wert erhöhen
Man benötigt also zunächst einmal zwingend ein lichtstarkes Objektiv mit einer Mindestblende von f/2.8.
Nun könnte man meinen, dass sich die Verschlusszeit bei einem statischen Motiv wie dem Sternenhimmel beliebig erhöhen lässt. – Leider weit getäuscht. Sterne bewegen sich schneller über das Firmament, als viele meinen.
So beträgt beispielsweise die maximale Belichtungszeit mit meinem 20 Sekunden. Belichte ich länger, werden die Sterne nicht mehr punktförmig abgebildet, sondern sie werden zu Strichen. Das sieht leider nicht so gut aus. 😉
Sind Blende und Verschlusszeit erst einmal ausgereizt, muss zwangsläufig der ISO-Wert erhöht werden, um noch mehr Licht einzufangen.
Eine Erhöhung des ISO-Werts führt zu einer höheren Lichtempfindlichkeit des Bildsensors.
Das Problem dabei: Um die Lichtempfindlichkeit des Sensors zu erhöhen, muss das Signal verstärkt werden. Diese Verstärkung führt zu stärkerem Bildrauschen.
Ab einem gewissen Punkt ist dieses „Verstärkerrauschen“ deutlich auf den Aufnahmen sichtbar. – In Form von Artefakten, roten, grünen oder blauen Pixeln oder gar Hotpixeln.
Das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-Noise-Ratio)
Wichtig ist in diesem Zusammenhang das Signal-Rausch-Verhältnis. Damit wird die Relation zwischen dem Nutzsignal (= vorhandene Lichtmenge) und dem Rauschsignal (= Verstärkerrauschen) beschrieben:
Je mehr Licht vom Sensor eingefangen wird, desto besser ist das Nutzsignal, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis und desto geringer ist das Bildrauschen ausgeprägt.
Leider trifft genau der umgekehrte Fall auf die Astrofotografie zu: Je weniger Licht vom Sensor eingefangen wird, desto schlechter ist das Signal-Rausch-Verhältnis und desto stärker ist das Bildrauschen (im Verhältnis zum eigentlichen Bildsignal) ausgeprägt.
Es gilt auf diesem Feld der folglich, das Signal-Rausch-Verhältnis unter widrigen Umständen zu optimieren.
Eine Anhebung des ISO-Werts verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis nach dieser Logik jedoch immer, da die Lichtmenge bereits durch Blendenöffnung und Belichtungszeit maximiert wurde.
Ab einem gewissen Punkt tritt das gefürchtete Bildrauschen sogar deutlich in den Vordergrund und stört beim Betrachten einer Aufnahme:
Wie hilft das nun dem eigentlichen Thema, nämlich dem Vergleich des Bildrauschens von APS-C- und Vollformatsensoren, weiter?
Warum haben Vollformatsensoren den Ruf, weniger zu rauschen, als APS-C- oder noch kleinere Sensoren?
Das technische Prinzip, nämlich die Signalverstärkung zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit, ist immer das gleiche – unabhängig vom Kamerasensor. Sollte dann das Bildrauschen nicht auch identisch stark ausgeprägt sein?
Size matters: APS-C vs. Vollformat
Die letzte Frage war rein rhetorischer Natur, denn es ist kein Geheimnis, dass Vollformatsensoren weniger stark rauschen, als ihre kleineren Pendants.
Der Grund hierfür ist in der der Lichtmenge zu suchen, die von den Sensoren eingefangen wird.
Letztendlich ist diese Tatsache mit simpler Logik erklärbar: Ein Vollformatsensor hat in der Regel eine Größe von 36mm x (864mm^2) während ein APS-C-Sensor nur 23,6mm x 15,6mm (368mm^2) misst.
Die Sensorfläche des Vollformatsensors ist folglich um den Faktor 2.3 größer, als die des APS-C-Sensors.
Wegen dieses Größenunterschieds kann ein größerer Sensor in der gleichen Zeit mehr Licht einfangen, als ein kleinerer.
Nun ist es in der Regel so, dass die Helligkeit von Aufnahmen mit Vollformat- und APS-C-Sensoren bei gleicher Belichtungszeit und Blende identisch ist. – Und das, obwohl wiederum mit dem kleinen Sensor weniger Licht eingefangen wird, als mit dem großen.
Wieso ist dann das Bild des kleineren Sensors nicht dunkler?
Die Lösung ist naheliegend: Um eine identische Helligkeit zu gewährleisten, wird das Nutzsignal des kleineren Sensors mehr verstärkt, als das des großen.
Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dann schlechter, da das Rauschsignal mit der Verstärkung zunimmt.
Die kleinere Sensorgröße wird also durch eine höhere Signalverstärkung kompensiert!
