Das 1x1 der digitalen Kameratechnik



Optik:


Die Optik als Auge der Kamera ist das erste Glied in der reproduzierenden Kette. – Grund genug, sich im ersten technischen Kapitel den Kenndaten und Parametern der Objektive zu widmen, und ihren Einfluss auf das Bild zu untersuchen.

Canon EF-Lens-Collection (c) copyright by Canon


Brennweite:


Sie bestimmt, welcher Bildausschnitt (FoV…Field of View) der vor uns befindlichen Szene erfasst wird.
Aus fotografischer Sicht bestimmt die Brennweite, wie diese abgebildete Szene auf uns wirkt.
So betont ein Weitwinkel beispielsweise den Fordergrund - eine Teleobjektiv lässt Entfernungen schrumpfen und verdichtet die Scene.

Brennweite aus dem Physikunterricht:

Die Brennweite einer Sammellinse ist jene Entfernung der Linse von der Bildebene, bei der der projizierte Punkt des einfallenden Sonnenlichts ein Minimum wird. Besteht nun die Projektionsebene aus einem brennbaren Material, so fängt dieses Feuer -> daher Brennweite.
(bekannter Versuch: Sonne + Lupe + Papier = Feuer)

Je kleiner die Brennweite - umso näher rückt die Linse zur Bildebene - umso größer wird der Bildwinkel.


Skizze - Brennweite:

Brennweite

Rückt die Lichtquelle (Gegenstandsweite g) nun näher zur Linse, so muss der Gesamtaufbau neu fokussiert werden. Die Linse wird dabei für die Abbildung des kleinst möglichen Punktes von der Bildebene weg, hin zur Lichtquelle bewegt. (damit: Bildweite b > Brennweite f)


Skizze – Bildweite, Gegenstandsweite:

Bildweite

mathematisch gilt:

f…Brennweite (der Linse) [mm]

b…Bildweite (Abstand der fokussierten Linse zur Bildebene) [mm]

g…Gegenstandsweite (Distanz des fotografierten Objekts zur Linse) [mm]

1/f = 1/b + 1/g         Linsengleichung

Bedeutung: wenn mit einem 100mm-Linse (f=100mm) auf ein Objekt im Abstand von 1m (g=1000mm) fokussiert wird, muss die Linse um 11mm aus der Ursprungsposition b = f (für Fokus auf unendlich) von der Bildebene wegbewegt werden (b=111mm).

Diese Betrachtung gilt auch für Objektive, die aus mehreren Einzellinsen bestehen.

 



Abbildungsmaßstab:


Der Abbildungsmaßstab gibt an, wie groß das auf den Sensor projizierte Bild verglichen mit dem Original ist. Er ist das Verhältnis zwischen der Bildgröße B (am Sensor gemessen) und der reellen Gegenstandsgröße G.

m = B / G

Ein Maßstab von 1:4 bedeutet, dass das Original G 4x so groß ist, wie das Bild B auf der Bildebene.


Skizze – Abbildungsmaßstab:

Abbildungsmassstab

Durch die ähnlichen Dreiecke aus der Skizze ergibt sich:

m = B / G = b / g

Eingesetzt in die Linsengleichung:

m = f / (g – f)


Der Abbildungsmassstab lässt sich durch die Wahl des Objektivs (Brennweite) und den Abstand zum fotografierten Objekt (Gegenstandsweite) beeinflussen.

Beispiel: Dysphania fenestrata, 4 o' Clock Moth; Australia, QL

Beispiel Abbildungsmassstab

Diese wundervolle Motte besitzt eine Flügelspannweite von G = 80 mm.
Fotografiert mit EOS 50D + EF 100-400 mm L @ 400mm.
Am Sensor wird der Falter mit einer Spannweite von B = 10,7 mm abgebildet.
Daraus errechnet sich der Abbildungsmassstab m = B / G = 0,134.
("B" kann natürlich nicht direkt am Sensor gemessen werden - sondern am Bildschirm. Der Sensor der EOS 50D misst 22,3 mm x 14,9 mm.
> Schlussrechnung: die Breite des Bildes am Monitor entspicht den 22,3 mm des Sensors. Vermessung des Falters am Bildschirm -> gemäß dem ermittelten Verhältnis auf die Sensormaße zurückrechnen - liefert "B")


Der Abbildungsmaßstab hat vor allem in der Makrofotografie (Maßstäbe >= 1:1) eine Bedeutung, da er als Einflussgröße bei der Bestimmung der förderlichen Blende, die maximal erreichbare Schärfentiefe limitiert.

 


Bildwinkel:


Je kleiner die Brennweite (Weitwinkel), umso größer wird der Bildwinkel – das Objektiv zeigt also einen größeren Bildausschnitt.

Große Brennweiten (Tele) besitzen einen kleinen Bildwinkel und bilden einen kleinen Ausschnitt der Szene ab.


Skizze - Bildwinkel:

Bildwinkel

Zur Bestimmung des maximalen Bildwinkels werden die Brennweite des Objektivs und die Länge der Sensordiagonale benötigt.
Zusätzlich kann auch ein horizontaler und ein vertikaler Bildwinkel definiert werden.
(vor allem der horizontale Bildwinkel ist dabei von Interesse)

Geometrische Formel für den maximalen Bildwinkel:

Bildwinkel = 2 * arctan( (Sensordiagonale/2) / Brennweite )

Zur Berechnung des horizontalen Bildwinkels wird statt der Sensordiagonalen die Sensorbreite eingesetzt.

 



Weitwinkel, Normalobjektiv, Teleobjektiv:


Definitionsgemäß besitzt das Normalobjektiv eine Brennweite in der Größe der Sensordiagonalen.
Für eine 35mm-Kamera (Canon 1Ds/1Dx/5D/6D, Nikon D3/D600/D700/D800, Sony SLT-A99/A7) ergibt sich eine Diagonale von ca. 43.27 mm.

