PHOTOKOLLEGIUM 2 E-Book

Jost J Marchesi

• Herausgeber: Photographie
• Kategorie: Geisteswissenschaft
• Serie: Photokollegium
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 243

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Das neue PHOTOKOLLEGIUM bietet die Grundlagen digitaler und analoger Fotografie. Jost J. Marchesi hat es sich bei diesem neuen dreibändigen Lehrwerk zur Aufgabe gemacht, sein bekanntes sechsbändiges Lehrwerk, das in den 80er Jahren zum ersten Mal erschienen ist, völlig zu überarbeiten und den aktuellen Entwicklungen der Fotografie anzupassen. Marchesi versteht es dabei wie kaum ein Anderer, auch schwierige Zusammenhänge anschaulich und somit leicht verständlich darzustellen. Das Streben nach dem technisch perfekten Bild kommt nicht ohne tieferes Wissen über die optischen Zusammenhänge der Bildaufzeichnung aus. Band 2 vermittelt jedem angehenden Berufsfotografen das notwendige Rüstzeug, sich für die richtige Wahl von Objektiven zu entscheiden, sei es beim Kauf oder zum Umsetzen seiner Bildideen im praktischen Einsatz.

Leseprobe

Band 2

Abbildungsprinzip in der Fotografie

Physikalische Optik

Geometrische Optik

Wellenoptik

Fotografische Optik

Abbildungsfehler

Objektivkunde

Jost J. Marchesi

PHOTOKOLLEGIUM

Impressum

Herausgeber

Verlag Photographie

D-82205 Gilching

Layoutgestaltung

forma, ilka-Alexandra MarchesiCH-8108 Dällikon

Lektorat

ilka-Alexandra Marchesi

Satz

Jost J. Marchesi

© Copyright 2011 by Verlag PhotographieD–82205 Gilching

Alle Rechte vorbehalten, insbesonderedie der Reproduktion jeder Art.Wo nichts anderes vermerkt, liegendie Rechte der Abbildungen beim Autor.

11. vollständig neu überarbeitete underweiterte Auflage 2011

gedruckte Ausgabe:

ISBN 978-3-933131-62-1

E-Book:

ISBN 978-3-943125-55-9

Vorwort

PHOTOKOLLEGIUM erscheint in drei Bänden, welche sich mit der Grundlagentheorie und der Praxis der analogen und digitalen Fotografie befassen. Ergänzt wird die Reihe durch das ebenfalls mehrbändige digital-PHOTOKOLLEGIUM, das sich ausschließlich mit der digitalen Fotografie und deren Verarbeitungstechnik befasst.

Die technischen und berufskundlichen Grundlagen des Mediums Fotografie leicht verständlich zu vermitteln war und ist Kernaufgabe des Selbstlehrgangs PHOTOKOLLEGIUM, der ursprünglich in hundert monatlichen Folgen in der Zeitschrift PHOTOGRAPHIE erschienen ist.

Während rund drei Jahrzehnten dient der in vielen Auflagen erschienene Lehrgang Generationen von fotografisch Auszubildenden zur Grundlagenvermittlung und als beliebtes Nachschlagewerk. In vielen Ländern sind die Bände von PHOTOKOLLEGIUM denn auch zu offiziellen oder inoffiziellen Lehrmitteln an Foto- und Fachhochschulen geworden. Die anhaltende Nachfrage nach diesem Lehrgang sowie die enormen technologischen Veränderungen innerhalb der Fotografie haben den Verlag veranlasst, das ursprünglich in sechs Bänden erschienene Werk vollständig neu aufzulegen.

Der vorliegende zweite Band mit den optischen Grundlagen zur analogen und digitalen Fotografie ist aktualisiert, stark erweitert und komplett neu überarbeitet. Die bewährte Aufteilung in einzelne Lektionen wurde beibehalten, ebenso die Formulierung von Übungs- und Konsolidierungsaufgaben in vielen Lektionen.

