Digitalkameras und Beugung

Beugung
Es gibt Phänomene in einigen Bereichen der Physik, die sich geometrisch nicht erklären lassen. Ein einfaches Beispiel ist, wenn eine Wasserwelle eine Hafeneinfahrt erreicht, Dann entsteht in der Hafeneinfahrt, wenn diese sehr schmal ist, eine Welle die aussieht, als wäre in der Einfahrt ein Stein ins Wasser geworfen worden. Sie können die Welle an Stellen im Hafen sehen, von denen aus Sie das Schiff, dass sie verursacht hat nicht sehen können.
Ähnlich ist es auch mit dem Licht. Wenn Sie sich das Licht als Teilchen vorstellen, das in Richtung auf die Blende einer Kamera abgeschossen wird. Dann sollte sich das Licht geradlinig ausbreiten und 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 ein Teilchen wäre, das durch das Objektiv fliegt. Auch bei dem besten Objektiv entsteht deshalb ein so genanntes Beugungsscheibchen, das um so breitet ist, je kleiner die Blende wird.

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

Der Radius des Beugungsscheibchens bzw. des hellen Zentrums berechnet sich aus:

Beugungt.jpg

mit
d’ = Radius des Beugungsscheibchens
lambda = Lichtwellenlänge
DEP = Durchmesser der Eintrittspupille
K = Blendenzahl

Je größer die Blendenzahl, desto größer das Beugungs- oder Airy-Scheibchen. Die Frage, die sich nun stellt ist: „Ab wann wird die Beugung zum begrenzenden Faktor für die Detailwiedergabe also die Auflösung?“ Dazu ist zunächst einmal zu betrachten, ab wann der Mensch die Beugungsscheibchen als getrennte Punkte wahrnimmt? Diese Untersuchung wurde 1879 von Lord Rayleigh durchgeführt und veröffentlicht. Sie zeigt, dass die Intensität des Bereiches zwischen 2 Airy-Scheibchen auf 81% der Maximalintensität abgefallen sein muss, damit die Scheibchen mit dem Auge als getrennt wahrgenommen werden kann. Dieses 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 der Radius des Beugungsscheibchens kleiner sein, als der Abstand zwischen 2 Pixeln. Um die Größe des zulässigen Beugungsscheibchens und daraus dann weiter führend die kleinste Blende bei der die Beugung die Auflösung noch nicht begrenzt zu bestimmen, müssen wir also die Größe des Pixels der jeweiligen Kamera kennen. Hierzu kann einfach die Sensorbreite durch die Anzahl an Pixel geteilt werden und man erhält die Größe für 1 Pixel.

Beugungsbild_Zeichnung.jpg
Die Beugungsfigur von zwei Punkten. Wenn sie einen Abstand haben, der dem Radius entspricht, dann können sie mit dem Auge bei hinreichender Vergrößerung gerade noch als getrennt wahrgenommen werden.

Beugung_Blende.jpg
Die Abhängigkeit der Beugung von der Blende.

Sensordimension.jpg
Die Tabelle gibt für die aufgeführten Kameras die begrenzende Blende (rechte Spalte) an. Bei kleineren Blenden (größeren Blendenzahlen) begrenzt die Beugung das Auflösungsvermögen der Kamera.

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

Blendenreihe.JPG
Die Bilder zeigen jeweils das Zentrum unseres Auflösungstestbildes aufgenommen mit einer Panasonic LX-1 bei Blende 4, 5,6 und 8 (v.l.). Es zeigt sich, dass bereits bei Blende 5,6 die Auflösung bedingt durch Beugung sichtbar schlechter wird.


Fazit

In Bezug auf die Beugung haben Digitalkameras mit großen Pixeln Vorteile, weil auch kleinere Blenden bis Blende 11 verwendet werden können ohne, dass die Auflösung schlechter wird. Die großen Pixel sind in der Regel in digitalen Spiegelreflexsystemen mit großen Sensoren zu finden. Bei Consumerkameras mit kleinen Pixeln ist darauf zu achten, dass nicht zu weit abgeblendet wird, weil die Auflösung sonst sichtbar leidet. Hinsichtlich der Schärfentiefe spielt die Beugung nur eine

5 Gedanken zu “Digitalkameras und Beugung

  1. Durch diese Ausführung zur Beugung zeigt sich,daß viele Digitalkameras mit kleinen Sensoren(z.B. Minolta Z6) schon im Tele von starker Beugung betroffen sind.Erstaunlicherweise scheint dieser Effekt sich jedoch nicht so stark auf die Auflösung auszuwirken(z.B. Tele Fuji F10/F11,Sony N1 usw.).Ist hierfür der elektronische Zentralverschluß bei Kompaktkameras ein Grund?

  2. Die Beugung ist von der Brennweite des Objektivs weitgehend unabhängig (sie geht lediglich bei der Berechnung der Blende ein). Der Verschluß hat ebenfalls keine Auswirkung auf die Beugung.
    Bei kleinen Blenden (großen Blendenzahlen) wird das Auflösungsvermögen durch die Beugung begrenzt, sofern die Objektive gut genug sind das zu zeigen (beugungsbegrenzt sind).

  3. Wenn der Verschluss keinen Einfluss auf die Beugung hat,wodurch wird dann die Blendenöffnung bei Interline CCD gesteuert und warum gibt es je nach Verschluss unterschiedliche Beugungsarten wie z.B. die sternförmige Beugung beim Lamellenverschluss???

  4. Nachtrag:Die Beugung ist weitgehend unabhängig von der Brennweite aber die Blendenöffnung nicht,z.B. muss
    bei der Sony DSC N1 im Telebereich mindestens Blende=5,4 genommen werden.Diese sollte laut angezeigter Beugungstheorie schon von Beugung betroffen sein.Leider ist die Auflösung aber höher wie bei der Ausgangstellung im Weitwinkel.

  5. Der Verschluß hat keinen nennswerten Einfluß auf die Beugung. Lediglich wärend des Öffnens und Schließens bei einem Zentralverschluss gibt es einen Einfluß, der jedoch aufgrund der Gesamtbelichtungszeit bei den üblichen Belichtungszeiten zu vernachlässigen ist. Was sie mit der sternförmigen Form meinen sind Strukturen, die durch die Blende und deren Form und nicht durch den Verschluß hervorgerufen werden.
    Die Tatsache, dass die Auflösung bei Kameras im Tele größer ist, als im Weitwinkel ist nicht auf die Beugung zurückzuführen. Die Beugung stellt lediglich einen limitierenden Faktor / eine physikalische Grenze für die Auflösung dar, die auch mit den besten Objektiven nicht überschritten werden kann. Erreicht die Qualität der Objektive diese Grenze nicht, dann ist das, was man sieht nicht von der Beugung abhängig, sondern von der Abbildungsqualität des Objektivs. Das sheint dann bei Ihrer Kamera der Fall zu sein.

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