Eine digitale Schwarz-Weiß-Datei lässt sich auf zwei Wegen erzeugen: durch Aufnahme von Farbe über einen gefilterten Sensor mit anschließendem Verwerfen der Farbinformation – oder durch direkte Aufnahme der Luminanz auf einem Sensor, der von Anfang an nicht auf Farbe gefiltert wurde. Beide Wege sehen im fertigen Bild ähnlich aus, unterscheiden sich aber darin, wie viel Licht den Siliziumchip erreicht und wie viel räumliches Detail erhalten bleibt. Der ehrliche Vergleich ist konkret, und das klarste Beispiel liefert Leica mit zwei Kameras auf identischem Silizium: der M9 (2009) und der M Monochrom, vorgestellt am 10. Mai 2012. Beide verwenden denselben Kodak KAF-18500-CCD, 35,8 × 23,9 mm, 18 Megapixel auf 6,8-Mikron-Pixeln. Der einzige Unterschied: Beim Monochrom wurde das Farbfilterarray entfernt.

Das Bayer-Array und sein Preis

Fast jeder Farbsensor nimmt Farbe über ein Farbfilterarray (CFA) auf, das von Bryce E. Bayer bei Eastman Kodak patentiert wurde: US-Patent 3.971.065, eingereicht am 5. März 1975, erteilt am 20. Juli 1976. Das Muster ist eine sich wiederholende 2×2-Kachel aus einem roten, einem blauen und zwei grünen Filtern – Grün belegt damit die Hälfte aller Fotostellen, Rot und Blau je ein Viertel. Grün ist bewusst überabgetastet, weil das menschliche Sehsystem den Großteil seiner Luminanz – also das Empfinden von Helligkeit und feinen hochfrequenten Details – aus grünen Wellenlängen bezieht.

Jede Fotostelle misst nur eine Primärfarbe, nämlich das Band, das ihr Filter durchlässt; die anderen beiden Werte werden in einem Schritt namens Demosaicing aus den Nachbarn interpoliert. Ein Bayer-Chip misst also direkt etwa ein Drittel der Farbinformation und interpoliert den Rest. Diese Interpolation trifft die Chromaauflösung am härtesten. Die Luminanz leidet weniger, weil sie dem dicht abgetasteten Grünkanal folgt – aber sie leidet: Eine viel zitierte Messung gibt die effektive Luminanzauflösung eines Bayer-Sensors mit etwa 0,58-mal seiner nominellen Pixelzahl an.

Wie Demosaicing eine Kante verwischt

Der Mechanismus ist wichtiger als das Schlagwort. Ein typisches Demosaicing rekonstruiert zunächst den Grünkanal, da Grün an zwei von vier Stellen abgetastet wird und damit das dichteste Raster zur Interpolation bietet. Rot und Blau werden anschließend abgeleitet, indem die lokalen Rot-zu-Grün- und Blau-zu-Grün-Verhältnisse konstant gehalten und die fehlenden drei Viertel aus der grünverankerten Schätzung aufgefüllt werden.

Man stelle sich eine harte Schwarz-zu-Weiß-Kante vor, die über den Sensor verläuft. Das ist ein hochfrequentes Luminanzereignis, und Luminanz steckt in jedem Kanal. Aber auf dem Rot- und Blaukanal sind an der Kante drei von vier Samples Schätzwerte, die durch einen Kernel rekonstruiert werden, der zwangsläufig über benachbarte Stellen mittelt, die beiderseits der Kante liegen. Mitteln über einen Übergang ist per Definition Unschärfe. Die Interpolation kann keine saubere Grenze setzen, wo keine gemessene Probe vorliegt, sodass feine Luminanzstruktur aufgeweicht wird. Ein filterloser Sensor hat dieses Problem nicht: Jede Fotostelle misst den vollständigen Luminanzwert an ihrem eigenen Ort, eine Fotostelle pro Pixel, ohne etwas zu inferieren.

Der unsichtbare Filter: kein Tiefpassfilter

Es gibt einen zweiten, oft noch größeren Faktor für die Pixelschärfe des Monochrom, der leicht übersehen wird. Farbsensoren tragen einen optischen Tiefpassfilter, den Anti-Aliasing-(AA-)Filter – eine bewusste Unschärfe vor dem Sensor. Seine Aufgabe ist es, Details feiner als die Demosaicing-Nyquist-Grenze zu verwischen, damit feine Wiederholmuster beim Interpolieren der CFA-Daten kein farbiges Moiré erzeugen. Diese Unschärfe kostet bei jeder Aufnahme Schärfe.

Ein Monochrom-Sensor hat kein Chroma, das aliasen könnte, also kein farbiges Moiré, das unterdrückt werden müsste – der AA-Filter kann vollständig entfallen. Der Monochrom gewinnt Schärfe damit gleich doppelt: keine Interpolation und keine optische Tiefpassschicht. Der Nachteil: Luminanz-Aliasing kann weiterhin auftreten, sodass feine Textilien, entfernte Geländer und Dachziegel ein monochromes Moiré zeigen können, das eine Farb-plus-AA-Kamera geglättet hätte.