Der Band behandelt neben den grundlegenden Abbildungsprinzipien in der Fotografie die Grundlagen der physikalischen und geometrischen Optik sowie der Wellenoptik und der fotografischen Optik. Er greift das Thema der optischen Abbildungsfehler auf und erläutert, wie sich diese in der Praxis auswirken und wie sie gemildert oder behoben werden. Zudem erklärt er im Bereich Objektivkunde leicht verständlich und in logischen Schritten Einzelheiten über die geschichtliche Entwicklung bei der Objektivherstellung von den frühen Anfängen bis zu den aktuellen Spezialobjektiven für die digitale Fotografie. Gleichgültig ob ein fotografisches Bild analog oder digital entsteht, es wird zur Abbildung ein Objektiv benötigt. Allerdings sind seit der qualitativ hochwertigen Etablierung der digitalen Empfangs- und Speichermethoden die Ansprüche an die Objektivauflösung deutlich größer geworden.

In der neuen Reihe PHOTOKOLLEGIUM behandelt zudem der erste Band die analogen Grundlagen der Fotografie und der Verarbeitungstechnik. Der dritte Band beschäftigt sich mit grundlegenden Kamera- und Aufnahmetechnologien mittels digitaler und analoger Methoden.

Jost J. Marchesi

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 9

Abbildungsprinzip in der Fotografie

Lektion 31

Fotografieren ohne Objektiv

Lektion 32

Mehr Licht durch das Objektiv

Lektion 33

Perspektive

Kapitel 10

Physikalische Optik

Lektion 34

Lichtentstehung

Natur des Lichts

Lektion 35

Inkohärente und kohärente Strahlung

Lektion 36

Merkmale des Lichts

Lektion 37

Menschliches Auge

Lektion 38

Spektrale Lichtzusammensetzung

Verteilungs- und Farbtemperatur

Lektion 39

Absorption und Reflexion

Lektion 40

Lichttechnische Maßeinheiten

Lichtabnahme

Kapitel 11

Geometrische Optik

Lektion 41

Reflexion

Lektion 42

Reflexion an gekrümmten Spiegeln

Lektion 43

Refraktion

Grenzwinkel und Totalreflexion

Lektion 44

Brechung durch Linsen

Abbildungsverhältnisse

Lektion 45

Grundformeln der geometrischen Optik

Formelsammlung

Lektion 46

Schärfentiefe

Hyperfokale Distanz

Beste Einstelldistanz

Schärfeausgleich nach Scheimpflug

Lektion 47

Teilreflexion

Vergütung

Kapitel 12

Wellenoptik

Lektion 48

Dispersion durch Refraktion

Dispersion durch Beugung

Spektren verschiedener Lichtquellen

Lektion 49

Interferenz

Holografie

Lektion 50

Beugung (Diffraktion)

Förderliche und Kritische Blende

Lektion 51

Streuung

Lektion 52

Polarisation

Kapitel 13

Fotografische Optik

Lektion 53

Glasherstellung

Zusammensetzung der wichtigsten Gläser

Lektion 54

Linsen

Herstellung asphärischer Linsen

Lektion 55

Bildlage, Hauptpunkte

Lektion 56

Brechkraft

Vorsatzlinsen

Telekonverter

Lektion 57

Lichtstärke eines Objektivs

Lektion 58

Bildwinkel

Kapitel 14

Abbildungsfehler

Lektion 59

Seidel’sche Abbildungsfehler

Chromatische Aberration

Lektion 60

Sphärische Aberration

Koma

Lektion 61

Astigmatismus

Bildfeldwölbung

Lektion 62

Verzeichnung

Lektion 63

Vignettierung (Randhelligkeitsabfall)

Lektion 64

Darstellung des Korrekturzustandes

Modulationsübertragungsfunktion MTF

Kapitel 15

Objektivkunde

Lektion 65

Astigmate

Astigmate symmetrischer und halbsymmetrischer Bauart

Lektion 66

Einfache Anastigmate

Doppel-Anastigmate

Lektion 67

Triplete

Weitwinkelobjektive

Teleobjektive

Lektion 68

Moderne Objektive

Lektion 69

Spiegelobjektive

Vergrößerungsobjektive

Floating Elements

Lektion 70

Image Stabilizer

Lektion 71

Tilt- und Shift-Objektive

9

Abbildungsprinzip in der Fotografie

Fotografieren ohne Objektiv

Fotografieren (Zeichnen mit Licht) hat nicht zwingend etwas mit Fotokameras, Objektiven und Autofokus zu tun, selbst wenn wir Technik- und Apparategläubige dies nicht wahrhaben wollen. Wir haben ähnliches bereits in Lektion 25 (Band 1 PHOTOKOLLEGIUM) erfahren, als wir uns intensiv mit Fotogrammen befassten. Auch jetzt gehen wir den ursprünglichen Anfängen der Fotografie nach und beschäftigen uns mit der projektiven Variante des Fotogramms, mit Aufnahmen also, die ohne Objektiv entstehen.

