Grundlagen der Optik: Wie man Objektive und Kamerasensoren miteinander vergleicht

Fotografen interessieren sich meist für Zahlen – Blende, Brennweite, ISO etc. – aber die Mehrheit weiß nicht, was im Hintergrund der Kamera abläuft. Mit etwas gesundem Menschenverstand erläutern wir die Beziehungen zwischen den verschiedenen Sensoren, Objektiven und letztendlich den Bildergebnissen.

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Zunächst beginnen wir mit der Beschreibung der Grundlagen des Lichts.

Das Licht wird vom Objekt reflektiert

Vergessen Sie die Brennweite, Lichtstärke oder die Auflösung und stellen Sie sich vor, dass Sie eine reinweiße Wand fotografieren. Auf die Szene fällt Licht aus der Umgebung und jeder Punkt an der Wand reflektiert das Licht gleichmäßig in alle Richtungen. Somit erhält jeder kleine Lichtstrahl seinen Teil der Lichtenergie.

Reflexion des Lichts von der Wand. Die einfallenden Photonen werden in alle Richtungen reflektiert.

Reflexion des Lichts von der Wand. Die einfallenden Photonen werden in alle Richtungen reflektiert.

 

Das Objektiv ist eine einfache Vorrichtung, die in der Lage ist, einen Teil dieser Strahlen einzufangen, und diese auf den Sensor der Kamera zu lenken. Die Sensorgröße spielt in diesem Fall keine Rolle. Ob sich hinter dem Objektiv ein großer oder kleinerer Sensor befindet, ist relativ irrelevant, da man dies mit einem anderen Schärfen regelt. Selbst unser Experiment “Camera obscura” hat gezeigt, dass selbst ein kleines Objektiv (Loch in der Folie) in der Lage ist, das Licht auf einen großen Sensor (die Wand des Raumes) zu projizieren.

Verschiedene Sensoren

Die Sensorgröße ist irrelevant. Hinter dem physisch gleichgroßen Objektiv kann sich ein kleiner oder großer Sensor befinden.

Ein besseres Objektiv fängt selbst weiter entferntere Lichtstrahlen ein. Selbstverständlich muss hierdurch die Linse im Objektiv größer und schwerer sein.

größeres Objektiv mehr Licht

Ein größeres Objektiv fängt mehr Licht ein.

Das Objektiv fotografiert jedoch nicht nur einen einzigen unendlich kleinen Punkt und unendlich kleinen Moment.

Es fotografiert nämlich eine größere Fläche und die Bildentwicklung benötigt daher etwas Zeit. Somit fällt auf den Sensor eine bestimmte Anzahl an Photonen, die Sie sich so vorstellen können:

[Fotografierte Fläche der Szene] x [erfasste Photonen eines Punktes der Szene] x [Zeit]

(Ich entschuldige mich für die Formel, aber danach wird alles einfacher).

Licht von mehreren Punkten

Das Objektiv fängt das Licht von allen erfassten Punkten ein.

Jetzt stellen Sie sich vor, dass Sie den Aufnahmewinkel ändern und einen viel kleineren Bereich der Wand erfassen möchten. Doch irgendwas stimmt hier nicht. Die fotografierte Fläche ist kleiner, also sollte man doch ein dunkleres Bild erhalten.

Das würde normalerweise auch passieren, wenn in der Praxis nicht noch ein weiterer Prozess ablaufen würde. Das Objektiv nutzt nämlich beim Zoomen gleichzeitig eine größere Blendenöffnung, mit der das Licht eingefangen wird. Somit wird zwar eine kleinere Fläche erfasst, aber gleichzeitig werden bei jedem Punkt mehr Lichtstrahlen eingefangen. Das geschieht alles „ohne das Sie etwas davon bemerken“, das Objektiv löst die Sache nämlich automatisch. Sie können ein beliebiges Zoomobjektiv von vorne betrachten und die Brennweite ändern – Sie werden eine sich vergrößernde bzw. verkleinernde Öffnung bemerken.

Ein Weitwinkelobjektiv hat beim „Heranzoomen“ nicht die gleiche Öffnung, aber es kommt automatisch zur Vergrößerung der Öffnung.

Ein Weitwinkelobjektiv hat beim „Heranzoomen“ nicht die gleiche Öffnung, aber es kommt automatisch zur Vergrößerung der Öffnung.

