Direkt zum Inhalt

Ausblick

Fotoapparat

Aufbau

Die folgende Animation zeigt dir die wichtigsten Bestandteile eines Fotoapparates (hier speziell der Spiegelreflexkamera).

Abb. 1 Aufbau und Funktionsweise einer Spiegelreflexkamera

Das Objektiv ist meist ein System von Linsen, das insgesamt wie eine Sammellinse wirkt. Durch die Kombination verschiedener Linsen (z.T. aus verschiedenem Glas) werden Farbfehler und Verzerrungen - insbesondere an den Bildrändern - vermieden. Die nebenstehende Abbildung zeigt u.a. die komplizierten Aufbau des Objektivs. Für das Objektiv sind zwei Kenngrößen wesentlich:

Die Brennweite f des Objektivs, welche den Öffnungswinkel bei der Aufnahme bestimmt.

Die Lichtstärke L des Objektivs. Sie gibt - salopp gesagt - an, wie viel Licht das Objektiv bei voll geöffneter Irisblende auf den Film lässt. Eine typische Angabe für die Lichtstärke L = d/f (d: Durchmesser der Frontlinse des Objektivs) ist z.B. L = 1 : 2,0.

Bei einem Objektiv mit f = 60mm heißt dies, dass die Eingangslinse einen Durchmesser von 30mm hat. Bei der Lichtstärke 1 : 4 hätte die Eingangslinse nur noch 15mm Durchmesser. Es kommt also weniger Licht ins Objektiv, die Anordnung ist unempfindlicher, dafür aber meist billiger.

Damit der Film bei der Aufnahme die für ihn richtige "Lichtmenge" erhält, kann man diese auf zwei Arten beeinflussen:

Durch die Irisblende, meist als Kreisblende mit variabler Öffnung ausgeführt, sie begrenzt die Lichtmenge.

Durch den Verschluss. Er gibt für eine bestimmte, einstellbare Zeit den Lichtweg zum Belichten des Films frei. Die Zeiten variieren von einigen Sekunden bis zu Millisekunden.

Bei Spiegelreflexkameras wird vor und nach der Aufnahme das Licht, welches durch das Objektiv trifft durch einen Spiegel und ein Prisma zum Sucher umgelenkt. Dies hat den Vorteil, dass man im Sucher ziemlich exakt den Bildausschnitt sieht, der bei der Aufnahme auf dem Film zu sehen ist.

Bei Sucherkameras sind Sucher und Objektiv entkoppelt. Insbesondere bei Nahaufnahmen kann es vorkommen, dass der Bildausschnitt den man im Sucher sieht nicht genau mit dem übereinstimmt, der später auf dem Film zu sehen ist. Dieser Nachteil wird durch die Möglichkeit einer sehr kompakten Bauweise zum Teil kompensiert.

Objektive

Hier soll nicht der Aufbau des Objektive aus einzelnen Linsen besprochen werden, sondern der Einfluss der Brennweite für den Bildwinkel.

Zusammenhang zwischen Bildgröße und Brennweite

Zunächst sollst du dir an der folgenden Animation den Einfluss der Brennweite eines Objektivs auf die Bildgröße eines Gegenstandes klarmachen.

Abb. 3 Bildentstehung in einem Fotoapparat bei Weit-, Normal- und Teleobjektiv

Der abzubildende Gegenstand soll relativ weit vom Objektiv entfernt sein, so dass das Bild nahezu in der jeweiligen Brennebene entsteht.

Man sieht aus der Animation, dass mit zunehmender Brennweite des Objektivs das Bild des Gegenstandes immer größer wird.

Zusammenhang zwischen Öffnungswinkel und Brennweite

Würde das mit dem Weitwinkelobjektiv aufgenommene Bild des Gegenstandes auf einem Kleinbildfilm (24mm x 36mm) gerade Platz finden, so hätte das mit dem Normal- bzw. Teleobjektiv entworfene Bild auf dem Kleinbildfilm nicht mehr Platz. Man bekommt also auf dem Kleinbildfilm bei diesen Objektiven nur noch einen Ausschnitt des Gegenstandes abgebildet.