Camera obscura

Licht, das durch ein in einer Wand eingerichtetes kleines Loch in den dunklen Raum trifft, wirft auf der gegenüberliegenden Wand das verkleinerte und kopfstehende Bild aller Objekte, die außerhalb des Raums vorhanden sind. Begründet wird dieses Phänomen durch die Tatsache der geradlinigen Ausbreitung des Lichts.

Strahlenbündel

Stellt man sich eine kleine, nahezu punktförmige Lichtquelle vor, so breiten sich die Lichtstrahlen allseitig radial und dreidimensional aus. Greift man aus dieser Gesamtheit einen Ausschnitt heraus, so spricht man von einem divergenten Strahlenbündel. Divergente Strahlenbündel unterscheiden sich voneinander geometrisch lediglich durch ihren Öffnungswinkel. Sie sind in der Natur, wenn keine weiteren Manipulationen vorgenommen werden, vorherrschend.

Prinzip der Camera obscura: Kupferstich aus dem 17. Jahrhundert

Divergentes Strahlenbündel

Parallelbündel

Konvergentes Strahlenbündel

Betrachtet man ein divergentes Bündel einer Lichtquelle, die sich unendlich weit weg befindet (zum Beispiel die Sonne), so wird das Bündel zum Spezialfall, zu einem Parallelbündel. Je weiter weg ein Ausschnitt der immer noch divergenten Strahlen beobachtet wird, umso paralleler erscheinen diese.

Durch künstliche (optische) Mittel können divergente und parallele Bündel beeinflusst werden, sodass sie in einen Punkt zusammenlaufen. In diesem Fall spricht man von einem konvergenten Bündel.

Solange das Licht sich im gleichen Medium ausbreitet, bleibt es geradlinig.

Durchstochene Alufolie als Belichtungsöffnung. Als Verschluss dient ein Alublech, das sich in einer Führung aus Wellpappe vor das Loch schieben lässt.

Belichtungsöffnung aus drei übereinandergelegten Rasierklingen, die mit Klebband an der Schachtelinnenwand befestigt sind.

Lochkamera

Ein ganz einfaches fotografisches Abbildungsprinzip, das auf den Grundlagen der geradlinigen Ausbreitung des Lichts beruht, ist die Lochkamera (Camera obscura).

Stellen wir uns eine kleine punktförmige Lichtquelle vor: Diese sendet allseitig ein divergentes Strahlenbündel aus. Installieren wir nun in einigem Abstand eine Lochblende, mag nur ein sehr kleiner Teil der Lichtstrahlen durch die Öffnung treten. Auf einem sich dahinter befindenden weißen Schirm bildet sich ein heller Fleck in Form der Blende. Ist die Öffnung der Blende sehr klein, kann der auf dem Schirm ersichtliche Lichtfleck als Abbildung der punktförmigen Lichtquelle angesehen werden.

Abbildung einer punktförmigen Lichtquelle

Derselbe Eindruck entsteht, wenn wir statt einer punktförmigen Lichtquelle einen «Gegenstand» – bestehend aus einem weißen Punkt auf schwarzer Fläche – betrachten. Allerdings muss dann dieses Objekt durch eine Lichtquelle beleuchtet sein. Der helle Punkt reflektiert das auffallende Licht divergent und kann einer selbstleuchtenden, punktförmigen Lichtquelle gleichgesetzt werden. Diese Überlegung bedeutet nichts anderes, als dass jeder Gegenstand aus unendlich vielen einzelnen Punkten besteht, von denen jeder bei Beleuchtung das auffallende Licht divergent reflektiert.

Halten wir nun eine kleine Lochblende in das Sammelsurium all dieser divergenten Strahlenbündel, kann von jedem Bündel nur ein ganz geringer Anteil die Öffnung passieren und sich auf einem dahinter befindenden Schirm als Punkt wieder abbilden. Die Summe all dieser abgebildeten Punkte erzeugt ein reelles Abbild des Gegenstandes auf dem Schirm. Nach diesem Prinzip arbeitet die einfachste fotografische Apparatur: die Lochkamera.

