Optik

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Brennweite

Die Brennweite eines Objektivs ist definiert als der Abstand von einem Blatt Papier, bei dem ein "unendlich weit" entfernter Gegenstand (z.B. die Sonne) scharf abgebildet wird. Wer hat nicht schon mal diese Tatsache genutzt, um ein Loch in Papier zu "brennen"?
Bei KB-Kameras befindet sich hier der Film, bei Digitalkameras der Sensor.

Der Bildkreis ist das kreisförmige Bild, das ein Objektiv maximal imstande ist, ohne deutliche Fehler abzubilden. Er muss mindestens so groß sein wie die Diagonale des Film- bzw. Sensorformat. Bei KB-Kameras sind das 43,3 mm. Am schärfsten ist das Bild in der Mitte. Je nach Güte des Objektivs nimmt die Schärfe zum Rande hin mehr oder weniger stark ab. Da die Bildecken den größten Abstand haben, sind sie bei einem schlechten Objektivs am deutlichsten betroffen.
(→Randschärfe)

Mit der Brennweite ändert sich die Perspektive. Die natürlichste Perspektive (die Proportionen sehen so aus, wie das menschliche Auge sie kennt) ergeben sich bei einer Brennweite, die der Bilddiagonalen entspricht. Sie wird auch Standard-Brennweite genannt. Bei KB ist das 43,3 mm, obwohl häufig 50 mm als "normal" angesehen wird.
 

Bildwinkel

Je nach Brennweite des Objektivs ändert sich im nebenstehenden Bildchen der Abstand des obere Schnittpunkts von der Filmebene . Der jeweilige Diagonalen-Bildwinkel  ist der folgenden Tabelle zu entnehmen.


Für die Frage, wie viele Personen bei einer Gruppenaufnahme mit auf dem Bild sind, ist aber der Horizontal-Bildwinkel entscheidend. Er ist selbstverständlich kleiner als der Diagonal-Bildwinkel.
mm KB Diagonal Horizontal (KB)
17 104° 93°
21 92° 81°
28 75° 65°
35 63° 54°
40 57° 48°
50 47° 40°
100 24° 20°
200 12° 30' 10° 30'


Unterschied zwischen Superweitwinkel- und Fischaugen-Objektiven

Auf der Seite "Perspektive" werden die Unterschiede erläutert.

Brennweite "entsprechend xx mm bei KB"

Digitalkameras haben fast ausschließlich kleinere Sensoren als KB-Kameras. Auf den Objektiven wird aber immer nur die tatsächliche Brennweite angegeben. Da stellt sich dann die Frage, wie man die in einen von der KB-Kamera gewohnten Wert umrechnen kann. Unter "f=6,2 mm" kann sich nämlich niemand etwas vorstellen, unter "entspricht 28mm bei KB" aber sehr wohl.
Per Definition gilt, dass der Diagonal-Bildwinkel (bezogen auf die jeweilige Sensorgröße) aussagt, welcher KB-Brennweite das betr. Objektiv entsprich. Die Zahl, mit der multipliziert werden muss, ergibt sich deshalb aus dem Verhältnis der beiden Bilddiagonalen. Sie wird "Brennweiten-Verlängerungsfaktor" oder auch "Crop-Faktor" genannt. Bei 4/3" Sensoren ist sie z.B. 2,0.

Bei unterschiedlichen Seitenverhältnissen der Sensoren ergeben sich - bei gleichem Diagonalwinkel - unterschiedliche Horizontalwinkel. Bei 16:9 ist er größer, bei 4:3 kleiner als bei KB. Konkret bedeutet das, dass bei umgerechneten 28 mm bei einer 4:3 Kamera z.B. bei einer Gruppenaufnahme weniger Personen auf dem Bild zu sehen sind als bei einer KB Kamera.
Andererseits erfasst sie oben und unten mehr vom Motiv als eine KB-Kamera, was häufig sehr nützlich ist. (→Bildbericht Laos).

Bei Tele ist der 4:3 Sensor durch den kleineren Horizontal-Bildwinkel im "Vorteil". Er hat dann nämlich z.B. bei "100 mm KB" eine stärkere Telewirkung als ein entspr. KB-Foto.

Werden 4:3 Kameras auf 16:9 umgeschaltet, wird oben und unten einfach etwas weggelassen, der Horizontalwinkel bleibt aber gleich.
 
Was ist "normierte Brennweite"?

Die Brennweite kleiner Digitalkameras auf die entspr. Brennweite von KB-Kameras umzurechnen, ist international üblich. Das hindert die Zeitschrift "test" aber nicht daran, eine eigene Definition einzuführen: Die "normierte" (auf die jeweilige Standardbrennweite bezogene) Brennweite eines Zoomobjektivs bei Weitwinkel- und Tele-Einstellung. So ergibt sich z.B. für 35 mm ein Wert von 0,7. Sehr gewöhnungsbedürftig!
Wie wird der Zoomfaktor berechnet?