Und genau hier liegt das Problem der APS-C-Sensoren bzw. der Vorteil der Vollformat-Sensoren:
Die Signalverstärkung bei Vollformatsensoren fällt wegen deren größerer Grundfläche und der damit verbundenen Tatsache, dass sie mehr Licht einfangen, geringer aus, als bei kleineren Sensoren.
Das Signal-Rausch-Verhältnis ist somit günstiger bei Vollformat.
Kurzum: Geringere Signalverstärkung = geringeres Bildrauschen = besseres Signal-Rausch-Verhältnis = Vollformat
Pixeldichte: Pixelgröße vs. Sensorgröße
Die obigen Zeilen entsprechen jedoch nur der halben Wahrheit.
Tatsächlich kommt es nicht nur auf die reine Sensorgröße, sondern auch bzw. vor allem auf die Größe der einzelnen Pixel auf einem Sensor an.
Die vorgenannten Ausführungen gelten daher nur für den Vergleich von APS-C- mit Vollformatsensoren mit annähernd identischer Pixelanzahl.
Beispiel: Bei 24 Megapixel Auflösung auf einer Sensorfäche von 864mm^2 müssen die einzelnen Pixel zwangsläufig größer sein, als auf einem vergleichbaren APS-C-Sensor mit identischer Pixelzahl und mit einer Fläche von 368mm^2.
Das Verhältnis aus Sensorfläche und Anzahl Pixel wird als Pixeldichte bezeichnet.
Je größer die einzelnen Pixel eines Sensors sind, desto mehr Licht können sie einfangen.
Wenn es um das Thema Rauschverhalten geht, ist die Pixeldichte daher aussagekräftiger, als die Größe des Sensors.
Ein Vollformatsensor ist nur solange hinsichtlich seines Rauschverhaltens besser, wie dessen Pixeldichte geringer als die eines kleineren Sensors ausfällt (sofern die Sensoren ansonsten technologisch ebenbürtig sind).
Beispiel: Angenommen, ein Vollformatsensor hat in etwa die 2.3fache Grundfläche eines APS-C-Sensors und eine Auflösung von 48 Megapixel. Der APS-C-Sensor hat dagegen lediglich 12 Megapixel Auflösung – also rund 25%.
Die Pixeldichte des APS-C-Sensors ist dann geringer, als die des Vollformatsensors. Dies sollte – rein theoretisch – zu einem entsprechend besseren Rauschverhalten des APS-C- gegenüber des Vollformatsensors führen, da die einzelnen Pixel des APS-C-Sensors größer sind.
Umgerechnet auf Vollformat würde beim Größenverhältnis 1:2.3 die äquivalente Vollformat-Auflösung 12 x 2.3 = 27,6 Megapixel betragen.
Die einzelnen Pixel wären dann auf beiden Sensoren gleich groß und würden folglich auch die gleiche Lichtmenge einfangen können,
Eine höhere Auflösung als 27,6 Megapixel hätte beim Vollformatsensor theoretisch eine schlechtere Bildqualität in dunklen Lichtverhältnissen zufolge (=höhere Pixeldichte), während eine niedrigere Auflösung wiederum vorteilhaft für das Signal-Rausch-Verhältnis wäre (=niedrigere Pixeldichte).
Zwischenfazit
Vollformatsensoren sind APS-C-Sensoren hinsichtlich ihres Rauschverhaltens überlegen, sofern die Pixeldichte gleich oder geringer – und somit die Pixelgröße gleich oder größer – ist, als bei ihren kleineren Pendants.
Stacking als Lösung
Die vorangehenden Ausführungen haben gezeigt, dass Vollformatsensoren den APS-C-Sensoren insbesondere in der stark überlegen sind, was das Bildrauschen angeht.
Glücklicherweise gibt es jedoch die Möglichkeit, Astrofotos zu stacken, d.h. zu Stapeln:
Auf Basis mehrerer identischer Aufnahmen wird softwareseitig der Mittelwert jedes einzelnen Bildpixels über mehrere Aufnahmen hinweg berechnet.
Ich nehme mit meiner „APS-C-Kamera“ jeweils mindestens 15, maximal 30 Fotos des Sternenhimmels auf und füge diese dann via Stacking mittels Sequator zu einem rauschfreien Bild zusammen.
Für weitere Informationen zum umfassenden Thema Stacking empfehle ich unter anderem die Seite Astrofotografie: Was ist eigentlich Stacking?
Auf diese Weise lässt sich das Bildrauschen effizient reduzieren und der Vorteil der größeren Sensoren relativiert sich wieder etwas.
Vollformat vs. APS-C: Kosten, Abmessungen, Gewicht
Das bessere Rauschverhalten von Vollformatsensoren ist gleichzeitig auch der größte Vorteil.
