Was steckt im Smartphone? Folge 1: Kamerasensor

Die Auseinandersetzung zwischen US-Präsident Trump und dem chinesischen Smartphone-Primus Huawei lenkte das Augenmerk der Öffentlichkeit deutlich auf die Frage, welche Komponenten eigentlich in modernen Mobiltelefonen stecken und von welchen Zulieferern sie stammen. In einer Mini-Serie beleuchten wir diese Frage und geben Einblick in die nicht selten weltweiten Lieferketten für diese wichtigen Bauteile. Folge 1: Der Sensorchip bzw. Kamerasensor

Aufmacherbild: (C) Huawei

Im Mai 2019 schlugen die Wellen hoch: US-Präsident Trump warf dem chinesischen High-Tech-Giganten Huawei Spionage vor und setzte das Unternehmen auf eine schwarze Liste. Binnen weniger Tage kündigten mehrere US-Firmen wie Google und Qualcomm an, die Geschäftsbeziehungen zu den im Smartphone-Markt sehr erfolgreichen Chinesen einzufrieren – sie waren von der durch die US-Regierung geschaffenen juristischen Fakten dazu gezwungen.

Die Entwicklung machte überdeutlich, wie sehr moderne Smartphones von internationalen Zulieferern abhängig sind. Und sie zeigte auch Beobachtern, die sich sonst weniger mit dem Innenleben von Smartphones beschäftigen, aus wie vielen unterschiedlichen Quellen die einzelnen Komponenten in modernen Mobiltelefonen stammen.

Zwar hat sie die Lage mittlerweile wieder etwas entspannt: Trump setzte seinen „Huawei-Bann“ als Teil seines Pokers mit der chinesischen Regierung aus, und Huawei vermeldete entgegen aller Erwartungen ein deutliches Umsatzplus im ersten Halbjahr 2019. Doch ob wieder Normalität einkehrt oder es erneutes Störfeuer aus Washington geben wird, bleibt unsicher.

Wir möchten die Geschehnisse zum Anlass nehmen, in einer Serie von Beiträgen genauer unter die Lupe zu nehmen, welche Komponenten in modernen Smartphones stecken und von welchen Zulieferern sie stammen.

Entscheidend für die Bildqualität: Der Kamerasensor

Die erste Folge dieser Serie befasst sich mit den Kamerasystemen in Smartphones – insbesondere den Bildsensoren. Spezialisierte Chips mit lichtempfindlichen Flächen auf ihrer Oberfläche fangen das von der Smartphone-Optik eingesammelte Licht auf und wandeln es in Pixel um.

Die Sensorchips einer digitalen Spiegelreflexkamera (links) und von Smartphones (rechts) im Vergleich. (Bild: Wikipedia)

Beeindruckend sind dabei vor allem die Dimensionen: Während der Sensorchip in einer Kompaktkamera typischerweise eine Diagonale von mindestens einem Zoll (2,54 cm Diagonale beziehungsweise rund 13 mal 9 Millimeter Fläche) aufweist, haben die Kamerachips in den meisten Smartphones nur eine Diagonale von 1/3 Zoll (0,85 cm Diagonale). Mit rund 4 mal 3 Millimeter Fläche sind diese Sensoren also rund neun mal kleiner als in einer Kompaktkamera.

Formate von Sensorchips im Vergleich – die Kamerasensoren von Smartphones müssen mit deutlich kleinerer Fläche auskommen als Kompakt- oder Systemkameras (Bild: Wikipedia)

Das hat klare Auswirkungen auf die erzielbare Bildqualität – denn auf einem Neuntel der Sensorfläche lässt sich auch nur ein Neuntel der Lichtmenge sammeln. Das ist der wesentliche Grund, warum Kompaktkameras und erst recht digitale System- und Spiegelreflexkameras vor allem bei schwacher Beleuchtung deutlich bessere Bilder als Smartphones liefern – ihre Bilder enthalten weniger Rauschen und bieten sichtbar mehr Kontrastumfang.

Sensorchip-Spezialist Sony

Von welchen Zulieferern stammen nun aber die Kamerasensoren in Smartphones? Einer der wichtigsten Anbieter dieser Bauteile ist Sony. Die Japaner, die ja auch im Bau von Consumer-Kameras stark sind, profitieren von ihrer Erfahrung in Entwicklung und Produktion solcher miniaturisierten Bauteile. Zu den Smartphone-Herstellern, die überwiegend auf Sony-Sensoren setzen, zählen etwa Apple, Nokia, OnePlus, Asus und natürlich die hauseigenen Smartphones der japanischen Unterhaltungselektronik-Marke.

Wie die Kamerasensoren in seinen eigenen Kameras nennt Sony auch seine Sensorchips für Smartphones „Exmor“. (Bild: Sony)

Nun könnte man annehmen, dass dann bei allen Smartphones dieser Hersteller auch die Bildqualität weitgehend identisch ist. Doch weit gefehlt. Denn der Bildsensor ist nur ein Element in der Kette von Smartphone-Bauteilen, die Einfluss auf das fotografische Ergebnis haben. Nicht minder wichtig ist die Optik – und hier setzen die Hersteller auf unterschiedliche Zulieferer mit viel Expertise in der Herstellung und Bearbeitung industrieller Gläser oder Kunststoffe wie zum Beispiel Corning, Synopsys (beide USA) oder auch Jenoptik, Leica oder Zeiss (alle aus Deutschland).