International üblich ist es, den Zoomfaktor aus dem Verhältnis der beiden tatsächlichen Brennweiten zu ermitteln. (Das Verhältnis der umgerechneten Brennweiten ergibt natürlich das gleiche Ergebnis!).
Der Zoomfaktor gibt an, wie viel größer ein weit entfernter Gegenstand bei Tele gegenüber WW dargestellt wird.
Siehe auch → Digital-Tele

Hinweis für Theoretiker:
Der Zoomfaktor gilt streng genommen nur bei unendlich! Bei Nahaufnahmen ist er etwas geringer, weil dann die Brennweiten durch die bei Zoomobjektiven üblichen Innenfokussierung reduziert werden.

Die Zeitschrift "test" gibt einen speziellen Zoomfaktor an. Er ist - besonders bei großen Zoombereichen - deutlich kleiner als der "normgerechte" Zoomfaktor. Ursache dafür ist die fragwürdige Bestimmung der o.g. normierten Brennweiten.

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Multiformat-Sensor


Manche Kameras wie z.B. die LX5 und TZ7, halten den Diagonalwinkel bei allen Vorgaben konstant. Bei der Vorgabe "16:9" ist dadurch der Horizontalwinkel größer als bei 4:3. Rechts und links ist dann mehr auf dem Bild (sh. das folgende Beispielbild).
Solche Sensoren verzichten allerdings bei jeder Einstellung auf etliche Sensorzellen am Bildrand (rot). Aus einem 12MP-Sensor wird ein 10MP-Sensor.

 

Hier der Vergleich 4:3 mit 16:9 am Beispiel eines Fotos aus der Cao-Dai Kirche in Long Hoa (Vietnam) mit gleicher (umgerechneter) Brennweite.



→ Ein weiteres praktisches Beispiel

Normale 4:3 Sensoren mit Umschaltmöglichkeit
 
Viele Kameras mit 4:3 Sensoren erlauben ebenfalls die Vorgabe der Formate 3:2 ; 16:9 und z.T. auch 1:1. Davon rate ich ab, da nur das 4:3 Format alle Zellen des Sensor voll ausnutzt. Bei allen anderen Formaten wird lediglich ein mehr oder weniger großer Teil der Höhe des 4:3 Bildes oben und unten abgeschnitten, was man problemlos auch nachträglich machen kann.  (→IrfanView) Beim 1:1 Format wird das 4:3 Bild rechts und links beschnitten. Die Höhe bleibt.
Hier ein Bildbeispiel im Format 4:3. Bei 3:2 würde nur der Bereich zwischen den gelben Linien, bei 16:9 nur der zwischen den weißen Linien aufgenommen.
Bei diesem Motiv hätte man bei einem 3:2 Format (das überwiegend von SLR-Fans der alten Schule bevorzugt wird) weiter zurückgehen müssen, um den Kopf nicht zu beschneiden. Aber dann hätte man unnötig viel "Ballast" rechts und links gehabt. Oder man wäre zu einem Hochformat-Bild verführt worden, von dem ich aus guten Gründen abrate. Die große Bildhöhe des 4:3 Formats macht Hochformat meist überflüssig.
Manche Breitformat-Motive erfordern sogar zwingend eine möglichst große Bildhöhe.  →überzeugendes Beispiel

Die endgültige Festlegung des Bildausschnitts sollte - falls sinnvoll - in aller Ruhe nachträglich bei der Bildbearbeitung geschehen. Ich beschneide viele meiner Fotos auf 16:9.


Umschaltmöglichkeiten bei 3:2 Sensoren

Auch Kameras mit 3:2 Sensoren (Systemkameras) bieten Umschaltmöglichkeiten an. Hier gilt: Nur bei 3:2 werden alle Sensorzellen genutzt. Bei 16:9 wird oben und unten, bei 4:3 und 1:1 wird rechts und links etwas abgeschnitten. Aber warum soll ich mich der Möglichkeit berauben, später am PC den optimalen Bildausschnitt zu wählen? Was ich bereits in der Kamera wegschneiden ließ lässt sich nicht wieder zurückholen.

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Warum benötigen kleine Sensoren nur sehr kleine Objektive?

Nehmen wir einmal an, dass mit einer KB-Kamera bei 40mm Brennweite mein bekanntes Rathausmotiv aufgenommen wird.

Würde nun anstelle des KB-Films bzw. KB-Sensors (36x24mm) ein 1/2,3" Minisensor (6,2x4,6mm) in der Kamera eingebaut sein, dann würde von ihm nur ein kleiner Ausschnitt in der Bildmitte erfasst werden (rechtes Bild). Das 40mm KB-Objektiv verwandelt sich dadurch in ein 224mm Teleobjektiv. Für eine KB-Kamera wäre ein solches starkes Teleobjektiv sehr viel größer und schwerer. Für den kleinen Sensor genügt aber für die gleiche Telewirkung das rel. kleine 40mm KB-Objektiv.