Abb. 4 Öffnungswinkel in einem Fotoapparat bei Weit-, Normal- und Teleobjektiv

Denkt man sich einen Kleinbildfilm jeweils in der Brennebene der verschiedenen Objektive angebracht, so kann man den Öffnungswinkel des Objektivs ermitteln. Alle im rosa markierten Winkelfeld befindlichen Gegenstände können durch das jeweilige Objektiv noch abgebildet werden.

In der folgenden Tabelle sind verschiedene Objektivtypen dargestellt. In der Regel wächst die Größe des Objektivs mit der Brennweite (warum?). Darunter ist jeweils das Bild eines Schlosses dargestellt, das bei gleichem Aufnahmestandpunkt mit den verschiedenen Objektiven fotografiert wurde.

Weitwinkelobjektiv
f = 28mm | α = 75°
Normalobjektiv
f = 50mm | α = 47°
Teleobjektiv
f = 135mm | α = 18°

Zoom-Objektive

In letzter Zeit erfreuen sich Zoomobjektive großer Beliebtheit. Bei diesen Objektiven kann man zwischen zwei konstruktiv bedingten Grenzbrennweiten stufenlos jede gewünschte Brennweite einstellen (z.B. 28mm - 100mm). Die Abbildungsqualität wurde in den letzten Jahren stark verbessert, so dass bei guten und damit meist auch teuren Objektiven Unterschiede in der Schärfe zu festbrennweitigen Objektiven kaum mehr sichtbar sind. Zoomobjektive haben aber meist eine geringere Lichtstärke als Objektive mit fester Brennweite. Aufgrund der zahlreicheren Linsen "schluckt" dieses Objektiv mehr Licht, d.h. man muss bei gleicher Filmempfindlichkeit meist länger belichten als bei festbrennweitigen Objektiven mit größerer Lichtstärke. Dafür hat man mit einem Zoomobjektiv ein Weitwinkel-, ein Normal- und ein Teleobjektiv in einem.

Blende (nur für Experten)

Joachim Herz Stiftung
Abb. 5 Ausgeleuchtete Fläche

Wie die obige Animation zeigt, ist die Bildgröße \(B\) proportional zur Brennweite \(f\). Man kann leicht einsehen, dass dies auch für die Bildbreite gilt. Bei Verdoppelung (Verdreifachung, . . . ) der Brennweite vervierfacht (verneunfacht, . . . ) sich die ausgeleuchtete Fläche (vgl. Abb. 5).

Da bei festem Objektivdurchmesser \(d\) nur eine bestimmte "Lichtmenge" durch das Objektiv gelangt, erhält jede Flächeneinheit in der Filmebene weniger Licht: Bei Verdoppelung (Verdreifachung, . . .) der Brennweite erhält dann eine Flächeneinheit ein Viertel (Neuntel, . . .) der "Lichtmenge" wie bei einfacher Brennweite. Daher muss man die Belichtungszeit T für den Film vervierfachen (verneunfachen, . . .). Allgemein gilt \(T \sim {f^2}\quad (1)\).

Die Belichtungsdauer hängt jedoch nicht nur von der Brennweite ab, sondern auch von dem Flächeninhalt \(A\) der Frontlinse, durch die das Licht in das Objektiv treten kann. Bei Verdoppelung (Verdreifachung, . . .) der Frontlinsenfläche, verdoppelt (verdreifacht, . . .) sich auch die Lichtmenge pro Flächeneinheit auf der Filmebene. Dies bedingt, dass man dann die Belichtungszeit halbieren (dritteln, . . .) kann. Allgemein gilt \(T \sim \frac{1}{A}\).