Als Normalobjektiv gelten in diesem Fall die klassischen 50mm-Objektive.

Objektive mit kürzerer Brennweite werden als Weitwinkel bezeichnet, jene mit größerer Brennweite gelten als Teleobjektive.

Weitwinkel- und Teleobjektive zeigen andere Bildausschnitte und setzten in der abgebildeten Szene auch unterschiedliche Akzente. Weitwinkelobjektive betonen den Vordergrund, Teleobjektive legen die Gewichtung auf den Hintergrund.

Diese unterschiedliche Betonung wird ebenfalls durch den Bildwinkel bestimmt.

Um dies zu verdeutlichen, zeigen die folgenden beiden Skizzen einen Säulengang, mit unterschiedlichen Brennweiten fotografiert.

Zur Abschätzung des Bildeindruckes wird die Projektionen auf die Fokusebene betrachtet.

Der Fokus und damit die Fokusebene liegen auf den ersten Säulen des Ganges, mit R und L bezeichnet.
(im Beispielbild rechts entspricht dies den Bäumen 1 + 2)

Die Säulen R + L begrenzen den Bildausschnitt zur Seite hin.
Um sowohl mit dem Weitwinkel als auch mit dem Teleobjektiv denselben horizontalen Ausschnitt abzubilden, sind natürlich unterschiedliche Kamera-Standpunkte, unterschiedliche Entfernungen (unterschiedliche Perspektiven) notwendig.

Szene mit Weitwinkel:

Weitwinkel-Szene

Im Bild wird der Abstand zwischen der ersten und zweiten Säule (Baum 1 + 3; bzw. Baum 2 + 4) extrem wiedergegeben. Je weiter sich die Säulen von der Kamera entfernen, umso geringer erscheint der Abstand zueinander im Bild.

Die Wand am Ende des Säulenganges erhält einen relativ kleinen Anteil am Gesamtbild.

Szene mit Teleobjektiv:

Teleobjektiv-Szene

Wird nun derselbe horizontale Ausschnitt aus einer anderen Perspektive (aus größerer Entfernung) durch ein Teleobjektiv fotografiert, erscheinen die Säulen (Bäume) im Bild verdichtet – die Abstände sind fast gleichmäßig.
Das Bild verliert an Tiefe und das Ende des Säulenganges bekommt einen wesentlichen Anteil am Bild.

Vergleichen Sie in den rechts stehenden Fotos die Positionen der mit 1 ... 4 nummerierten Bäume.

Diesen Abbildungseigenschaften verdankt das Weitwinkelobjektiv auch seinen Ruf als Portrait-Killer.
Da bei Close-Up-Portraits das Model möglichst Sensor füllend belichtet wird, wäre bei einem Weitwinkelobjektiv eine sehr kurze Aufnahmedistanz nötig, um den geforderten Abbildungsmaßstab zu erreichen.

Brennweitenvergleich – Portrait:

Brennweiten-Vergleich
(die hier angegebenen Brennweiten entsprechen den KB-Äquivalenzen)

Beim linken Bild betrug die Distanz Frontlinse - Nasespitze nur 22cm. Beim mittleren Bild sind es 55cm;
die Teleaufnahme wurde schließlich aus gut 150cm fotografiert.
Zum Vergleich: die Strecke Nasenspitze - Ohr misst 13cm.

Die Ohren können durch das Weitwinkel aus dieser Position gar nicht gesehen werden.
Aber selbst das Normalobjektiv ist bei diesem Abbildungsmaßstab als Portraitlinse überfordert.

Ebenfalls gut zu erkennen: die Änderung in der Schärfentiefe in Abhängigkeit der Brennweite bei gleich bleibender Blende.



Abbildungsqualität Teleobjektiv:

Da Teles, vor allem Super-Teles, gerne im Freien eingesetzt werden um sich an das Objekt der Begierde "heran zu zoomen", schwebt zwischen Kamera und Objekt eine nicht mehr zu vernachlässigende Luftmenge.
Dieser Umstand ist gelegentlich dafür verantwortlich, dass die erreichte Bildqualität bei Tele-Aufnahmen schlechter ist, als erwartet.

Grund: In der Luft schweben gerne Pollen und Staub oder es ist Wasserdampf gelöst.
Im Sommer flimmert die Luft über dem erhitzten Boden.

Diese optisch negativen Eigenschaften der Luft überlagern sich den gewöhnlichen Abbildungsfehlern und diversen anderen möglichen Fehlern durch Verwackeln, Bewegungsunschärfe oder Fehlfokus.

 


Brennweiten-Verlust bei Zoom-Objektiven:


Handelsübliche Objektive sind komplexe optische Systeme, die sich vom vereinfachten strahlenoptischen Ersatzbild erheblich unterscheiden. Vor allem Zoom-Objektive, die einen großen Brennweitenbereich abdecken, weichen von der idealen Vorstellung stärker ab.
Im fotografischen Einsatz hat dies für die langen Brennweiten eines Zoomobjektives folgenden Effekt:

"Die erzielbare Brennweite ist abhängig von der Gegenstandweite"


Während das Zoom-Objektiv bei einem Fokus auf "unendlich" erwartungsgemäße Ergebnisse liefert, kann man bei geringeren Gegenstandsweiten einen Verlust der Brennweite bemerken.

Dies kann im Extremfall - Fokus auf die Naheinstellungsgrenze - dazu führen, dass sich die Brennweite sogar halbiert. d.h. ein 18-200mm Objektiv liefert im Nahfeld u.U. nur noch 100mm Brennweite.

Sie können diesen Effekt sehr leicht nachvollziehen, vorausgesetzt Sie besitzen ein SuperZoom und ein Festbrennweitenobjektiv im Bereich der langen Brennweite des SuperZooms.