Um das Rathaus in voller Größe zu erfassen, würde bei dem kleinen Sensor ein Mini-Objektiv mit nur 7,1mm (echter) Brennweite nötig sein und das ist dann sicherlich deutlich kleiner als das 40mm KB-Objektiv. Beide haben aber den gleichen Bildwinkel.

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Ist die maximale Auflösung abhängig von der Sensorgröße?

Je kleiner ein Sensor ist, um so weniger "Zeilen/Bildhöhe" kann er maximal auflösen. Die sinnvolle Grenze liegt bei einem 1/1,7" Sensor ( St.Br. = 9,4mm) bei ca. 12MP, bei dem in vielen Kameras eingesetzten kleineren 1/2,33" Sensor (St.Br. = 7,7 mm) noch darunter. Eine weitere Erhöhung der MP bewirkt keine merkliche Zunahme von Bilddetails. Außerdem sind die hohen Auflösungen nur bei Basisempfindlichkeit erreichbar, bei höheren ISO-Werten gehen sie dramatisch zurück. Deshalb ist es Unsinn, einen 16MP-Sensor in eine kleine Kamera einzubauen. Das erhöht nur den Speicherbedarf und bremst die Geschwindigkeit.
Für perfekte 10x15 cm Papierbilder reichen bekanntlich 4MP völlig aus. →Mehr Infos
Kameras mit APS-Sensoren und besonders KB-Vollformat können natürlich wesentlich mehr als 12MP auflösen und deshalb enthalten deren Bilder so viele Details, dass extreme Ausschnittvergrößerungen möglich sind.
Für Riesenposter - die ja aus entspr. Abstand betrachtet werden - genügen allerdings 8MP.
→Mehr Infos

Hinweis für Theoretiker:
Je kürzer die Brennweite, um so mehr "Linien/mm" kann ein Objektiv zwar auflösen, da die Linsen dünner sind und deshalb weniger Verluste haben, aber kleinere Sensoren haben auch weniger Bildhöhe. Das wurde in den obigen Überlegungen einkalkuliert.

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Blende

Die Lichtmenge, die für den Film bzw. Sensor für eine optimale Belichtung notwendig ist, wird durch die Blende (und die Belichtungszeit) geregelt.

Von Blendenstufe zu Blendenstufe wird die Lichtmenge jeweils halbiert.
Übliche Stufen sind:

1,4 - 2,0 - 2,8 - 4 - 5,6 - 8 - 11 - 16 - 22
  (1,7)   (2,4)   (3,4)   (4,8)   (6,79   (9,5)   (13)   (19)  


Berechnet wird dieser Wert, indem man die Brennweite (sh. oben) durch die jeweils wirksame Linsenöffnung teilt.
Das bedeutet, dass eine Digitalkamera mit einer "Standard-Brennweite" von z.B. 7 mm bei einer max. Blendenöffnung von z.B. 2,8 einen sehr viel kleineren Linsendurchmesser hat als z.B. eine KB-Kamera mit der max. Blende 2,8.
Das ist übrigens das "Geheimnis", warum die Superzoom-Kameras rel. lichtstarke (und leichte!) Objektive haben können.

Aber um Missverständnisse zu vermeiden ... Wenn bei einer bestimmten Helligkeit (z.B. bei 1/500 Sek. und 800 ISO) Blende 2,8 notwendig ist, dann gilt das für jede Kamera; gleichgültig wie groß der tatsächliche Linsendurchmesser (abhängig von der jeweiligen Standard-Brennweite) auch ist!
Und wenn eine Kamera nur max. Blende 4 bietet, dann muss ich - wenn ich 1/500 Sek. benötige - auf 1600 ISO umschalten!

Bei jeder Kamera - ob Superzoom oder Plattenkamera - gilt:

Blende 2,8 ist Blende 2,8 bei jeder Kamera
1/500 Sek. ist 1/500 Sek. bei jeder Kamera
800 ISO ist 800 ISO bei jeder Kamera

Zumindest sollte das so sein!
Bei den ISO-Werten wird aber manchmal gemogelt! →Hinweis

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Verbessert Abblenden die Bildschärfe?