Abbildungsprinzip einer Lochkamera

Bau einer Lochkamera

Für den Bau einer Lochkamera eignet sich jede lichtundurchlässige Pappschachtel, eine Kraftnahrungsdose oder ein leerer Malerkessel oder ähnliches. Die Lochkamera muss mit einer kleinen Belichtungsöffnung versehen werden. Im Beispiel mit der Ovomaltinedose wurde zuerst ein quadratischer Ausschnitt aus der Dose geschnitten und dieser von innen mit einer Alufolie zugeklebt. Mit einer dünnen Nähnadel wurde das Loch in die Folie gestochen. Diese Lochkamera weist zudem einen raffinierten Schiebeverschluss aus einem dünnen Alublech auf, das in einer Führung aus Wellpappe bewegt werden kann.

Das Loch in der schwarzen Pappschachtel besteht aus drei übereinandergeklebten Rasierklingen, aus denen eine kleine, dreieckige Belichtungsöffnung entstanden ist. Als Verschluss dient eine schwarze Pappe an einem Scharnier aus Klebband.

Als Filmbühne klebt man am besten an die der Belichtungsöffnung gegenüberliegenden Seite Streifen aus Doppelklebeband, auf dem dann das lichtempfindliche Material haftet.

Neben der Größe ist die Qualität der Belichtungsöffnung von Bedeutung. Das kleine Loch sollte aus einem sehr dünnen Material und so scharf wie möglich gefertigt werden. Ist der Lochrand durch Materialverdrängung ausgefranst, werden die Lichtstrahlen abgelenkt und einer stärkeren Beugung unterworfen. Ist das Loch klein genug, so spielt seine geometrische Form eine untergeordnete Rolle. Ist die Lochform rund, so ist das entstehende Bild die Summe der sich gegenseitig überlappenden Abbildungen von Kreisen. Ist das Loch dreieckig, so ist die kleinste Bildeinheit ein Dreieck.

Anamorphotisch verzerrtes Bild durch schräge Bildebene.

Aufnahme mit der Ovomaltinedose. Der kurze Auszug und die gewölbte Bildebene erzeugen eine Art Weitwinkeleffekt.

Man kann jedoch auch mit mehreren Löchern an der Kamera experimentieren und so gewissermaßen mehrere Ansichten desselben Objekts gleichzeitig erfassen. Eine Belichtungsöffnung kann auch aus einem sehr schmalen Schlitz bestehen. Das entstehende Bild ist dann verfälscht. Je nachdem ob ein Belichtungsschlitz horizontal oder vertikal verläuft, wird ein Objekt schlanker oder dicker wiedergegeben.

Auch die Lage der Bildebene, auf die das lichtempfindliche Papier zu liegen kommt, kann für interessante Effekte variiert werden. Liegt die Projektionsfläche beispielsweise schräg zum einfallenden Licht, so entsteht ein anamorphotisch verzerrtes Bild. Auch das in der halbrunden Ebene liegende Bild bei der Variante mit der Ovomaltinedose sieht anders aus als eines, das in einer planen Ebene liegt.

Lichtstärke und Belichtungszeit

Um mit einer Lochkamera eine einigermaßen richtige Belichtung durchführen zu können, sollte man ihre Lichtstärke kennen.

Kameraauszug: 20 cm

Kameraauszug: 40 cm

Kameraauszug: 60 cm

Die Lichtstärke ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Belichtungsöffnung und der Brennweite (siehe Seite 79). Bei einer Lochkamera entspricht die Brennweite der Baulänge.

Leider ist diese Blendenzahl wohl kaum auf dem Belichtungsmesser angegeben. Rechnen wir daher einen Verlängerungsfaktor (Vf) aus, der aussagt wievielmal länger zu belichten ist als beispielsweise bei Blende 11 (eine Blendenzahl, die wir auf unserem Belichtungsmesser vorfinden).

