Ratgeber

Beugung bei kleinen Blenden

In der Vergangenheit wählten viele Fotografen kleine Blenden, um schärfere Bilder zu erhalten. Bei digitalen Kompaktkameras führen kleine Blenden jedoch zu Schärfeverlusten - ein Beugungsproblem. In Bezug auf die Beugung haben Digitalkameras mit großen Pixeln Vorteile. Hier kann der Fotograf auch kleinere Blenden bis Blende 11 wählen, ohne dass die Auflösung sinkt. CCDs oder CMOS-Sensoren mit großen Pixeln sind allerdings meist auf digitale Spiegelreflexkameras mit großen Sensoren beschränkt. Bei Consumerkameras mit kleinen Pixeln sollte man deswegen maximal bis Blende 5,6 abblenden und kleinere Blenden wie 8 unbedingt vermeiden, da sonst die Auflösung sichtbar sinkt. Hinsichtlich der Schärfentiefe sind größere Blenden bei kleinen Sensoren unproblematisch: Bei kleinen Sensoren nimmt die Schärfentiefe zu, sodass kleine Blenden weniger wichtig sind.

Aufmacher

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Es gibt zahlreiche physikalische Phänomene, die sich geometrisch nicht erklären lassen. Ein einfaches Beispiel ist eine Wasserwelle, die eine schmale Hafeneinfahrt erreicht. Diese etwa von einem Schiff ausgelöste Welle läuft nun aber nicht durch die Einfahrt hindurch geradlinig ins Hafenbecken. Stattdessen entsteht in der Hafeneinfahrt eine neue Welle, die aussieht, als wäre in der Einfahrt ein Stein ins Wasser geworfen worden. Sie können die neue Welle an Stellen im Hafen sehen, von denen aus Sie das Schiff, dass sie verursacht hat, nicht sehen können.

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Ähnlich ist es auch mit dem Licht. Stellen Sie sich zunächst das Licht als Teilchen vor, das vom Motiv durch das Objektiv und die Blende auf den CCD trifft. Dann sollte sich das Licht geradlinig ausbreiten und exakt entsprechend der Abbildungsgesetze hinter der Blende auf den Sensor treffen. Das ist aber nicht der Fall. Das Licht fällt auch in Bereiche, an denen man es nicht finden dürfte, wenn es sich ausschließlich wie ein Teilchen verhielte. Solange es nur um die Wirkung der verschiedenen Linsen, also die Abbildung des Motivs auf den CCD geht, nutzen alle das Teilchenbild zur Berechnung. Zugleich verhält sich das Licht aber immer auch wie eine Welle: Auch das beste Objektiv kann kein punktförmiges Abbild erzeugen, sondern es entsteht grundsätzlich ein Beugungsscheibchen. Die Größe dieses Beugungsscheibchen hängt nun nicht von den eingesetzten Linsen - deren Krümmung oder Brechungsindices - ab, sondern von der Größe der Blende: Das Beugungsscheibchen ist umso breiter, je kleiner die Blende wird. Groß geöffnete Blenden, etwa Blende 2,8, erzeugen wesentlich kleinere Beugungsscheibchen als kleine Blenden, wie Blende 16. (Die Blendenzahl, z. B. 16, steht reziprok zur tatsächlichen Blendenöffnung: große Blendenzahlen stehen also für kleine Blenden.) Der Radius des von Blende 16 erzeugten Beugungsscheibchen ist fast 6-mal so groß wie der von Blende 2,8. Um dieses helle Zentrum befinden sich weitere helle und dunkle Ringe, wobei die Helligkeit nach außen hin schnell abnimmt. Für die folgende Betrachtung interessiert deswegen nur das mittlere Beugungsscheibchen.

Beugungsbild

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Das Beugungsbild zeigt ein helles Zentrum, das von hellen und dunklen Ringen umgeben ist, wobei die Helligkeit nach außen hin schnell abnimmt.

Die Beugung begrenzt die Auflösung Wenn mit der Blendenzahl auch das Beugungs- oder Airy-Scheibchen wächst, ist ein Punkt entscheidend: "Ab wann begrenzt die Beugung die Detailwiedergabe, also die Auflösung?" Dazu ist zunächst einmal zu fragen, ab wann nimmt der Mensch die Beugungsscheibchen als getrennte Punkte wahr? Diese Untersuchung wurde 1879 von Lord Rayleigh durchgeführt und veröffentlicht. Sie zeigt, dass die Intensität des Bereichs zwischen 2 Airy-Scheibchen auf 81 Prozent der Maximalintensität abgefallen sein muss, damit das Auge die Scheibchen als getrennt erkennt. Das ist genau dann der Fall, wenn die Maxima der Beugungsscheibchen einen Abstand haben, der dem Radius eines Scheibchens entspricht.

Auf die Pixel einer digitalen Kamera übertragen sollte deswegen der Radius des Beugungsscheibchens kleiner sein als der Abstand zwischen 2 Pixeln: So kann der linke Pixel das linke Beugungsscheibchen erfassen und der rechte das rechte. Der Fotograf sollte also wissen: Was ist die kleinste Blende, bei der die Beugung die Auflösung meiner Kamera noch nicht begrenzt, wie groß darf das Beugungsscheibchen sein? Um die maximal zulässige Größe des Beugungsscheibchens zu berechnen, muss man die Pixelgröße oder zumindest den Abstand der Pixelmittelpunkte kennen. Hierzu kann man die Sensorbreite durch die Anzahl an Pixeln teilen und erhält den Abstand der Pixelmittelpunkte.

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Wie die Tabelle mit der begrenzenden Blende zeigt, beginnt bei den digitalen SLRs die Auflösungsbegrenzung durch Beugung in der Regel ab zirka Blende 11. Bei Konsumerkameras kann bereits ab Blende 4 ein sichtbarer Auflösungsverlust eintreten. Unsere Beispielbilder von der Panasonic LX-1 zeigen bereits bei Blende 5,6 eine Verschlechterung der Auflösung.

Auflösungsdiagramm Panasonic LX-1

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Panasonic LX-1, Tele: Bei Blende 8 führt die Beugung zu einem deutlich geringeren Kontrast, besonders bei höheren Frequenzen (feinen Strukturen).
Grafik Beugungsfigur

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Die Zeichnung zeigt die Beugungsfigur von zwei Punkten: Wenn die Beugungsmaxima einen Abstand haben, der dem Radius der Beugungsfigur entspricht, dann nimmt sie das Auge bei hinreichender Vergrößerung gerade noch als getrennt wahr. Entsprechend gilt, dass auch der CCD nur solche Details auflöst, deren Beugungsmaxima erkennbar auf unterschiedliche Pixel treffen: Der Grenzwert ist erreicht, wenn der Radius der von der Blende erzeugten Beugungsfigur dem Abstand Pixelmitte zu Pixelmitte entspricht. Wer stärker abblendet, erzeugt eine breitere Beugungsfigur, die nun die Auflösung unter die Möglichkeiten des Sensors drückt.

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