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Teil 1: Sensoren in modernen Smartphones im Überblick

Multisensibel


Mit einem Smartphone kann man auch telefonieren. Diese Aussage beschreibt gut den Funktionsumfang heutiger mobiler Devices. Sie verfügen über sehr viele Sensoren, um Parameter aus der Umwelt aufzunehmen. Einen Überblick über die wichtigsten Antennen für die Wahrnehmung der Außenwelt liefert dieser Artikel. In den folgenden Teilen der Serie geht es dann um die Technik und die Programmierung.

Aktuelle Smartphones sind mit Sensoren regelrecht „vollgestopft“. Dazu gehören u. a. Umgebungslicht-, Näherungs-, Beschleunigungs- und Rotationssensor (Gyroskop), elektromagnetischer Sensor, digitaler Kompass (Magnetometer), Fingerabdruckscanner sowie Sensoren für die Standortbestimmung (GPS). Dazu kommen noch mehrere Kameras, mit denen Bilder und Videos inzwischen in beeindruckender Qualität aufgenommen werden können (Abb. 1).

bochkor_sensoren1_1.tif_fmt1.jpgAbb. 1: Smartphones sind heute durch eine Vielzahl von Sensoren multisensibel

Dass man mit einem Smartphone auch noch telefonieren kann, geht bei dieser Vielfalt fast unter. Smartphones eignen sich für vielfältige Messaufgaben aus den unterschiedlichsten Bereichen im privaten und beruflichen Umfeld. Die Messdaten können umfassend in Apps verarbeitet werden. Gleichgültig, ob für Android oder iOS entwickelt wird, und ob es sich um eine native oder eine hybride App handelt, muss man die grundsätzliche Funktionsweise, Anwendung und auch Einschränkungen der Sensoren kennen, um sie in der eigenen App einzusetzen. Einen solchen Überblick wollen wir mit dieser Artikelserie geben. Sehen wir uns die einzelnen Sensoren genauer an.

Kamera

Richtig, auch die Kameras in einem Smartphone zählen zu den Sensoren. Die Qualität dieser Kameras zählt mit zu den entscheidenden Faktoren bei der Auswahl eines neues Smartphones. Inzwischen ist die Qualität der damit möglichen Aufnahmen auch deutlich gestiegen, Handykameras müssen in vielen Fällen den Vergleich mit der Bildqualität einer einfachen Kompaktkamera nicht mehr scheuen. Einen entscheidenden Einfluss auf die Bildqualität hat dabei die Größe der Sensorfläche der Kamera. Daneben spielt das Verhältnis von Auflösung und Sensorgröße eine wichtige Rolle. Eine Auflösung von 20 Millionen Megapixel bedeutet, dass der Sensor über die gleiche Anzahl von Lichtzellen verfügt, um das Bild aufzunehmen. Das führt im Ergebnis dazu, dass die gespeicherten Bilder die gleiche Anzahl von Bildpunkten aufweisen. Dabei können größere Pixel (Sensorfläche) mehr Licht aufnehmen und beeinflussen positiv die Bildqualität. Auch der Aufbau der Bildsensoren hat Einfluss auf die Bildqualität. Man unterscheidet die Front Side Illumination (FSI), also die Verdrahtung auf der Vorderseite zwischen dem einfallenden Licht und der Sensorfläche, und die Back Side Illumination (BSI), die Verdrahtung auf der Rückseite der Sensoren. Bei BSI werden Schatten auf der Sensorfläche vermieden und es wird eine höhere Lichtempfindlichkeit erreicht. Das Objektiv bestimmt maßgeblich die optischen Eigenschaften der Kamera [3].

Moderne Smartphones verfügen i .d. R. über mehrere Kameras. Sie besitzen eine Front- und eine Rückkamera, wobei die Rückkamera, üblicherweise mit wesentlich höherer Auflösung, vom Betrachter weggerichtet ist, während die Frontkamera der Videotelefonie bzw. der Aufnahme von Selbstporträts (Selfies) dient. Mit Hilfe von Dualkameras werden zwei Sensoren und Objektive nebeneinander angeordnet. Ein Ziel ist es, die Bildqualität dadurch zu verbessern, dass die Bildinformationen beider Kameras zu einer Aufnahme verrechnet werden. Auch können beide Objektive unterschiedliche Brennweiten aufweisen (Weitwinkel vs. Zoom). Mit zwei Kameras kann man darüber hinaus durch die Software einem Bild besondere Effekte hinzufügen, z. B. Schärfe- und Unschärfewirkungen.

Mikrofon

Das Mikrofon dient in erster Linie dazu, dass man Telefonate führen kann. Andere Anwendungen, die die Tonsignale des Mikrofons auswerten, sind denkbar. Zum Beispiel als Sprachrekorder, zur Sprachsteuerung von Apps (künstliche Intelligenz), zur Messung von Umgebungsgeräuschen, als einfaches Babyfon oder zur Raumüberwachung. Neben dem eingebauten Mikrofon kann auch ein externes Mikrofon, i. d. R. in Verbindung mit einem Kopfhörer, angeschlossen werden.

Fingerabdrucksensor

Fingerabdrücke werden schon sehr lange zur Identifikation von Personen genutzt. Grund dafür ist die Einzigartigkeit eines Fingerabdrucks. Im Smartphone war der Fingerabdrucksensor vor einigen Jahren noch etwas Besonderes. Heutzutage ist er in zahlreichen Geräten vorhanden und fast schon selbstverständlich geworden. Fingerabdrucksensoren dienen zur schnellen und bequemen Entsperrung der Geräte durch den Nutzer. Im Vergleich zu anderen Systemen, zum Beispiel Pin-, Passwort- oder Mustereingabe ist das Verfahren viel einfacher und deutlich sicherer. Man unterscheidet halb- und vollautomatische Fingerabdrucksensoren. Bei den halbautomatischen Sensoren muss der Finger über ein Sensorfeld gezogen werden, um die ganze Fingerkuppe aufzunehmen. Was wir heute von Smartphones kennen, sind vollautomatische Sensoren, bei denen die Fingerkuppe einfach aufgelegt werden kann. Zum Scan des Fingerabdrucks gibt es zwei gängige Methoden: optische und kapazitive. Bei Smartphones sind optische Fingerabdrucksensor...

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