10.11 Fotokamera

Fotograf mit Kamera

Bild 10.96: Fotograf mit Kamera

Fotografie war lange Zeit ein sehr teures und aufwändiges Hobby. Die digitale Fotografie, das Smartphone und das Internet haben die Fotografie innerhalb weniger Jahre radikal geändert. An den Grundlagen hat sich dabei aber wenig geändert.

10.11.1 Aufbau einer Foto-Kamera

In Bild 10.97 siehst du den Aufbau einer Foto-Kamera, der ähnlich deinem Auge ist. Den vordersten Teil bildet das Objektiv, es enthält das Linsensystem und die verstellbare Blende (analog zur Iris). Dahinter befindet sich ein Verschluss, der sich beim Betätigen des Auslösers öffnet und Licht auf den Bildsensor/Film (analog zur Retina) einfallen lässt.

Aufbau einer Fotokamera

Bild 10.97: Aufbau einer Fotokamera

10.11.2 Fotografischer Film

In einer analogen Kamera fällt das Licht bei der Aufnahme auf einen mit einer lichtempfindlichen Fotoemulsion beschichteten Film (Bild 10.98). Nach der Aufnahme wird der Film manuell oder automatisch weiterbefördert und ist bereit für die nächste Aufnahme. Je nach Größe des Films muss nach 12, 24 oder 36 Aufnahmen der Film gewechselt werden.

Fotografischer Film mit Dose

Bild 10.98: Fotografischer Film mit Dose

Nach der Belichtung des Films in der Kamera muss er durch ein chemisches Verfahren entwickelt werden. Durch den Entwicklungs-Prozess entsteht ein dauerhaftes Negativ (Bild 10.99).

Fertig entwickeltes Negativ

Bild 10.99: Fertig entwickeltes Negativ

In einem zweiten chemischen Prozess können aus dem Negativ ein oder mehrere Papierbilder (Abzug) hergestellt werden. Sowohl das Entwickeln des Films als auch das Erstellen der Abzüge muss in einer Dunkelkammer erfolgen.

10.11.3 Bildsensor

In der digitalen Fotografie fällt das Licht bei der Aufnahme auf einen lichtempfindlichen Bildsensor statt auf einen Film. Die häufigsten Bildsensoren sind der CCD-Sensor (Charge Coupled Device) und der Active Pixel Sensor (CMOS-Sensor).

Beide Sensortypen besitzen – ähnlich unserem Auge – drei unterschiedliche Bereiche, die den Rot-, Grün- und Blauanteil des einfallenden Lichts mit Hilfe von Photodioden in elektrische Signale umwandeln.

Bayer-Matrix eines CCD-Sensors

Bild 10.100: Bayer-Matrix eines CCD-Sensors

In Bild 10.100 siehst du eine mögliche Anordnung der Bereiche (Bayer Muster). Grün kommt auf dem Bildsensor doppelt so oft wie die blauen und roten Bereiche vor. Das entspricht unserem Sehen, denn Grün liefert den größten Beitrag zur Helligkeitswahrnehmung im menschlichen Auge.

Ein quadratischer Bereich aus vier benachbarten Sensorwerten (2 Grün, 1 Blau, 1 Rot) wird zu einem Farbwert zusammengefasst (Demosaicing) und ergibt einen Bildpunkt (Pixel) auf dem digitalen Bild (10.101).

Rekonstruktion des Bildes aus den Sensordaten

Bild 10.101: Rekonstruktion des Bildes aus den Sensordaten

Bevor das Bild auf dem Datenträger der Kamera gespeichert wird, nimmt die Software der Kamera meist noch weitere Bildverbesserungen vor (zum Beispiel Rauschreduzierung). Einige Kameras gestatten das Speichern von Bilder im Rohdatenformat (RAW-Format). Im Gegensatz zu anderen Bild-Formaten werden hier die Daten des Bildsensors direkt (ohne Bearbeitung) in die Datei geschrieben.

10.11.4 Blende und Blendenzahl

Die meisten Objektive besitzen eine Aperturblende aus mehreren Lamellen, durch die die Menge des einfallenden Lichts reguliert werden kann. Als Blendenzahl wird das Verhältnis aus Brennweite \(f\) des Objektivs und des variablen Blenden-Durchmessers \(D\) (Öffnungsweite) bezeichnet.

\[ k={\frac {f}{D}} \]

Dieses dimensionslose Verhältnis wurde bewusst so gewählt, dass eine bestimmte Blendenzahl einer bestimmten Menge an Licht entspricht, unabhängig davon, welches Objektivs gerade verwendet wird.