Da die Frontfläche proportional zum Quadrat des Durchmessers \(d\) ist (Analogie zum Quadrat, dessen Fläche auch proportional zum Quadrat der Seitenlänge ist) gilt \(T \sim \frac{1}{{{d^2}}}\quad (2)\)

Fasst man \((1)\) und \((2)\) zusammen, so kann man schreiben\[T \sim {\left( {\frac{f}{d}} \right)^2}\quad (3)\]In der folgenden Tabelle steigt der Wert von \({\left( {\frac{f}{d}} \right)^2}\) jeweils um den Faktor \(2\). Dies bedeutet, dass die\(\frac{f}{d}\)-Werte jeweils um den Faktor \(\sqrt 2 \) zunehmen.

\[{\left( {\frac{f}{d}} \right)^2}\] 2 4 8 16 32 64 128 256 512
\[\frac{f}{d}\] 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11 16 22
 

Wie du durch Vergleich mit dem nebenstehend abgebildeten Objektiv siehst, sind die\(\frac{f}{d}\)-Werte die am Objektiv angetragenen Blendenzahlen. Verändert man z.B. die Blendenzahl von 5,6 auf 8, so bedeutet dies bei gleicher Brennweite eine Verkleinerung des Durchmessers der Irisblende (vgl. auch unteres Bild). Da bei diesem Vorgang \({\left( {\frac{f}{d}} \right)^2}\) verdoppelt wird (von 32 auf 64), muss wegen \((3)\) auch die Belichtungszeit verdoppelt werden, wenn die gleiche Lichtmenge auf den Film fallen soll.

 

Je kleiner die Blendenzahl ist, desto größer ist der Radius der Irisblende.

Geht man von einer Blendenzahl zur nächst höheren, so muss man die Belichtungszeit verdoppeln.

Informationsspeicherung

Verwendung eines Films ("chemische" Fotografie)

Am Ort des vom Objektiv entworfenen reellen Bildes befindet sich ein Film mit lichtempfindlicher Schicht (beim Schwarz-Weiß-Film ist dies eine Brom-Silber-Gelatine). Je nach der Intensität des auftreffenden Lichts werden im Film mehr oder weniger viele chemische Reaktionen ausgelöst. Es entsteht ein unsichtbares, aber entwickelbares Bild vom Gegenstand, das sogenannte latente Bild. Dieses Bild ist bei normalen Temperaturen stabil. Der Film dient also bei der "chemischen" Fotografie als Sensor und Speicher.

Im Fotolabor wird der Film durch eine Reihe von chemischen Prozessen entwickelt. Vom entwickelten Film können schließlich durch das Belichten von Fotopapieren Bilder hergestellt werden.

Auf die chemischen Prozesse und Details soll hier nicht eingegangen werden. Für die Praxis ist es aber wichtig zu wissen, dass sowohl die Schwarz-Weiß- als auch die Farbfilme in verschiedener Empfindlichkeit zu kaufen sind. Die Empfindlichkeit ist weltweit genormt:

ISO*100: geeignet für Fotografie im Freien bei hellem Sonnenlicht

ISO 200: geeignet für Außenaufnahmen oder für Aufnahmen in sehr hellen Räumen

ISO 400: geeignet für Innenaufnahmen

ISO 1000 oder 1600: geeignet für Innenaufnahmen, wenn Blitzlicht vermieden werden soll

 *ISO (International Standards Organization)

 

Verwendung von lichtempfindlichen Halbleitermaterialien ("elektronische" Fotografie)

Bei den Digitalkameras wird anstelle des Films ein sogenanntes CCD (charge coupled device; zu deutsch: ladungsgekoppeltes Schaltelement) verwendet. Dies ist ein elektronisches Bauelement, dessen lichtempfindliche Fläche meist kleiner ist als die Bildfläche beim herkömmlichen Film. Sie besteht aus sehr vielen schachbrettartig angeordneten lichtempfindlichen Elementarbausteinen aus Halbleitermaterial (Pixel).

Bei Lichteinstrahlung sammeln sich in den Elementarbausteinen elektrische Ladungen an und zwar umso mehr, je intensiver die Strahlung ist. Der Ladungszustand der Einzelbausteine wird nach einer bestimmten Zeit durch elektronische Maßnahmen auf einer separaten Speicherkarte festgehalten und der Ladungszustand auf dem CCD gelöscht. Dann ist die Kamera für eine neue Aufnahme bereit. Bei der elektronischen Fotografie liegt also eine Trennung von Sensor und Speicher vor.