In Tat und Wahrheit ist die Bildentstehung durch die Lochkamera noch etwas komplizierter als hier erklärt. Eine wesentliche Rolle spielt nämlich die Beugung des Lichts, das heißt, ein Phänomen, welches Licht beim Durchgang durch eine enge Öffnung von seiner geradlinigen Ausbreitung teilweise etwas ablenkt (siehe Seite 60). Um die schädlichen Auswirkungen der Beugung so gering wie möglich zu halten, kann man aus Kamerabaulänge a', Aufnahmedistanz a und Wellenlänge λ des hauptsächlich verwendeten Aufnahmelichts, den optimalen Lochdurchmesser errechnen.

Für eine Aufnahmedistanz von 20 m, einer Kameralänge (Kameraauszug) von 15cm und einer Wellenlänge des Aufnahmelichts von 550nm (etwa die Mitte des sichtbaren Spektrums) ergibt sich daher ein optimaler Lochdurchmesser von:

Die erstaunlich hohe Abbildungsleistung einer Lochkamera erreicht man nur, wenn das Loch aus einem sehr dünnen Material hergestellt ist. Als geeignet haben sich drei montierte Rasierklingen oder ein Nähnadelloch in einer Alufolie erwiesen.

Das verzeichnungsfreie Bild der Lochkamera ist sehr lichtschwach. Zwar würde eine Vergrößerung der Belichtungsöffnung einen starken Lichtstärkegewinn erbringen, gleichzeitig entstünde jedoch keine punktförmige, sondern eine flächige Abbildung jedes einzelnen Gegenstandspunktes. Diese Unschärfekreise überlagern sich gegenseitig und bewirken ein unscharfes Bild.

Um trotz vergrößerter Belichtungsöffnung eine punktförmige Abbildung von jedem Gegenstandspunkt in der Bildebene zu erreichen, verwendet man in der Fotografie bekanntlich ein Medium, das die Lichtstrahlen gesetzmäßig von seiner Geradlinigkeit ablenkt und sie wieder zu einem Punkt sammelt, nämlich das Objektiv.

Lochkameraaufnahme im Park

Mehr Licht durch das Objektiv

Um die Abbildungsgesetze der Fotografie von Grund auf kennenzulernen, haben wir uns in der vorherigen Lektion auf das Fotografieren ohne Objektiv, nur mit der Lochkamera beschränkt. Jetzt sollten wir uns damit befassen, weshalb eigentlich Objektive eingesetzt werden und was letztlich die Aufgabe des Objektivs ist.

Mangelnde Lichtstärke

Trotz der Faszination, welche fotografische Aufnahmen mit der Lochkamera ausstrahlen, ist uns während den Aufnahmeübungen klar geworden, dass wir innerhalb der Fotografie kaum mit solch geringen Lichtstärken auskommen werden.

Was jedoch tun? Wir könnten in einem ersten Schritt die Belichtungsöffnung entsprechend vergrößern. Doch entsteht dadurch statt einer punktförmigen Abbildung eines Gegenstandspunktes eine kreisförmige. Das Bild würde aus vielen solchen kreisförmigen «Unschärfekreisen» aufgebaut, die sich gegenseitig überlagern und sähe dann etwa so aus wie der Dom in Pisa in der Abbildung oben rechts. Das kann natürlich nicht die Lösung sein.

Durch die größere Belichtungsöffnung wird die Kamera lichtstärker.

Um trotz vergrößerter Belichtungsöffnung einen scharfen Abbildungspunkt zu erhalten, müsste man die Lichtstrahlen beim Passieren der Belichtungsöffnung wieder auf einen Punkt konvergieren können. Dazu benötigt man ein brechendes Medium z. B. aus Glas in Form einer Linse. Tritt ein Lichtstrahl schräg in ein optisch dichteres Medium ein, wird es von seiner geradlinigen Ausbreitungsrichtung abgelenkt, weil sich die Lichtgeschwindigkeit entsprechend der Mediumsdichte verringert (siehe Lichtbrechung Seite 37). Stellt man sich einen Glaskörper vor, der aus mehreren übereinandergelegten Glasprismen besteht, kann dies als Linsenform interpretiert werden. Ein auf dieses Gebilde fallendes Parallelbündel wird durch die unterschiedlichen Prismenwinkel der Einzelprismen entsprechend unterschiedlich gebrochen. Jeder einzelne Strahl aber verhält sich gesetzmäßig. Sind die Formen der Einzelprismen aufeinander abgestimmt, treffen sich alle Strahlen eines Parallelbündels in einem Punkt, dem Brennpunkt F'. Stellen wir uns weiter vor, wir würden die geraden Flächen der Prismen anschleifen, bis ein kontinuierlicher Übergang geschaffen ist, so entsteht ein neues, jeden Strahl entsprechend kontinuierlich brechendes Gebilde, eine Sammellinse. Wie aus der Darstellung rechts ersichtlich, hat eine solche Konvexlinse abbildende Eigenschaften. Das auf die Linse fallende Parallelbündel ist ja nichts anderes als die Fortsetzung eines divergenten (auseinanderlaufenden) Bündels eines sich im Unendlichen befindenden Gegenstandspunktes. Die Linse bildet im Punkt F', dem Brennpunkt, diesen unendlich weit entfernten Gegenstandspunkt als scharfen Bildpunkt ab.