Testen Sie die Objektive in 2 unterschiedlichen Situationen:
1. Bild: im Freien mit Fokus auf unendlich
2. Bild: Fokus auf ca. 1m


vergleichen Sie die Bilder der beiden Objektive - der Unterschied im Nahfeld ist erheblich.

Dieser "Brennweitenverlust" schränkt aber den Gebrauch von Super-Zoom-Objektiven nicht wirklich ein, da man im allgemeinen die langen Brennweiten einsetzt, um entfernte Objekte abzulichten.
Nur wer solche Objektive im Nahbereich einsetzen möchte, wird möglicher Weise den angestrebten Abbildungsmassstab nicht erreichen.

 

Blende, Blendenzahl, effektive Blende, ... :


Technisch gesehen ist die Blende ein, in seinem Durchmesser einstellbares "Loch" mit dem die Lichtmenge zur Belichtung des Sensors gesteuert wird. Ausgehend von der Lichtstärke des Objektivs (kleinst mögliche Blendenzahl) kann durch sukzessives schließen der Blende die Lichtmenge gedrosselt werden.

Die Blende begrenzt den Strahlengang und steuert so die Lichtmenge.
Durch ihre Positionierung im Objektiv hat sie aber keinen Einfluss auf den Bildwinkel!

Aus fotografischer Sicht dient die Blende der Gestaltung des Schärfebereichs im Bild.

Für eine gewisse Verwirrung beim Thema "Blende" sorgt unser Sprachgebrauch, da wir das Wort "Blende" sowohl für die mechanische Einrichtung Blende, aber auch für die "Blendenzahl" und teilweise sogar für dessen Kehrwert, das "Öffnungsverhältnis" verwenden.

Im Endeffekt ist es nur wichtig, die weiter unten angeführte Blendenreihe und deren Auswirkung auf das Foto zu verstehen.

Die Blendenzahl beschreibt das Verhältnis der Brennweite (f) [mm] zum wirksamen Durchmesser
(D... Blendenöffnung) [mm] der Blende:


k = f / D

Das Öffnungsverhältnis berechnet sich aus dem Kehrwert der Blendenzahl:  1/k


Steuerung der Lichtmenge:

Um die Lichtmenge, die durch das Objektiv hindurchgeht zu halbieren, muss auch die Fläche der Blende halbiert werden. Da eine Kreisfläche proportional dem Quadrat des Durchmessers ist, ergibt sich aber für die zugehörige Blendenreihe (Durchmesser) ein Multiplikator von Wurzel(2) = 1,414 zwischen den Blendenzahlen.

Blendenreihe:

1   1,4   2   2,8   4   5,6   8   11   16   22   32

Bewegt man sich innerhalb dieser "Blendenreihe" nach rechts, so halbiert sich die Lichtmenge von Wert zu Wert. Nach links gehend, wird die Lichtmenge jeweils verdoppelt.

Blende

Mit der Blende wird aber nicht nur die Lichtmenge eingestellt.
Abblenden steigert zum einen die Schärfentiefe und verringert auch die Abbildungsfehler des Objektivs.



ergänzende "Blenden-Begriffe":


Offenblende:
Die Belichtungsmessung und Fokussierung einer SLR findet als Offenblenden-Messung statt.
D.h. die Kamera nützt die größt mögliche Blendenöffnung des Objektivs und damit die volle Lichtmenge zur Belichtungsmessung und Fokussierung.

Arbeitsblende:
Ist die von Hand eingestellte Blende (bei Blendenvorwahl, Zeitautomatik), - jene Blende mit der das Foto belichtet wird - die mechanische Blende, mit der gearbeitet wird.
An jeder SLR findet sich - meist direkt an der Objektiv-Fassung - eine Abblendtaste, mit der vor dem Auslösen die erreichbare Schärfentiefe noch kontrolliert werden kann.

effektive Blende:
ist die, für die Aufnahme wirksame Blende - ausgehend von der eingestellten Arbeitsblende.
In alltäglichen Aufnahmesituationen ist die effektive Blende = der Arbeitsblende.

Die effektive Blende hängt zusätzlich vom Abbildungsmassstab ab.

keff = k * (1 + m)

keff ... effektive Blende
k ... eingestellte Blendenzahl
m ... Abbildungsmassstab = B (Bildgröße) / G (Gegenstandsgröße)

Beispiel: junger Mann am Fusse des Uluru; Australia, NT

Abbildungsmassstab-2

Aufnahme einer stehenden Person mit 1,42 m Größe, Kamera Canon EOS 50D (22,3 mm x 14,9 mm):
G = 1420 mm; B = 6,56 mm am Sensor
m = 0,0046

selbst bei einem Close-Up-Portrait mit 36 cm für den Kopf-Brustbereich ergibt sich noch ein Abbildungsmassstab in der Größe von: m = 0,1

Im Bereich der Makro-Fotografie jedoch, wird dieser Einfluss des Abbildungsmassstabes eindeutig spürbar.
Bei einem Abbildungsmassstab von m = 1; z.B.: B = 24 mm und G = 24mm; dann beträgt die
effektive Blende keff = 2 * Arbeitsblende.

Auch der Einsatz eine Telekonverters oder Balgengerätes führt zu einer von der Arbeitsblende abweichenden effektiven Blende - da sich die Brennweite verändert.
Bsp.: Ein 1,4-facher Telekonverter verlängert die Brennweite um 1,4.
Entsprechend vergrößert sich die Blendenzahl um denselben Faktor, da k = (Brennweite) / (Blendenöffnung)
Aus einer am Objektiv eingestellten Arbeitsblende von 4 wird dann eine effektive Blende von 5,6.
(dies wird heute durch die digitale SLR verdeckt, da diese den Konverter erkennt und am Display bereits die effektive Blende anzeigt - wird an der Kamera mit aufgesetztem 1,4-fach Konverter Blende 8 vorgewählt, dann wird am Objektiv die Arbeitsblende 5,6 eingestellt)

 

 

Schärfe, Schärfentiefe, HFD:


"Bildschärfe" – ein großes Thema in der Fotografie.