Problem der Objektivparameter

Das Problem beim Vergleich verschiedener Fotosysteme liegt darin, dass wir ganz einfach gesagt keine Informationen zu der Größe der Öffnung im Objektiv erhalten. Die Zahlen, die wir auf den Objektiven sehen, sind nur Abstraktionen, die auf der Grundlage der Sensorgröße basieren. Beispielsweise ist die Brennweite kein physisches Maß irgendeiner Linse, sondern eine virtuelle Zahl, die so eingestellt ist, damit der Aufnahmewinkel aus der Realität dem Bild auf der Aufnahme entspricht.

Die Brennweite f ist nur eine virtuelle Zahl, damit der richtige Aufnahmewinkel in diesem Bild aufgeht. Die Brennweite ist von der Sensorgröße s abhängig und ergibt ohne sie keinen Sinn.

Die Brennweite f ist nur eine virtuelle Zahl, damit der richtige Aufnahmewinkel in diesem Bild aufgeht. Die Brennweite ist von der Sensorgröße s abhängig und ergibt ohne sie keinen Sinn.


Ähnlich sieht es bei den restlichen Parametern aus. Im Endeffekt erhalten wir eine ganze Reihe, wo jeder Begriff auf dem Begriff des vorherigen Begriffs basiert.

Sensorgröße ← Brennweite ← Lichtstärke/Blende ← ISO.

Die Sensorgröße ist die einzig fixe Zahl. Der Rest steht in relativer Verbindung hierzu.

Die Brennweite wird durch die vorige Darstellung bestimmt.

Die Lichtstärke sagt uns, wie wir die Brennweite dividieren müssen, um die Blende zu öffnen, durch die das Licht strömt. Eine gängige Schreibweise wie bspw. f/4 ist sozusagen schon eine fertige mathematische Formel.

Der ISO Wert (Lichtempfindlichkeit) ist abhängig von der konkreten Lichtstärke (und weiteren Faktoren). Ferner ist der Wert von der Größe des Sensors abhängig. Ein ISO 100 Wert ist nämlich bei einem Micro Four Thirds Sensor (Cropfaktor 2x) etwas anderes, als ein ISO 100 Wert bei einem Vollformatsensor (Cropfaktor 1x) → im ersten Fall ist die Lichtempfindlichkeit viermal höher.

Wie man Objektive vergleicht

Falls wir Objektive miteinander vergleichen möchten, dann muss man auch mathematische Berechnungen durchführen. Es genügt also nicht, einfach nur die Zahlen miteinander zu vergleichen, welche die Hersteller angeben.

Am häufigsten wird die Umrechnung auf die Größe eines Vollformatsensors genutzt (bspw. bei Nikon Kameras des Typs FX, bei Canon die Modellreihe 5D usw.). Die anderen Systeme haben einen sogenannten Cropfaktor. Dieser gibt uns die Auskunft darüber, dass der Sensor der Fotokamera kleiner als ein Vollformatsensor ist. Crop 2x bedeutet eine 2x kleinere Diagonale als Full Frame, also eine viermal kleinere Sensorfläche.

Wir haben bereits erwähnt, dass alle Zahlen künstlich anhand der Sensorgröße definiert wurden. Daher ist notwendig, nicht nur die Brennweite umzurechnen, sondern auch die Lichtstärke/Blende und ggf. auch die ISO. Sie müssen die entsprechende Zahl mit dem Cropfaktor multiplizieren. Die ISO multiplizieren Sie immer mit dem Cropfaktor hoch 2 (ISO x Cropfaktor²). Im Endergebnis erhalten Sie so beispielsweise eine umgerechnete Brennweite auf einen Vollformatsensor.

Ein paar Berechnungsbeispiele

Falls Sie eine identische Aufnahme mit zwei unterschiedlichen Sensorsystemen machen möchten, dann werden Sie aufgrund dieses Durcheinanders bei jedem System eine andere Brennweite, Blende und ISO verwenden müssen.

Unter einer identischen Aufnahme versteht man ein Foto mit dem gleichen Aufnahmewinkel, der gleichen Tiefenschärfe und auch dem gleichen Rauschen. Die Bilder kann man praktisch nicht mehr voneinander unterscheiden. Voraussetzung ist, dass es nicht zu überhellen Bildstellen gekommen ist und dass wir Sensoren verwendet haben, die in etwa auf dem gleichen technologischen Stand sind (also nicht das ein Sensor 10 Jahre älter und beträchtlich schlechter ist).