In der Regel sind sowohl Die Anschaffungskosten, Abmessungen und das Gewicht der und Objektive höher, als bspw. im APS-C-Bereich.
Fazit
Das Bildrauschen ist der größte Vorteil von Vollformatsensoren.
Gerade auf dem Gebiet der Astrofotografie stellt das ein entscheidendes Entscheidungs- bzw. Kaufkriterium dar.
Letztendlich muss jeder für sich entscheiden, ob sich die höheren Anschaffungskosten, die größeren Abmessungen und das höhere Gewicht für den jeweiligen Einsatzzweck lohnen.
Mit Erstellung dieses Artikels bin ich mir jedenfalls über einige Punkte klar geworden, die ich vorher so noch nicht auf dem Schirm hatte (Fehler seien mir verziehen, da ich kein Physiker bin 😉 ).
So war mir ursprünglich nicht klar, dass die geringere Lichtmenge, die ein APS-C-Sensor wegen dessen Größe einfängt, einer Signalverstärkung bedarf, um die gleiche Helligkeit wie bei Vollformat zu erzielen.
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PREISMONITOR nutzen!Ich hoffe jedenfalls, dass ich Dir auf dieser Seite ein paar Tipps und Anregungen vermitteln konnte. Wie hältst Du es mit dem Thema? Fotografierst Du schon mit Vollformat oder überlegst Du gerade, von APS-C umzusteigen? Lass‘ gerne einen Kommentar da!
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Weiterführende Themen:
- Astrofotografie: Einstieg & Basiswissen
- Astrofotografie FAQ: Häufige Fragen einfach erklärt. Voraussetzungen, Kameraeinstellungen, Bildentwicklung.
- Astrofotografie-Kalender: Mond, Sternschnuppen, Milchstraße und Deep Sky-Objekte auf einen Blick
- NPF: Ideale Belichtungszeit berechnen
- Bildrauschen: Was ist Stacking?
Hallo!
@Hendrik
Tolle Website, sehr informativ, danke sehr dafür!
@ C.Futterer
Ihre Interpretation ist leider falsch. Würde Ihre Hypothese zutreffen würde ein APS-C Crop aus einem Vollformatbild bei gleicher Blende, Verschlusszeit und ISO dunkler werden als ein mit einer APS-C Kamera geschossenes Bild mit dem selben Objektiv…… das denke ich können wir ausschliessen.
Ein Beispiel von Nikon:
https://www.fotokoch.de/Nikon-AF-S-DX-Nikkor-35mm-f-1-8-G-Nikon-DX_30901.html
https://www.fotokoch.de/Nikon-AF-S-Nikkor-35mm-f-1-8-G-ED-Nikon-FX_71409.html
Eins Vollformat, eins APS-C, beide 35mm, beide f/1.8.
Das kleinere hat zwar einen APS-C Bildkreis, der Bildwinkel bleibt aber der selbe, d.h. die Randbereiche werden NICHT auf den Sensor abgebildet, das Licht wird nicht „fokussiert“ auf den kleineren Sensor:
Aus dem Nikon Werbetext für das APS-C Objektiv:
„Mit nur 200g Gewicht, kompakter Bauweise, und einer Brennweite im Kleinbildäquivalent von 52,5mm eignet es sich hervorragend als Standard Festbrennweite für D-SLR Kameras im DX-Format.“
Ein einfacher Test hierzu: Nehmen sie ein Objektiv für Vollformat, eine Vollformatkamera sowie eine APS-C Kamera stellen sie Blende und ISO fest ein (gleiche Werte an APS-C und VF) und vergleichen sie die von der Kamera gewählte Verschlusszeit, diese sollte bei beiden Kameras identisch sein. Da ein Crop-Sensor nur 40-43% der Fläche eines Vollformatsensors hat, müßte sich die Verschlusszeit auf mindestens das Doppelte des Wertes der Vollformatkamera verlängern, wenn Ihre Hypothese richtig wäre. (Spoiler: tut sie nicht!)
@Volkmar Eisele
Nö. Definitiv einfach Nö.
Mehr Sensorfläche –> mehr Licht. Weil gleichviel Licht pro mm² ergibt bei mehr mm² auch mehr Licht insgesamt.
Ein Objektiv ist immer als Gesamtsystem von der Eintrittspupille bis zum Brennpunkt (idealerweise auf dem Sensor) berechnet und bezeichnet. Und in einer idealen Welt würde jedes Objektiv mit Blende 2.8 die selbe Verschlusszeit und ISO erfordern wie jedes andere 2.8er bei gleichen Lichtbedingungen. Aber Linsenzahl, Glasqualität, Beschichtungen, Fertigungstoleranzen etc. verhindern das. Die Sensorgröße hat auf die Lichtstärke KEINEN Einfluß.