Wie entsteht der Schärfeeindruck beim Betrachter und welche Mittel hat der Fotograf an der Hand, diese Schärfe zu beeinflussen?

Bild-Schärfe ist nicht absolut.

Die "Schärfe im Bild" ist eine Erscheinung, die sowohl mit Auflösungsvermögen des Auges als auch mit dem Betrachtungsabstand zusammenhängt.
Die zentrale Frage: wie groß (wie unscharf) darf ein Punkt wiedergegeben werden, dass er vom Betrachter dennoch als scharfer Punkt und nicht als Klecks empfunden wird.

Hier kommt das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges in Spiel.
Ein Punkt (ein Detail mit ausreichend Kontrast) muss eine gewisse Größe aufweisen, um von unserem Auge wahrgenommen zu werden.

Die absolute Größe dieses "Punktes" hängt aber von der Entfernung Bild (Punkt) - Auge ab.
Ein Stecknadelkopf beispielsweise wird aus 5m Entfernung noch gut erkennbar sein. Aus 100m Entfernung betrachtet, wird man jedoch an der Existenz der gesamten Nadel zweifeln.

Um unabhängig von einem Betrachtungsabstand zu sein, wird die Auflösungsgrenze des Auges daher durch einen Winkel definiert. Dieser liegt bei ca. 2' (2 Bogenminuten – dies entspricht 1/30°).

D.h. um einen Punkt als solchen erkennen zu können, muss dieser einen Durchmesser besitzen, der beim Betrachter (in einem entsprechenden Abstand) im Winkel von 2' wahrgenommen wird.

Auflösungsgrenze menschliches Auge

Um in weiterer Folge 2 Punkte/Linien wirklich als getrennte Linien/Punkte zu identifizieren, sollten diese eine minimale Breite von 2' besitzen und einen ebenso großen Abstand aufweisen.

Die Definition der Schärfe im Bild stammt natürlich aus dem "analogen Zeitalter".
Daher orientiert sich die Schärfen-Definition an einem Bild im üblichen Format, setzt das Auge des Betrachters als Massstab ein und leitet daraus den erlaubten Durchmesser (CoC … Circle of Confusion; Zerstreuungskreis, Unschärfekreis) einer Punkt-Projektion auf der Film/Sensor-Ebene ab.

Der Zerstreuungskreis (CoC ... Circle of Confusion) ist die Projektion eines Punktes, der unter 2' (Winkelminuten) gesehen wird, auf die Sensorebene.

Damit hängt die Größe des Unschärfekreises von der (gedruckten) Bildgröße, dem Betrachtungsabstand und der Sensorgröße ab.

Als typische Basis für diese konservative Abschätzung des Unschärfekreises dient ein 10x15 cm Bild, betrachtet aus einem Abstand von 25 cm:  

Auflösungsvermögen

Die Diagonale misst 180,3 mm. Bei einem Betrachtungsabstand von 25 cm ergibt sich ein Betrachtungswinkel von ca. 40° für die gesamte Bilddiagonale.

Unter Berücksichtigung des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges, lassen sich entlang der Diagonalen bei diesem Betrachtungsabstand ca. 1200 Details (weiße und schwarze Linien; ca.72 Linien/cm) erkennen.

Werden nun diese 1200 Linien auf die Diagonale des damals üblichen analogen Kleinbild-Formates
(24x36 mm)
mit einer Länge von 43,3 mm zurück gerechnet, ergibt sich ein Unschärfekreisdurchmesser (CoC) von Z = Zkb = 0,036 mm.

Die in der Literatur üblicherweise angebenen CoC-Werte (Z) beziehen sich daher auf das KB-Format.

Um Verwechslungen auszuschließen, wird im Folgenden ein CoC-Wert der sich auf das KB-Format bezieht, mit Zkb bezeichnet; Z beschreibt den CoC einer beliebigen Sensordiagonalen.

Berechnung von Z:
Für Sensoren kleiner dem KB-Format ergeben sich, gemäß dem Verhältnis der Sensordiagonalen
(Crop-Faktor), kleinere Zahlenwerte für den CoC:

Z = Zkb / Crop-Faktor

für Canon 650D/60D/7D (APS-C) gilt: Z = 0.0225 mm (bei Zkb = 0,036)

für Nikon, Pentax, Sony (APS-C) gilt: Z = 0.0235 mm


direkte Berechnung des Zerstreuungskreisdurchmessers Z (CoC):

Betrachtungswinkel = 2 * arctan((Bilddiagonale/2) / Betrachtungsabstand)

max. Details = Betrachtungswinkel / min. Winkel ... [2']

Z = wahre Sensordiagonale / max. Details
(für eine Kamera im KB-Format gilt Z = Zkb)

Häufig findet man in der Literatur auch CoC-Werte von Zkb = 0,033 mm - dies entspricht bei einem 10x15 cm Bild dem Betrachtungsabstand von 22,5 cm (oder 1,25 * Bilddiagonale).
Für ein Zkb = 0,03 mm - wäre der Abstand zum Bild dann 20 cm (oder 1,10 * Bilddiagonale).

Neueste "Anleitungen" zur Berechnung des Unschärfekreises eliminieren den Betrachtungsabstand durch den Ansatz: Betrachtungsabstand = Bilddiagonale.

Damit ergibt sich für alle Druckformate ein konstanter max. Betrachtungswinkel von 53,6° mit 1600 Details/Diagonale (im Bild erkennbar ca. 89 Linien/cm).