Obwohl die Blende prinzipiell stufenlos geöffnet oder verkleinert werden kann, gibt es bestimmte Öffnungsweiten, bei denen die Blende einrastet. Diese Stellungen entsprechen bestimmten Blendenzahlen. Übliche Blendenzahlen sind

\[ \text{f/}1,\quad\text{f/}1.4,\quad\text{f/}2,\quad\text{f/}2.8,\quad\text{f/}4,\quad\text{f/}5.6,\quad\text{f/}8.0,\quad\text{f/}11,\quad\text{f/}16,\quad\text{f/}22 \]

Beachte: Da der Blenden-Durchmessers im Nenner steht, entspricht eine kleine Blendenzahl einer weit geöffneten Blende und umgekehrt (Bild 10.102)!

Unterschiedlich weit geöffnete Blenden eines Objektivs

Bild 10.102: Unterschiedlich weit geöffnete Blenden eines Objektivs

Die Zahlen wurden so gewählt, dass jede nächstgrößere Blendenzahl die einfallende Lichtmenge halbiert. Ein doppelter Durchmesser vervierfacht die Lichtmenge (Fläche!). Eine Verdoppelung der Lichtmenge ergibt sich bei dem Faktor \(\sqrt{2}\).

10.11.5 Schärfentiefe

Als Schärfentiefe (engl. depth of field (DOF)) wird die Ausdehnung vor und hinter dem scharfgestellten Motiv verstanden, die scharf auf einem Foto abgebildet wird. In Bild 10.103 siehst du die Schärfentiefe als hellblauen Bereich. Die strichlierte Linie zeigt die scharf gestellte Entfernung.

Unterschiedliche Schärfentiefe

Bild 10.103: Unterschiedliche Schärfentiefe

Die Größe der Blende hat nicht nur einen Einfluss auf die einfallende Lichtmenge, sondern auch auf die Größe der Schärfentiefe (Bild 10.104)

Aufnahme mit unterschiedlicher Blendenzahl

Bild 10.104: Aufnahme mit unterschiedlicher Blendenzahl

Den Grund, warum eine weit geöffnete Blende eine kleine Schärfentiefe bewirkt siehst du im interaktiven Bild 10.105.

Entstehung von Unschärfe

Bild 10.105: Entstehung von Unschärfe

Wurde auf eine bestimmte Entfernung scharf gestellt, werden alle Punkte (A) in dieser Entfernung scharf (also als Punkt) auf der Filmebenen abgebildet (Punkt A’). Punkte vor (B) oder hinter dieser Entfernung (C) werden als Scheibe (B’ und C’) abgebildet und sind damit unschärfer. Je mehr Randstrahlen (10.10.10) durch die Linse kommen (je weiter die Blende geöffnet ist und je kleiner die Blendenzahl), desto größer fällt die Unschärfe aus.

10.11.6 Verschluss und Verschlusszeit

Zwischen Blende und Film/Sensor befindet sich ein lichtundurchlässiger Verschluss (engl. shutter). Wird der Auslöser der Kamera gedrückt, öffnet sich der Verschluss und Licht fällt für eine bestimmte Zeit auf den Film/Sensor.

Die Dauer der Öffnung wird als Verschlusszeit (engl. exposure time) bezeichnet. Sie wird in Sekunden angegeben. Üblicherweise kann man zwischen fix vorgegebenen Verschlusszeiten wählen, zum Beispiel

\[ 1/500\;\text{s},\;1/250\;\text{s},\; 1/125\;\text{s},\; 1/60\;\text{s},\; 1/30\;\text{s},\; 1/15\;\text{s},\; 1/8\;\text{s},\; 1/4\;\text{s},\; 1/2\;\text{s},\; 1\;\text{s} \]

Wie bei der Blende (10.11.4), sind auch die Werte der Verschlusszeiten so gewählt, dass sich die Menge des Lichts bei jedem darauf folgenden Wert verdoppelt. Bei einer Verschlusszeit von \(1/500\;\text{s}\) fällt nur halb so viel Licht auf den Film/Sensor, wie bei einer Verschlusszeit von \(1/250\;\text{s}\).