Zum einen gibt es 16mm Objektive für APS-C von Sigma welche 93mm lang sind während das Canon RF 24mm 1.8 Macro nur 63mm lang ist, das RF 28 mm ist sogar nur 24mm lang. Zum anderen ist der Abstand Objektivbajonett – Sensor bei Canon EF und EF-s gleich groß, genau wie bei Canon RF und RF-s. Und bei RF kann man sogar die RF-s Objektive am Vollformat verwenden. Wäre ja phantastisch wenn da dann eine um eine Blendenstufe höhere Lichtstärke bei rum käme.. leider ist die Realität eine gänzlich andere. Die Physik lässt sich nicht überlisten.
Viele Grüße
Jens
Frage zum Kommentar von VOLKMAR EISELE:
bedeutet aber dann, dass es eines APS-C Objektiv bedarf um mit dem Objektiv näher am Sensor zu sein, um die höhere Lichtempfindlichkeit zu erreichen (z.B. 16mm APS-C Objektiv im Vergleich zu 24mm Vollformat Objektiv)??
Hallo,
was meiner Ansicht nach im obigen Artikel nicht berücksichtigt wird, ist die Tatsache, dass ein APS-C Sensor um 1 Blende lichtstärker ist als ein vergleichbarer Vollformat Sensor! Die Ursache dafür liegt in der Brennweite des Objektivs. Bei APS-C und 16mm Brennweite ist das Objektiv deutlich näher am Sensor und dadurch Lichtintensiver als die vergleichbaren 24mm Brennweite eines Vollformat Objektives. Das macht ca. eine Blende aus. Dadurch ist es eigentlich egal ob ich mit APS-C fotografiere oder mit Vollformat. Hat mich damals erstaunt, als ich von Lumix 43 auf Fuji X umgestiegen bin und sich sogar mehr als eine Blende Lichtverlust ergab. Vielen Dank für die wertvollen Artikel über Astro Photografie! Viele Grüße, Volkmar.
Hi Volkmar,
vielen Dank für Deinen Hinweis! Ich werde diesen ebenfalls berücksichtigen, sobald ich die Zeit finde, diesen Artikel zu überarbeiten.
Viele Grüße
Hendrik
Ich widerspreche hier:
Wenn die Öffnung des Objektivs gleich bleibt, gibt es keinen Unterschied zwischen APS-C und Vollformat. Vorausgesetzt wird dabei, dass das Objektiv jeweils den Sensor vollständig ausleuchtet. Beim größeren Sensor wird der gleiche Lichtstrom, der durch die Öffnung begrenzt wird, einfach auf eine größere Fläche verteilt. Dabei wird das Bild dunkler. Jedoch hat der Sensor eine größere Fläche und sammelt im Ganzen mehr Licht, was am Ende das Bild genauso hell werden lässt, wie beim APS-C.
Es ist demnach völlig egal, wie groß der Sensor ist, solange Beugungseffekte keine Rolle spielen. Die Optik und der Sensor müsen jedoch aufeinander abgestimmt sein.
Hi,
vielen Dank für den Hinweis! Ich möchte gar nicht ausschließen, dass mir hier ein inhaltlicher Fehler unterlaufen ist. 😉
Sobald ich wieder etwas mehr Zeit habe, werde ich den Beitrag dahingehend nochmal unter die Lupe nehmen und überarbeiten.
Viele Grüße
Hendrik
Hallo Hendrik,
vielen herzlichen Dank für deine umfangreiche Arbeit auf deiner tollen Homepage!!! Das erspart mir sehr viel Suche im Netz – bei dir sind alle Astro-Informationen laienverständlich erklärt! ???
Du hast auf deiner Seite „Astrofotografie: APS-C oder Vollformat?“ gefragt, ob schon jemand mit Vollformat fotografiert – ich habe seit April 2019 eine Nikon Z 6 mit diversen Objektiven (u. a. das 20 mm f1.8).
Wie ich gesehen habe, hast du inzwischen selbst aufgerüstet – ich lasse dir per E-Mail trotzdem mal ein paar Bildchen zukommen – diese sind tatsächlich bereits so aus der Kamera gekommen, also bisher unbearbeitet.
Viele Grüße
Gerald
Hi Gerald,
vielen Dank für Deinen sehr netten Kommentar! So etwas motiviert erst recht. 😉
Und ja, ich habe inzwischen von der Sony Alpha 6400 auf die Alpha 7 III aufgerüstet und den Wechsel bisher nicht bereut. – Auch wenn ich zu Beginn einen etwas größeren Unterschied in Sachen Bildrauschen erwartet hätte. Ich bin aber mit der neuen Kombi rundum zufrieden und habe auch schon tolle Bilder mit 55mm gemacht. Der erste Beitrag dazu kommt am Mittwoch. 😎
Viele Grüße
Hendrik