Für dasselbe 10x15 cm Bild berechnet sich dann ein wesentlich kleinerer Zerstreuungskreis.
Für das KB-Format Zkb = 0,027
* für Canon 650D/60D/7D (APS-C) gilt: Z = 0.0168 mm
* für Nikon, Pentax, Sony (APS-C) gilt: Z = 0.0176 mm

Der Vergleich der unterschiedlichen Berechnungsansätze zeigt, wie stark sich der Zerstreuungskreisdurchmesser Z vom Betrachtungsabstand abhängt.

D.h. es gibt keine allgemeingültige Berechnung des Zerstreuungskreisdurchmessers Z (CoC)!


Werden Fotos im 10x15cm-Format ausgedruckt, dann gilt der konservative Ansatz mit Zkb = 0,036 mm als ausreichend.
Wer jedoch gerne auf DIN A4 oder A3 vergrößert, sollte davon ausgehen, dass der Betrachter näher als die 1,4-fache Diagonale an das Bild herantritt.
Bei DIN A4 reicht meist ein Zkb von 0,033 mm.

Für größere Druckformate sollte eher mit Zkb = 0,03 mm oder gar Zkb = 0,027 mm spekuliert werden.
(gängig sind auch Werte von Zkb = 0,033 und Zkb = 0,03)

Soll jedoch nur ein Ausschnitt des ursprünglich belichteten Bildes gedruckt werden, dann verkleinert sich der Wert des Unschärfekreises nochmals – eben im Verhältnis der ursprünglichen Bilddiagonalen zur neuen Bilddiagonale.

 

Was hat es aber nun mit dem Unschärfekreis (CoC) auf sich - und wie hängt dieser mit der Schärfe und Schärfentiefe zusammen?

Wird ein Punkt auf der Bildebene (also am Sensor) kleiner gleich diesem Zerstreuungskreis abgebildet, so erscheint er am gedruckten Bild als scharf. Erst Punktabbildungen mit größerem Durchmesser werden vom Betrachter als unscharf empfunden.

Genau dieser Umstand gibt nun den Spielraum für die Schärfentiefe.

Die Schärfentiefe (DoF… Depth of Field) ist jener Bereich vor und hinter dem fokussierten Objekt, der von einem Betrachter noch als "scharf" empfunden wird.

Die Strahlenbündel fallen von der letzten Linse als Kegelspitzen auf die Bildebene.


Skizze - Entstehung der Schärfentiefe:

Schärfentiefe

Der fokussierte Punkt wird direkt auf die Bildebene projiziert.

Aber auch weiter vorne bzw. dahinter liegende Punkte werden noch hinreichend scharf abgebildet, solange das Schnittbild ihrer Lichtkegel kleiner gleich dem Unschärfekreis ist.


Daraus ergibt sich ein Schärfebereich entlang der optischen Achse.

Vom Nahpunkt ausgehend bis hin zum Fernpunkt wird die gesamte Szene scharf abgebildet (empfunden)
– die Schärfentiefe.

Um die Schärfentiefe zu vergrößern, muss das Objektiv abgeblendet werden.
(d.h. Einstellen einer größeren Blendenzahl)

Auswirkung der eingestellten Blendenzahl auf die Schärfentiefe:

Schärfentiefe - Vergleich


Durch das Schließen der Blende wird der Strahlengang begrenzt. Damit treffen schlankere Lichtkegel die Bildebene. Somit ergibt sich mehr Spielraum, bis das Schnittbild der Lichtkegel mit der Bildebene den Durchmesser des Unschärfekreises erreicht hat – die Schärfentiefe steigt.


Skizze Entstehung einer größeren Schärfentiefe – Abblenden:

Schärfentiefe-abgeblendet

Wie aus der Skizze ersichtlich, ist die Aufteilung der Schärfentiefe nicht gleichmäßig. Je weiter sich der fokussierte Punkt entfernt, umso mehr verschiebt sich der Anteil der Schärfentiefe hinter den Fokuspunkt.


Der sinnvolle Grenzwert ist dann die sogenannte hyperfokale Distanz (HFD).
Dann liegt der Fernpunkt im Unendlichen und der Nahpunkt auf halber Fokusdistanz.

Skizze - HFD:

HFD - hyper focale Distanz

daher gilt: Fokus auf "unendlich" ist bei Landschaftfotografie sinnlos!

 
Bestimmungsgrößen für die Schärfentiefe sind: Brennweite " f ", Blendenzahl " k ",
die fokussierte Entfernung " g " und der Durchmesser des Unschärfekreises " Z ".

Formelwerk:

hfd = f + f² / (k*Z)          hyperfokale Distanz [m]


gn = hfd*g/(hfd+(g-f))    Distanz des Nahpunktes [m]

gf = hfd*g/(hfd-(g-f))      Distanz des Fernpunktes [m]

dof = gf – gn                     Schärfentiefe [m]

(gf ... gültig für Fokus-Entfernung/Gegenstandsweite g < HFD; für g > HFD wird der Fernpunkt gf = unendlich)
 
Für den Fotografen ist es wichtig, ein Gefühl für die Schärfentiefe zu entwickeln, da eine Kontrolle im Sucher nur unzureichend funktioniert. Sehr hilfreich sind an dieser Stelle Schärfentieferechner, die kostenlos im Internet zu finden sind; diese berechnen natürlich auch die HFD.

Schärfentieferechner sind auch für iPhone und Android-Smartphones erhältlich (gratis).
Bei einem guten Rechner sollte der CoC auch von Hand einstellbar sein; nur so kann man sich dem Verwendungszweck des Bildes wirklich anpassen.

In der folgenden Schärfentiefetabelle werden unterschiedliche Kameras mit einer KB-äquivalenten Brennweite von 200mm und einer Fokusdistanz von 5m bei einer Blende f5.6 verglichen.

D.h. es soll versucht werden, mit allen Modellen dieselbe Bildwirkung (denselben Bildwinkel) zu erreichen; je nach Sensorgröße sind dafür daher verschiedene Brennweiten nötig.