Die Verschlusszeit ist ein wichtiger Rolle bei bewegten Motiven. Je schneller das Motiv, desto kürzer musst du die Verschlusszeit wählen, um ein scharfes Motiv zu erhalten.

Verschlusszeit und bewegte Motive

Bild 10.106: Verschlusszeit und bewegte Motive

Du kannst aber auch eine lange Verschlusszeit wählen und die Kamera während der Aufnahme mit dem Motiv mitbewegen. Dadurch erhältst du ein scharfes Motiv und einen durch die Bewegung unscharfen Hintergrund (Bild 10.107).

Aufnahme mit mitbewegter Kamera

Bild 10.107: Aufnahme mit mitbewegter Kamera

10.11.7 Korrekte Belichtung

Sowohl Blendenöffnung als auch Verschlusszeit beeinflussen die Menge des Lichts, das auf dem Film/Sensor trifft. Fällt zu viel Licht ein, erhältst du ein zu helles, überbelichtetes Bild. Ist es zu wenig Licht, erhältst du ein zu dunkles, unterbelichtetes Bild. Um ein optimal belichtetes Bild zu erhalten, müssen Blende und Verschlusszeit aufeinander abgestimmt werden (interaktives Bild 10.108).

Blende und Verschlusszeit

Bild 10.108: Blende und Verschlusszeit

Jetzt wird dir klar, warum sowohl Verschlusszeiten als auch die Blendenzahl so gewählt wurden, dass sich die Lichtmenge immer verdoppelt oder halbiert. Erhältst du bei der Kombination \(\text{f-}4\) (Blende) und \(1/30\;\text{s}\) (Verschlusszeit) ein optimal belichtetes Bild, gilt das ebenso für die Kombinationen \(\text{f-}5{,}6\) und \(1/15\;\text{s}\) oder \(\text{f-}8\) und \(1/8\;\text{s}\).

Willst du eine geringe Schärfentiefe, so dass Bereiche vor und hinter der Scharfstellungebene unscharf werden, musst du eine kleine Blendenzahl (große Blendenöffnung) und eine entsprechende kurze Verschlusszeit verwenden. Willst du auf deiner Aufnahme Bewegungsunschärfe, musst du eine lange Verschlusszeit und eine entsprechend große Blendenzahl (kleine Blendenöffnung) wählen.

Alle modernen Kameras haben einen Automatik-Modus, der in Abhängigkeit von der Lichtsituation und dem Motive automatisch die richtige Kombination aus Blendenöffnung und Verschlusszeit für dich wählt. Das garantiert optimal belichtete Bilder, schränkt aber deine Gestaltungsfreiheit ein. Aus diesem Grund haben die meisten Kameras Möglichkeiten diese Automatik teilweise oder ganz auszuschalten.

Kamera Betriebsartenwahl

Bild 10.109: Kamera Betriebsartenwahl

Du findest dazu auf dem Einstellrad der Kamera (Bild 10.109) folgende Modi:

  • Blendenautomatik (Einstellung S wie shutter priority). Du wählst die Belichtungszeit. Die Kamera wählt die dazu passende Blendenzahl.

  • Zeitautomatik (Einstellung A wie aperture priority). Du wählst die Blendenzahl. Die Kamera wählt die dazu passende Belichtungszeit.

  • Manuelle Belichtungssteuerung (Einstellung M). Du kannst Blendenzahl und Belichtungszeit selbst bestimmen.

10.11.8 Filmempfindlichkeit und ISO-Wert

Fotografische Filme gibt es in unterschiedlicher Filmempfindlichkeit (engl. film speed), die durch eine ISO Nummer gekennzeichnet sind.

\[ 100\quad 200\quad 400\quad 800\quad 1600\quad 3200\quad 6400\quad \ldots \]

Je höher die Zahl, desto weniger Licht wird beim Fotografieren benötigt, um ein optimal belichtetes Bild zu erhalten (Bild 10.110). Auch die Werte für Lichtempfindlichkeit der Filme wurden so gewählt, dass jede höhere Stufe doppelt so empfindlich wie die vorhergehende ist, daher nur die halbe Lichtmenge für ein gleich belichtetes Foto benötigt.