Zur Illustration führe ich mehrere Beispiele auf, bei dem die Aufnahmen identisch sind. Sie werden bemerken, dass bei jedem Beispiel die gleiche Verschlusszeit verwendet wurde. Der Grund hierfür ist, dass die Verschlusszeit die einzige absolute Zahl ist, d. h. Sie ist nicht relativ von der Sensorgröße abhängig.

Beispiel 1:
Vollformat (Cropfaktor 1x): Brennweite 100 mm, Blende f/4, ISO 400, Verschlusszeit 1/100 s
Micro Four Thirds (Cropfaktor 2x): Brennweite 50 mm, Blende f/2, ISO 100, Verschlusszeit 1/100 s

Beispiel 2:
Vollformat (Cropfaktor 1x): Brennweite 75 mm, Blende f/2.1,  ISO 225, Verschlusszeit 1/50 s
APS-C (Cropfaktor 1.5x): Brennweite 50 mm, Blende f/1.4, ISO 100, Verschlusszeit 1/50 s

Beispiel 3:
Vollformat (Cropfaktor 1x): Brennweite 26 mm, Blende f/9, ISO 1800, Verschlusszeit 1/1000 s
Mobil (Cropfaktor 6x): Brennweite 4.3 mm, Blende f/1.5, ISO 50, Verschlusszeit 1/1000 s

Ein häufiges Problem in den Spezifikationen und in den Tests

Hersteller und Tester geben gerne die Lichtstärke der Objektive für die Originalgröße des Sensors an, z. B. f/2, was übersetzt bedeutet: Nehmen Sie eine Brennweite f in Millimetern und dividieren Sie diese durch die Zahl 2. So erhalten Sie also die Größe der Blendenöffnung, mit der das Objektiv die “Photonen aufsaugt”.

Informationen über die ursprüngliche Brennweite f erhalten Sie jedoch nicht mehr. Stattdessen (vielleicht) erhalten Sie die Brennweite, die auf das Vollformat umgerechnet wurde. Sie können die neue Brennweite jedoch erneut durch 2 teilen, was bedeuten würde, dass das Loch in der Mitte des Objektivs plötzlich größer ist. Die ursprüngliche Lichtstärke bringt uns nichts. Sie müsste so umgerechnet werden, aber das hat man “vergessen”.

Worin es ein noch größeres Problem gibt

Das oben beschriebene Problem gab es jedoch schon immer, aber mit dem Markteintritt von Mobilgeräten, die mehrere Brennweiten besitzen, wird alles noch komplizierter. Jede Brennweite hat einen eigenen Sensor unterschiedlicher Größe.

Es kommt hierdurch zu einer komischen Situation. Nicht nur die Parameter des Mobilgeräts mit anderen Fotokameras kann man schwer vergleichen, sondern auch der Vergleich der einzelnen Kameras, die sich im Mobilgerät befinden, ist kompliziert.

Sie treffen oft auf Produkttests, wo Sie erfahren, dass das entsprechende Mobilgerät bspw. Fotokameras mit einer Lichtstärke von f/1.5, f/1.9 und f/2.4 besitzt. Es ist jedoch schwierig, diese Angaben miteinander zu vergleichen. Sie müssen nämlich weitere Parameter kennen und benötigen eine Datenbank mit Cropfaktoren sowie einen Taschenrechner, weil die genannten Werte sonst nicht brauchbar sind.

Ist überhaupt die Sensorgröße relevant?

Bis jetzt hatten wir den Eindruck, dass die Sensorgröße nur für die abgeleiteten Zahlen relevant ist. In der Praxis gibt es jedoch Unterschiede zwischen einem kleinen und großen Sensor.

Die Leistung von Vollformatkameras wird nur durch ein viel größeres Objektiv gewährleistet, welches in der Lage ist, sehr viele Photonen von einem bestimmten Punkt der Szene einzufangen. Paradoxerweise ist ein großer Sensor nur in Situationen besser, wo mehr Licht vorhanden ist.

Die aktuelle Sensortechnologie wird dadurch begrenzt, dass der Sensor während der Aufnahme Photonen auf sich einströmen lässt und diese speichert. Erst nach dem Ende der Aufnahme berechnet er, wie viele Photonen in unterschiedlichen Bildbereichen eingefangen wurden.

Die Kamerasensoren haben eine begrenzte Kapazität für die Aufnahme von Photonen und aktuell gilt, je größer die Sensorfläche, desto größer ist die Aufnahmekapazität. Sobald diese jedoch überschritten wird, werden die weiteren Photonen nicht mehr eingerechnet und im entsprechenden Bildbereich entsteht eine weiße Fläche, die sogenannte Überbelichtung.