Diese Tabelle zeigt, wie stark die Schärfentiefe bei kleineren Sensoren zunimmt.

Schärfentiefe-Tabelle: (f5.6, KB-äquivalente Brennweite=200mm; mit Basis Zkb = 0,033mm)

Modell Brennweite [mm] DoF [m] Nah [m] Fokus [m] Fern [m]
Vollformat, KB 200 0,22 4,89 5 5,11
APS-H, nur Canon 160 0,28 4,86 5 5,14
APS-C, Canon 123 0,37 4,82 5 5,19
APS-C, Nikon, Pentax, Sony 133 0,35 4,83 5 5,18
1/1.7", Canon G11, G15; Nikon P7000, P7700 41 1,15 4,49 5 5,64

 

 


Förderliche, kritische Blende:


Alles hat ein Ende - dies gilt auch für die Blende.
Je mehr man abblendet, umso größer wird die Schärfentiefe. Allerdings besitzt das Licht einen Wellencharakter und unterliegt daher entsprechenden physikalischen Gesetzen.

Eines dieser Gesetze ist die "Beugung".

Wird die Blendenöffnung zu klein, so weitet sich der Lichtstrahl beim Durchtritt durch die Blende wieder auf. Der "scharfe Unschärfekreis" wird diffuser und erhält einen weichen Lichthof in Form von konzentrischen Kreisen mit fallender Intensität.

Beugung an runder Blende




Diese "kritische Blende" ist das "erste Ende der Fahnenstange" für die Blende.
Ein weiteres Abblenden steigert dann zwar noch die Schärfentiefe im Bild, die Schärfe des Gesamtbildes
(vor allem am Fokuspunkt zu beobachten) nimmt aber bereits merklich ab.

Das "zweite Ende der Fahnenstange" wird durch die "förderliche Blende" markiert.
Diese bezeichnet jenen Punkt, ab dem durch ein weiteres Abblenden auch keine Steigerung der Schärfentiefe im Bild mehr möglich ist !

zusammengefasst:
Die kritsiche Blende liefert die beste Schärfe.
Die förderliche Blende bewirkt die größte Schärfentiefe.

Die Größe der kritischen/förderlichen Blende ist abhängig vom Abbildungsmaßstab und damit aber auch von der Sensorgröße.

Für die tägliche Fotografie im KB-Format ergibt sich kaum ein Problem; hier kann ohne weiteres mit Blenden bis F32 gearbeitet werden.

Problematisch wird es in der Makrofotografie bei Abbildungsmaßstäben > 1, aber auch bei den P&S-Kameras sind die Auswirkungen durchaus spürbar.

Falls Sie eine P&S-Kamera einsetzen, prüfen Sie die größt mögliche Blendenzahl.


Kf = Z / (1.22*Lambda*(m+1))
(diese Formel setzt den Durchmesser Unschärfekreises Z mit ersten Minimum der Beugungsfigur gleich)

Z…                Durchmesser des Unschärfekreises [mm]

m…               Abbildungsmassstab

lambda…        mittlere Lichtwellenlänge (550nm) [mm]


Für die meisten täglichen Anwendungsfälle gilt allerdings: Abbildungsmassstab m ~ 0

z.B.: Landschaftsfotografie - entfernter Bergipfel 200 m (G) über dem Tal.
Am KB-Sensor nimmt der Vordergrund 4 mm der zur Verfügung stehenden 24 mm Bildhöhe ein.
Der Berg beansprucht die restlichen 20 mm (B) im Bild.
m = B / G ..... m = 0,0001


kritische Blende - Unschärfekreis - Zkb=0,033: (m = 1:4; d.h.: KB mit 200mm-Tele in 1m Entfernung)

Modell Z [mm] förd. Blende
Vollformat, KB 0.033 39
APS-H, nur Canon 0.026 31
APS-C, Canon 0.0206 24
APS-C, Nikon, Pentax, Sony 0.0220 26
1/1.7", Canon G11, G15 / Nikon P7000, P7700 0.0068 8


kritische Blende - Unschärfekreis - Zkb=0,027: (m = 1:4; d.h.: KB mit 200mm-Tele in 1m Entfernung)

Modell Z [mm] förd. Blende
Vollformat, KB 0.027 32
APS-H, nur Canon 0.0213 25
APS-C, Canon 0.0169 20
APS-C, Nikon, Pentax, Sony 0.0176 21
1/1.7", Canon G11, G15 / Nikon P7000, P7700 0.0056 6.7


Bemerkung: Die obigen Tabellen beschreiben die förderliche Blende aus dem Blickwinkel eines Ausdrucks.
* die erste Tabelle verwendet den konservativeren Ansatz mit Zkb = 0,033 mm.
Dabei beträgt der Betrachtungsabstand = 1,25 * Bilddiagonale
* die zweite arbeitet mit einem Zkb = 0,027 mm - jenem Ansatz, bei dem der Betrachtungsabstand gleich der Bilddiagonale wäre.