Gleiche Blende und Verschlusszeit bei unterschiedlicher Filmempfindlichkeit

Bild 10.110: Gleiche Blende und Verschlusszeit bei unterschiedlicher Filmempfindlichkeit

Grob gilt:

  • ISO 100–200: Normales Tageslicht
  • ISO 400–800: Bedeckter Himmel / Dämmerung
  • ISO 1600–6400: Nachts oder in dunklen Innenräumen

Je höherer die Filmempfindlichkeit, desto schlechter die Bildqualität, weil der Film gröberes Filmkorn enthält. Bei dem vergrößerten Bildausschnitt 10.111 kannst du den Unterschied sehen.

Vergleich Bildqualität ISO-100 mit ISO-3200

Bild 10.111: Vergleich Bildqualität ISO-100 mit ISO-3200

In Digitalkameras gibt es jeweils nur einen fix verbauten Bildsensor. Dieser hat eine maximale Empfindlichkeit, bei der noch ein passables Foto gelingt. Stellst du auf der Kamera einen kleineren ISO-Wert ein, regelt eine Software die Empfindlichkeit des Bildsensors herunter. Obwohl ein Bildsensor vollkommen anders als ein fotographischer Film funktioniert, wird auch in der Digitalfotografie die Bildqualität bei hohen ISO-Werten schlechter. Je weniger Licht auf den Sensor fällt, desto mehr macht sich das Bildrauschen bemerkbar. Auch die Größe des Bildsensor spielt eine Rolle – je größer die Fläche auf die das Licht auftrifft, desto besser das Bild.

10.11.9 Handykameras

Vermutlich trägst du die meiste Zeit eine Kamera bei dir. Obwohl Smartphones aufgrund ihrer Größe nur sehr kleine Objektive und Bildsensoren besitzen, machen sie schon erstaunlich gute Fotos und sogar Profis verwenden immer häufiger Smartphone Kameras für ihre Arbeit.

Smartphones besitzen meisten nur einen digitalen Zoom. Dabei wird nur der Ausschnitt des Bildes vergrößert. Die Qualität des Bildes sinkt dabei.

Smartphone mit mehreren Kameras

Bild 10.112: Smartphone mit mehreren Kameras

Aufgrund des kleinen Objektivdurchmessers von Handykameras lässt sich nur schlecht eine kleine Schärfentiefe erzeugen. Bei Handys mit mehreren Kameras (Bild 10.112) erhält die Software, wie bei dem Sehen mit zwei Augen, durch die unterschiedliche Blickwinkel (Parallaxen) eine Tiefeninformation. Ein Programm, dass auf das Erkennen von Personen und Haustiere trainiert wurde, versucht zunächst das Motiv zu erkennen und rechnet dann Unschärfe in die Bereiche vor und hinter dem Motiv in das Bild hinein (synthetische Unschärfe). Dieses Verfahren liefert meist erstaunlich gute Ergebnisse, funktioniert aber nicht immer.

Die Kombination aus kleinem Objektiv und kleinem Bildsensor führt bei schlechten Lichtverhältnissen zu stark verrauschten Bildern, im Vergleich zu Foto-Kameras.

Es gibt also nach wie vor Gründe, eine Foto-Kamera zu verwenden.

10.11.10 Kameratypen

Willst du dir eine Kamera zulegen, kannst du zwischen den folgenden Bauformen wählen:

Kompaktkamera, Spiegelreflexkamera, Systemkamera (von links nach rechts)

Bild 10.113: Kompaktkamera, Spiegelreflexkamera, Systemkamera (von links nach rechts)

Kompaktkameras haben ein fix verbautes Objektiv und sind gute allround Kameras für Schnappschüsse. Sie sind kleiner und kompakter als Spiegelreflex- und Systemkameras und eignen sich gut für Aufnahmen unterwegs.

Spiegelreflexkameras und Systemkamera bieten die Möglichkeit, das Objektiv zu tauschen und so an die Aufnahmesituation anzupassen. Neben dem Normalobjektiv gibt zum Beispiel Teleobjektive für Sport- und Naturfotografie, Weitwinkelobjektive für Landschaftsfotografie oder Fischaugenobjektive für die KunstFotografie.

Zu Beginn der digitalen Fotografie konnten Spiegelreflexkameras schneller automatisch scharfstellen und waren Systemkameras überlegen. Heute gibt es diesen Unterschied nicht. Im Gegenteil: Systemkameras sind meist kleiner, haben weniger mechanische Teile und können schneller aufnehmen, weil das Wegklappen des Spiegels entfällt. Einige Fotographen entscheiden sich auch heute noch für eine Spiegelreflexkamera. Die Wahl für eine Kamera ist eben auch Geschmackssache.