Überbelichtung

Eine typische Überbelichtung – der Himmel im oberen Bildbereich war zu hell, und somit entstand eine einheitlich weiße Fläche.


Das bedeutet wiederum, dass ein großer Sensor gegenüber einer großen Lichtmenge resistenter gegenüber Überbelichtungen ist und diese erst bei längeren Verschlusszeiten auftreten. Bei kleineren Sensoren müssen wir jedoch viel früher mit der Aufnahme aufhören (es kann sich bspw. um einen Unterschied 1/100 gegenüber 1/1000 s handeln).

Der Durchbruch beginnt bei den Mobilgeräten

Die Technologien der Mobilgeräte sind in der Lage, viele Fotos schnell hintereinander zu machen und die gesammelten Informationen anschließend zusammenzurechnen bzw. jeweils einen Durchschnitt zu erstellen. Hierdurch sind diese Geräte in der Lage, viele Informationen zu sammeln und die Bildqualität deutlich zu erhöhen. Diese Vorgehensweise beim Zusammenstellen mehrerer Aufnahmen hat im Vergleich zu einer Aufnahme mit einer langen Verschlusszeit einen Vorteil. So können Sie beispielsweise, wenn Sie die Kamera während der Aufnahme bewegen, die Bilder anschließend ausrichten und die Fotos entfernen, die zu verschwommen sind.

Als Beispiel führe ich hier eine Aufnahme auf, die ich manuell mit dem Smartphone LG G4 gemacht habe. Das sehr dunkle Bild habe ich 50 Mal fotografiert und anschließend am Rechner einen Durchschnitt daraus gebildet. Das Rauschen hat hierdurch drastisch abgenommen, während der Dynamikumfang deutlich gestiegen ist. Der Grund hierfür ist, dass das Gerät mit deutlich mehr Licht gearbeitet hat.

Alle Fotos sind nur ein Bildausschnitt. Von links: Ursprünglich dunkles Fotos (Verschlusszeit 1/80 s), das gleiche Bild aufgehellt und anschließend wurde ein Durchschnitt aus den 50 Aufnahmen (1/80 s x 50, d. h. die Verschlusszeit beträgt zusammen über ½ Sekunde) erstellt.

 

Es scheint so, dass diese Vorgehensweise höchstwahrscheinlich langsam auch in den Fotokameras der höheren Preisstufe genutzt wird (Beispiel Olympus E-M1X und seine Funktion LiveND). Diese Kamera ist zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels eine brandheiße Neuheit. Mehr Informationen und Tests gibt es aktuell noch nicht.

Folgen

Meine persönliche Meinung ist, dass wir uns dem Stand nähern, wo praktisch keine Überbelichtungen mehr existieren werden. Die Fotokameras beginnen nämlich, sehr viele Aufnahmen mit einer sehr kurzen Verschlusszeit zu machen. Und somit kommt es zu keinen Verzögerungen. Ich schätze, dass wir zu diesem Punkt bereits in fünf Jahren kommen werden.

Infolgedessen wird der potenzielle Dynamikumfang fast unendlich sein. Benötigen Sie einen großen Dynamikumfang? Sie müssen nur die Verschlusszeit verlängern, genug Photonen einfangen und selbst bei sonnigem Wetter eine Verschlusszeit von ruhig einer Minute anstatt 1/1000 s verwenden.

Große Sensoren werden mit der Zeit an Bedeutung verlieren, aber die Objektive werden dennoch einen bestimmten Einfluss auf das Endergebnis haben (manche Effekte, wie z. B. die Schärfentiefe, können bereits vom Prozess berechnet werden).

Wir werden uns somit daran gewöhnen müssen, dass Kamerasysteme mit einem kleinen Sensor nicht mehr so benachteiligt sind, wie Kameras mit großen Sensoren, aber es wird dennoch weiterhin Unterschiede geben. Der größte Unterschied ist wohl, dass ein großes Objektiv in der Lage ist, ein Bild in kurzer Zeit zu erfassen, während Mobilgeräte bei einer dynamischen Szene und der Dämmerung nicht in der Lage sind, ausreichend Licht zu erfassen, bevor sich jemand/etwas bewegt.

Ein typisches Beispiel sind Hallensportarten, aber auch Aufnahmen von Freunden in der Kneipe. Solche Situationen werden die Smartphones nur schwer übertreffen können. Aber wer weiß, welche Überraschungen uns die Hersteller in der Zukunft bringen werden.

Letzte Änderung 26. März 2019

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Autor: Vít Kovalčík

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