Die Optiken für Smartphones kommen häufig von darauf spezialisierten Industrieglas- oder Kunststoff-Experten (hier Leica).

Weil im Gegensatz zu klassischen Fotokameras die optischen Bauteile in einem Smartphone stark miniaturisiert sind, wirken sich schon kleinste Abweichungen etwa beim Schliff einer Linse oder bei deren Einbau ins Gehäuse dramatisch aus. Eine nur um Millimeterbruchteile verkantete Optik kann beispielsweise zu massiven Bildverzerrungen und Unschärfen führen.

Wichtiger Faktor: Software zur Bildverarbeitung

Einen weiteren wichtigen Einfluss auf die Bildqualität von Smartphones hat die Bearbeitung der Sensorsignale durch die Software. Und spätestens an dieser Stelle kocht jeder Hersteller sein eigenes Süppchen. Tatsächlich haben clevere Algorithmen heute mindestens einen ebenso großen Einfluss auf die von einem Smartphone erzielbare Bildqualität wie die eigentliche Kamerahardware. Und da ist es manchen Smartphone-Herstellern immer wieder gelungen, sogar die Ergebnisse von Sony zu übertrumpfen – wo man doch meinen könnte, dass deren Programmierer einen besonders engen Draht zu ihren Kollegen aus der Sensorchip-Entwicklung haben.

„Isocell“ ist ein hochkompaktes Kamerasystem für Smartphones von Samsung. (Bild: Samsung)

Allein auf weiter Flur ist Sony mit seinen Smartphone-Bildsensoren ohnehin nicht. Hersteller wie Samsung oder LG entwickeln und fertigen die Sensorchips für zumindest manche ihrer Smartphone-Modelle selbst. Erst im Mai 2019 hat etwa Samsung eine neue Familie von Kamerachips vorgestellt, die eine Auflösung von bis zu 64 Megapixel erreichen. Allerdings nutzt beispielsweise Samsung, vor allem in preiswerten Modellen, bisweilen auch Chips von Sony.

Clevere Konzepte von Huawei und Leica

Ein weiterer Smartphone-Hersteller, der bei den Kamerasensoren eigene Wege geht, ist ausgerechnet die eingangs erwähnte Firma Huawei. Vor etwa drei Jahren haben sich die Chinesen mit dem im hessischen Wetzlar beheimateten Optik-Spezialisten Leica zusammengetan. Das 2016 von ihnen gemeinsam entwickelte Bilderfassungs-System war eines der ersten, die in einem Smartphone auf zwei Einzelkameras setzten.

Huawei und Leica gingen dabei einen ungewöhnlichen Weg: Sie kombinierten im Huawei P9 einen Graustufen-Sensor hinter der einen Optik mit einem Farbsensor hinter der anderen. Beide Sensorchips boten die seinerzeit sehr gute Auflösung von 12 Megapixeln. Durch den Wegfall von Farbfiltern beim Graustufen-Sensor kann dieser bei geringer Lichtstärke empfindlicher arbeiten. Die Kamerasoftware kombinierte dann die rauschärmeren und besser durchgezeichneten Bildinformationen des Graustufen-Sensors mit den Farbinformationen des zweiten Sensors. Die überzeugenden Ergebnisse wurden allenthalben hoch gelobt.

Die 2016 mit dem Huawei P9 eingeführte Doppel-Optik mit einem Graustufen- und einem Farbsensor war seinerzeit eine Sensation. (Bild: Huawei)
Die 2016 mit dem Huawei P9 eingeführte Doppel-Optik mit einem Graustufen- und einem Farbsensor war seinerzeit eine Sensation. (Bild: Huawei)

Heute ist die Kombination von zwei, drei oder gar vier Einzeloptiken in einem Mobiltelefon weit verbreitet – jedes dieser Kamerasysteme hat üblicherweise eine eigene, feste Brennweite, sodass ein Smartphone auch ohne bewegliche Objektivlinsen auf Zoom, Superzoom, Weitwinkel und gegebenenfalls Ultra-Weitwinkel zugreifen kann. Je nach Zoomstufe schaltet die Software dann auf die richtige Linsen-Sensor-Kombination um.

Innovation: So passt ein fünffacher optischer Zoom in ein Smartphone

Auch Huawei und Leica gehen mittlerweile diesen Weg, wobei sie dennoch immer wieder mit durchdachten Sonderlösungen auffallen. Beim aktuellen Huawei-Topmodell P30 Pro, das auf seiner Rückseite über drei Kameras verfügt, ist die Optik der dritten Linse zum größten Teil quer eingebaut. Ein Prisma lenkt das Licht um 90 Grad um, wodurch sich die für ein Mobiltelefon sehr große Brennweite von 125 Millimetern ergibt. So bietet das P30 Pro einen fünffachen Zoom. Allerdings hat dieses Konzept auch Nachteile: Weil das Licht eine längere Strecke zurücklegen und mehr Linsen passieren muss, sinkt die Lichtausbeute. Der Fünffach-Zoom-Sensor erreicht daher nur eine Blendenzahl von f3.4 und stößt damit bei Dämmerung oder in schlecht beleuchteten Innenräumen schnell an seine Grenzen. Die Grenzen der Physik können eben auch die cleversten Ingenieure nicht verändern.

Der neueste Trick von Huawei und Leica: Das im Huawei P30 Pro quer eingebaute Linsen- und Sensor-System erlaubt bis zu fünffachen optischen Zoom. (Bild: Huawei)

 

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