Sollten Sie sich jedoch für jene förderliche Blende interessieren, die die theoretische Sensorauflösung unterstützt, muss statt dem Unschärfekreis-Durchmesser die Pixelgröße der Kamera eingesetzt werden.
Das Ergebnis sind wesentlich kleinere Blendenzahlen, die für aktuelle P&S-Kameras auch auch unter F2.8 liegen können!

kritische Blende - Pixel - Tabelle: (m = 1:4; entspricht: KB mit 200mm-Tele in 1m Entfernung)

Modell MPx PixPich[mm] förd.Blende
KB, Canon 5D mkIII, Sony SLT A99 24 0.006 7.15
KB, Canon 6D 20.2 0.0065 7.8
APS-C, Canon 650D / 60d / 7D 18 0.0043 5.1
APS-C, Nikon D5200 / D7100, Sony SLT A77 24 0.0033 4.0
KB, Canon 1Dx 18.1 0.0069 8.24
KB, Nikon D700 12.1 0.0085 10.1
KB, Nikon D3x 24.5 0.0059 7.0
1/1.7", Canon G15 / Nikon P7700 12 0.0019 2.26
1/2.3", Canon SX 50 HS 12 0.0015 1.84


D.h. die volle Sensorauflösung kann bei vielen P&S-Systemen praktisch nie genutzt werden – aber auch aktuelle SLR-Systeme wie Canon EOS650D/60D/7D oder gar Nikons D5200/D7700 spielen hier bereits hart am Limit.
Kostengünstige Zoom-Objektive sind kaum in der Lage, 18MPx bzw. 24MPx im APS-C Format Pixel-genau zu bedienen. Wer das Potential dieser Kameras ausnützen möchte, muss bei Objektivkauf bereits etwas tiefer in die Tasche greifen.

 

  • Canon 7D @ F 2.8
  • Canon 7D @ F 4.0
  • Canon 7D @ F 5.6
  • Canon 7D @ F 8.0
  • Canon 7D @ F11
  • Canon 7D @ F 16
Canon 7D @ 2.8
Canon 7D @ 4.0
Canon 7D @ 5.6
Canon 7D @ 8
Canon 7D @ 11
Canon 7D @ 16

Canon EOS 7D mit EF 50mm F1.4. Die hier dargestellten Bilder geben den 100%-Ausschnit direkt am Fokuspunkt wieder - Ausschnitt auf Pixel-Niveau. Bis Blende F5.6 bleibt hier alles im grünen Bereich.
Ab F8 ist ein kleiner Verlust bemerkbar, dieser wird dann bei F11 augenscheinlich. Bei F16 liegt bereits ein "Unschärfe-Schleier" über dem Bild.

Fazit: eine weitere Steigerung der Sensorauflösungen bringt keine zwingende Verbesserung der Bildqualität. Jedoch weisen die heute verbauten Sensoren noch genügend Verbesserungspotential in Bezug auf Bildumfang, Texturverlust und Rauschen auf.

zur Überlegung: auch wenn der Sensor pixelgenau bedient würde, bliebe immer noch eine gewisse Unschärfe und ein Farbrauschen übrig, da die RGB-Daten eines Pixels erst durch seinen eigenen monochromen Wert und durch die Werte der ihn umgebenden Pixel interpoliert werden müssen.
(siehe Bayer-Sensor)

 


Lichtstärke, selektive Schärfe:


Die Lichtstärke ist das größtmögliche Öffnungsverhältnis (kleinste Blendenzahl) des Objektivs.
Bei jedem Objektiv wird die jeweilige Lichtstärke angegeben. Dies kann aber in unterschiedlichen Schreibweisen erfolgen. z.B.: 1:2,8 (Canon/Nikon) oder nur 2,8 (Sony-Minolta).

Je größer die Lichtstärke, umso geringer ist die Ausgangsschärfentiefe des Objektivs, umso heller ist das Sucherbild und umso präziser können die Autofokus-Sensoren der SLR arbeiten.
Zu dem erlauben lichtstarke Objektive auch entsprechend kürzere Belichtungszeiten.

Im Bereich der Portrait-Fotografie wird die selektive Schärfe gezielt eingesetzt, um die Person, das Tier, einen Gegenstand vom Hinter- und ev. Vordergrund zu trennen.
D.h. es wird mit einer Schärfentiefe gearbeitet, die den Hintergrund hinreichend unscharf wiedergibt.
Um dies zu erreichen, ist mit einer möglichst kleinen Blendenzahl, oder eben der Lichstärke des Objektivs, zu arbeiten.


Gegenüberstellung P&S - SLR:


selektive Schärfe
(Mit beiden Kameras wurde aus derselben Perspektive mit identer KB-Brennweite 80mm @ F 3.5 fotografiert)

Der Schärfentiefe-Unterschied zwischen P&S und SLR bei identer Aufnahmesituation ist beträchtlich.
Das Freistellen eines Objektes mit einem 1/1.7" Sensor einer P&S-Kamera ist praktisch unmöglich.

Aber wo Schatten - dort auch Licht: Ein Fehlfokus wirkt sich bei P&S-Kameras daher viel geringer aus.


Bokeh, Tiefenunschärfe:


Unter Bokeh versteht man die "Schönheit" der unscharfen Szenerie vor und hinter der Schärfeebene.
Je aufwändiger die Blende des Objektivs konstruiert ist - je besser sich ihre Form einem perfekten Kreis annähert - umso natürlicher und angenehmer wird die Unschärfe des Bildes empfunden.

Diese Tiefenunschärfe ist umso ausgeprägter, je weiter die Blende geöffnet ist. Genau dann, wenn bei Portraitaufnahmen mit selektiver Schärfe gearbeitet wird, wünscht man sich ein schönes Bokeh.

Bokeh

Während bei Blende F 1.8 die beiben Zweige sehr schön freigestellt (selektive Schärfe) sind, verwachsen diese bei F 8 bereits mit dem Hintergrund.

in ausgeprägtes Bokeh ist nur mit einer SLR in Verbindung mit lichtstarken Objektiven erzielbar.
SLR's im Kleinbildformat liefern hierbei die eindruckvollsten Ergebnisse.



Parfokale Zoom-Objektive:

"parfokale Objektive" werden vor allem im Bereich der Mikrokospie verwendet, wo mehrere Objektive (Festbrennweiten) mit unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren auf einem Revolver montiert sind. Wird nun mit einem Objektiv fokussiert und danach durch verdrehen des Revolvers die Vergrößerung (das Objektiv) gewechselt, so sollte das Präperat weiterhin scharfgestellt bleiben.
Objektive die diese Anforderungen erfüllen, nennt man parfokal.