Die Marketing-Zahl und die gemessene Zahl

Leicas eigene Aussage für den Monochrom lautet, er liefere Bilder, die „100 % schärfer” seien als aus einem Farbsensor vergleichbarer Megapixelzahl konvertiertes Monochrom – also ungefähr doppelt so scharf. Diese Zahl ist die des Herstellers, kein unabhängiges Ergebnis.

Die Messwirklichkeit ist bescheidener. Die Labortests von Popular Photography lösten für die M9 bei ISO 80 rund 2675 Linien pro Bildhöhe auf, für den Monochrom bei ISO 160 etwa 2800 Linien pro Bildhöhe. Das ist ein echter Zugewinn, aber ein einstelliger Prozentwert und keine Verdoppelung. Die „100 % schärfer”-Aussage lässt sich am besten als Marketingkurzform für den kombinierten Effekt aus fehlendem Demosaicing und fehlendem AA-Filter lesen – ein Effekt, der real und in Mikrokontrast und Kantenschärfe sichtbar ist, aber weit hinter der doppelten aufgelösten Detailmenge zurückbleibt.

Warum die Empfindlichkeit steigt

Licht, das ein Filter absorbiert, erreicht die Fotodiode nicht. Jede Bayer-Fotostelle sieht nur ihr eigenes Durchlassband – eine grüne Stelle verwirft den größten Teil des roten und blauen Lichts, das auf sie trifft. Entfernt man das CFA, sammelt jede Fotostelle über das gesamte sichtbare Spektrum und nimmt bei gleicher Belichtung mehr Photonen pro Stelle auf.

Das zeigt sich in der Nennempfindlichkeit. Die M9 hat eine Basis-ISO von 160 (auf 80 zurückziehbar) mit einem oberen Bereich bis 2.500; der Monochrom beginnt bei ISO 320 und läuft bis 10.000. Am unteren Ende ist 320 geteilt durch 160 genau eine Blendenstufe mehr Basisempfindlichkeit. Am oberen Ende sind 2.500 zu 10.000 zwei Blendenstufen zusätzlicher Spielraum. Die Rauschverbesserung hat ebenfalls einen Mechanismus: Mehr Photonen pro Fotostelle bedeuten ein größeres Signal oberhalb eines festen Ausleserauschpegels, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis steigt und Schatten sauber und tonal getrennt bleiben, statt im Rauschen zu verschwimmen.

Kontrast liegt jetzt im Objektiv

Der Tausch ist absolut: Ein filterloser Sensor zeichnet keine Farbe auf und kann nicht zurückkonvertiert werden. Es gibt einen physikalischen Grund, warum das für die Tonwertkontrolle wichtig ist. Panchromatisches Silberhalogenid und blankes Silizium sind von Natur aus empfindlicher für Blau und Ultraviolett als das menschliche Auge – ein ungefiltert blauer Himmel wird zu hell wiedergegeben und die Wolken verbrennen. Beim Film korrigiert man das optisch; beim monochromen Digitalsensor muss man es genauso tun, weil die Datei keine Farbe trägt, die Software nachträglich gewichten könnte.

Das Werkzeug ist ein Kontrastfilter vor dem Objektiv, der durch Absorption wirkt. Ein Gelbfilter lässt Gelb und die längeren Wellenlängen – Orange und Rot – passieren und absorbiert Blau und Violett; Orange und Rot gehen weiter, schneiden mehr Blau und Grün weg, sodass der Himmel progressiv dunkler wird und atmosphärischer Dunst – gestreutes kurzwelliges Licht – verschwindet. Jeder Filter verlangt einen Belichtungsfaktor: Ein Yellow 8 (K2) hat Faktor 2, eine Blendenstufe; ein Orange 16 liegt stärker als Gelb; ein Red 25 hat Faktor 8, drei volle Blendenstufen, und liefert den dunkelsten Himmel mit dem stärksten Dunstschnitt.

Ein konkretes Beispiel. Man fotografiert Ilford HP5 Plus mit dem Nennwert EI 400, rahmt eine Mittagslandschaft ein und belichtet den blauen Himmel so, dass er auf Zone VI liegt. Man setzt einen Red 25 vor das Objektiv, um den Himmel auf Zone III oder IV zu drücken und eine dramatische Beinahe-Schwarz-Wiedergabe zu erzielen, und öffnet dann drei volle Blendenstufen für den Filterfaktor – die effektive Arbeitsbelichtung fällt auf EI 50. Ein monochromer Digitalkörper benötigt für dieselbe Wirkung denselben Filter vor dem Objektiv, während eine Farbkamera das Ergebnis später durch Absenken des Blaukanals in der Konvertierung hätte annähern können. Ohne aufgezeichnete Farbe wird die Entscheidung im Moment der Aufnahme getroffen, Glas vorn am Objektiv – dieselbe Disziplin, die der Himmel über einem Stück HP5 immer schon gefordert hat.