Bei kleinen Digitalkameras gilt die alte Regel nicht mehr, dass ein Objektiv bei etwa Blende 8 seine maximale Schärfe aufweist. Ursache ist die sog. Beugungsunschärfe, die um so größer wird, je kleiner die absolute Blendenöffnung ist. Die ist durch die rel. kurze Brennweite der kleinen Kameras aber sehr viel kleiner als bei KB- und APS-Kameras. Bereits ab etwa Blende 5,6 nimmt die Schärfe sogar ab. Deshalb begrenzen viele Kameras das Abblenden auf max. Blende 8.
Eine Abblendung zur Erhöhung der Schärfentiefe ist ohnehin nicht notwendig, da die prinzipbedingt sehr groß ist.
Ein anderer Aspekt ist natürlich die Randschärfe. Viele minderwertige Kameras zeigen bei offener Blende starke Randunschärfe, die nur durch Abblendung reduziert werden kann. Immer bei offener Blende arbeiten Kameras mit Graufilter. Sie vermeiden zwar die Beugungsunschärfe, können aber Randunschärfe nicht weiter reduzieren. Aber auch Kameras mit Lochblende (sh. unten) arbeiten meist mit offener Blende und schalten nur bei großer Helligkeit die Lochblende ein. Ein Grund mehr für mich, auf gute Randschärfe bei offener Blende zu achten.

Wie der Einfluss der Blende auf die Schärfe bei den Wechselobjektiven für APS-Kameras auswirkt, kann an dem bei dpreview gezeigten →Beispiel nachvollzogen werden. Die sehr starke Randunschärfe verschwindet zwar beim Abblenden, aber bereits bei Blende 11 ist zwar das gesamte Bildfeld gleichmäßig scharf, aber von der zuvor hervorragenden Schärfe in Bildmitte ist nichts mehr übrig.  →Erläuterungen

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 Die verschiedenen Blendenformen

Irisblende
Sog. Irisblenden bestehen aus vielen Lamellen, die in der Mitte ein Loch (Blende) bilden. Durch das Verdrehen der Lamellen gegeneinander kann dieses Loch immer weiter verkleinert werden. Dadurch sind die o.g. Blendenstufen exakt einstellbar.

Lochblende
Viele Kameras verzichten auf diese aufwendige Konstruktion und schalten lediglich ein Blech mit einem entsprechend großem Loch in den Strahlengang des Objektivs. Die Kamera verfügt dann nur über die Alternativen: "offene Blende" oder z.B. Blende 9,0. Durch Veränderung der Brennweite ändern sich natürlich die relative Größe dieses Blendenloches, so dass der effektive Blendenwert bei Tele kleiner ist.
Wenn die Randschärfe bei offener Blende einwandfrei ist (keine Abblendung nötig!), dann ist die Bildqualität solcher Kameras genauso gut wie mit Irisblende.
Einziger Unterschied: Die sternförmigen Strahlen um überstrahlte Lichter treten bei Lochblenden nicht auf.


Fuji F31 (Irisblende)                            Fuji F200 (Lochblende)

Graufilter
Um die Beugungsunschärfe (sh. oben) zu vermeiden, verwenden viele Kameras ein Graufilter, das als "Blende" eingeschwenkt wird. Dann kann zwar kein Einfluss mehr auf die Schärfentiefe genommen werden, aber bei den extrem kurzen (effektiven) Brennweiten kleiner Kameras ist das unkritisch. Sternförmige Strahlen gibt es ebenfalls nicht. Wie bei der Lochblende sind die beiden "Blendenwerte" abhängig von der maximalen Öffnung bei der jeweiligen Brennweite, da ja durch das Graufilter die Helligkeit um einen bestimmten Wert (oder gar nicht) reduziert wird. Noch wichtiger als bei der Lochblende ist hier eine randscharfe Optik, da ein Schärfegewinn durch Abblenden nicht möglich ist.

Anmerkung:
Kameras mit Zeitvorwahl ("S" = Blenden-Automatik) erfordern die aufwendige Irisblende, weil bei einer manuell vorgegebenen Belichtungszeit die richtige Belichtung nur durch eine ganz bestimmte Blende erreicht werden kann. Kameras mit Lochblende bzw. Graufilter bieten nur zwei Möglichkeiten: "offene Blende" oder "kleine Blende". Logischerweise hat man dann auch nur die Wahl zwischen zwei möglichen Belichtungszeiten. Die Kameras können sich dann nur mit der Wahl eines passenden ISO-Wertes behelfen. Die Vorgabe eines bestimmten ISO-Werte ist nicht möglich.
Blenden-Vorwahl ("A") ist auf zwei Blenden beschränkt. Zu allem Überfluss ist die tatsächliche Blende dann von der gewählten Brennweite abhängig. Das kann die Kamera zwar automatisch berücksichtigen, macht aber Probleme bei Verwendung von Zusatzblitzgeräten, da keine konstante "Arbeitsblende" vorgegeben werden kann.

Automatik-Kameras haben keine Probleme. Sie wählen zunächst einfach eine der beiden möglichen "Blenden" und passen die Belichtungszeit dann entsprechend an.

Achtung: Bei der letzten Überarbeitung eingefügte Texte sind grün markiert!

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 Letzte Überarbeitung: 22.12.2011