In der Fotografie kann die Parfokalität bei Zoom-Objektiven interessant sein.
Für Zoom-Objektive ist es aber prinzipiell nicht selbstverständlich, dass das Objektiv bei jeder Brennweite gleich fokussiert. D.h. wird beispielsweise bei 30 mm Brennweite scharfgestellt, danach die Brennweite auf 100 mm geändert und ausgelöst, so ist das Foto mit großer Wahrscheinlichkeit unscharf.

Für parfokale Zoom-Objektive gibt es üblicherweise keine offiziellen Herstellerlisten.
Dies rührt auch daher, als dass der parfokale Effekt mit Sensorgröße und Sensorauflösung zusammenhängt.
Aber auch die Entfernung (Gegenstandsweite) kann je nach Objektiv dabei eine Rolle spielen.

Eine Spiegelreflexkamera mit Vollformatsensor reagiert hier (auf Grund seiner geringeren Schärfentiefe) empfindlicher als jene mit dem kleineren APS-C Sensor.

Außerdem stellt ein Video, welches im VGA-Modus (640 x 480) aufgezeichnet wird, geringere Ansprüche an die Optik und Schärfeleistung, als eine volle Sensor-Auflösung von etwa 16 - 18 MPx.
D.h. in der vollen Sensorauflösung werden nur wenige Objektive parfokal sein, wer jedoch mit seiner SLR "nur" filmen möchte, wird schneller fündig.

Verwendungszweck:
Hauptsächlich beim Filmen mit SLR's, die nur eine unzureichende oder keine Schärfennachführung im Video-Modus besitzen.

In der praktischen Anwendung sollte man immer in der größten Brennweite scharfstellen; wird die Brennweite anschließend verringert, sind die Fokusfehler kleiner, als dies bei umgekehrter Methode der Fall wäre.




Abbildungsfehler:


Bei dem Lichtdurchtritt durch die reale Linse verläuft leider nicht alles so, wie dies in der geometrischen Optik vereinfacht angenommen wurde.

Es beginnt bereits damit, dass das sichtbare Licht keine fixe Wellenlänge von 550nm besitzt, sondern sich etwa im Bereich von 380nm (violett) bis 760nm (rot) bewegt und die Brechung Wellenlängen abhängig ist.

Auch das einzelne Linsenelement selbst besitzt bereits Fehler, die sich alleine durch spezielle Formgebung und sorgsame Fertigung nicht beheben lassen. D.h. zur Korrektur dieser Fehler werden bereits weitere Linsen benötigt – dies erklärt den Umstand, wieso selbst einfache Festbrennweitenobjektive bereits aus vielen Linsen in mehreren Gruppen bestehen.


Chromatische Aberration:


Hierbei handelt es sich um einen farbenabhängigen Fehler, der durch die unterschiedliche Wellenlänge des färbigen Lichtes entsteht. D.h. der Brechungsindex für zum Beispiel violettes Licht ist höher als für rotes Licht.

Einfallendes weißes Licht wird durch eine Linse in seine Regenbogenfarben zerlegt. Die einzelnen Farben schneiden an unterschiedlichen Punkten die optische Achse – es entsteht ein Farblängsfehler.

Skizze - chromatische Aberration:

chromatische Abberation

Zur Korrektion dieser Fehler werden entweder achromatische bzw. apochromatische Linsenkombinationen eingesetzt. Bei solchen Objektiven verringern zusätzliche Linsen mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften den ursprünglichen Fehler.

Das auf manchen Objektiven verwendete Kürzel "APO" deutet einen solchen apochromatischen Aufbau an.

Das rechte Bild zeigt die typische Auswirkung der CA im Bild.
Es entsteht ein Farbsaum entlang von Kanten mit sehr hohem Kontrast.
(betrachtet man die Säule, so ist die CA nur gegen den weißen Himmel zu sehen, während der untere Teil frei von Farbfehlern ist)
Am effektivsten gelingt die Korrektur dieses Fehlers im RAW-Konverter.


Sphärische Aberration:

Parallel einfallende Lichtstrahlen schneiden sich nicht alle im gleichen Punkt auf der optischen Achse (gilt auch für dieselbe Wellenlänge). Ihre Abweichung vom richtigen Schnittpunkt ist umso größer je weiter der Lichtstrahl am Rand der Linse liegt.

Dieser Fehler entsteht durch die kugelförmige Linsenform. Es entsteht ein aufgeweichtes unscharfes Bild.

Zur Minimierung werden in viele Objektiven asphärischen Linsen verbaut.

Skizze sphärische Aberration:

sphärische Abberation

Vignettierung:

Dies ist die Abdunklung des Bildes zu den Rändern hin.
Abhilfe: Abblenden, Kamera interne Korrektur, Softwarekorrektur – z.B. mit PTLens, Adobe Lightroom oder
DXO Optics Pro.


Verzeichnung:

Die Verzeichnung ist die Verkrümmung von geraden Linien am Rand des Bildes. Die Verkrümmung ist umso größer je weiter diese Linien am Rand liegen. Diese Verzeichnungen sind vor allem bei Architekturfotografie äußerst unangenehm.
Abhilfe: Softwarekorrektur – Kamera intern oder durch PTLens, Adobe Lightroom, Adobe Photoshop, oder DXO Optics Pro.

Skizze - Verzeichnung / Vignettierung:

Verzeichnung - Vignettierung

Beispielaufnahme eines EF28-135mmIS bei 28mm. Während die Lochreihen durch das Zentrum wie auf einer Geraden aufgefädelt sind, verkrümmen sich eben diese Linien an den Rändern massiv.
Auch die Vignettierung/Randabdunklung ist in diesem Bild sehr gut zu erkennen.



Raimund Stefaner - digitalpicture.at

1x1 der digitalen Kameratechnik - Optik - V2.29 - letztes Update 11.10.2016