Lochkameraaufnahme mit vergrößerter Belichtungsöffnung

Punktförmige Abbildung trotz vergrößerter Belichtungsöffnung

Brechung durch Linsen

Ähnliches geschieht, wenn wir einen Gegenstandspunkt betrachten, der sich näher bei der Linse befindet. Das von diesem Punkt ausgehende divergente Strahlenbündel wird von der Linse ebenfalls in einem Punkt (Bildpunkt P’) gesammelt, der sich jedoch weiter entfernt befindet als derjenige, der sich aus einem Parallelbündel gebildet hat. Das Bild y’ liegt dann außerhalb des Brennpunkts F'. Je nach Entfernung eines Gegenstandes von der Linse (Aufnahmedistanz oder Gegenstandsentfernung a) entsteht das Bild auf dem Brennpunkt (Aufnahmedistanz unendlich) oder weiter vom Brennpunkt entfernt. Oder anders gesagt: Die Bildentfernung a’ (Distanz zwischen Linse und Bild und damit der Kameraauszug) ist abhängig von der Brennweite der Linse und der Aufnahmedistanz.

Aufgabe des Objektivs

Mit Hilfe eines zusätzlichen optischen Mittels, einer sammelnden Linse, können wir also die Forderung erfüllen, trotz vergrößerter Belichtungsöffnung eine punktförmige Abbildung zu erreichen. Der auf den ersten Blick einzige Nachteil gegenüber der Belichtungsöffnung durch ein kleines Loch: Das Bild erscheint nur noch in einer einzigen korrekt eingestellten Bildentfernung scharf. Bei der Lochkamera mussten wir darauf keine Rücksicht nehmen. Wählten wir einen langen Kameraauszug, entstand ein enger Bildausschnitt, bei kurzem Kameraauszug dagegen ein entsprechend weitwinkligeres Bild. Wird die Lochkamera durch den Einsatz einer Linse in ihrer Lichtstärke verbessert, geht dieser Komfort verloren; es gibt nur noch einen einzigen korrekten Kameraauszug, der von der Brennweite der Linse und von der Aufnahmedistanz abhängig ist. Im Gegensatz zur Lochkamera sind Linsen mit einer Reihe von Abbildungsfehlern behaftet.

Brennweite

Je nach Brechkraft der Linsen hat ein Objektiv eine kürzere oder längere Brennweite und benötigt daher in der Kamera einen kürzeren oder längeren Auszug.

Um den Begriff der Brennweite zu klären, erinnern wir uns an (unbewusste) Brennweitenbestimmungen, die wir als Kinder gemacht haben. Sicher waren auch Sie Besitzer eines «Brennglases» oder einer Briefmarkenlupe, was nichts anderes als eine einfache Sammellinse war. Damit haben wir die parallel einfallenden Strahlen der Sonne durch Abstandsänderung auf einen Punkt gebündelt und mit dem entstandenen Brennpunkt ein Papier oder ein Stück Holz angebrannt. Betrachten Sie dazu noch einmal die Abbildung unten rechts auf vorangehender Seite, die das Brechungsprinzip der Sammellinse zeigt. Dort sind links der Linse parallel einfallende Lichtstrahlen gezeigt. Parallele Strahlen symbolisieren das Strahlenbündel, das von einem Gegenstandspunkt herkommt, der sich in unendlicher Entfernung befindet. Durch die brechenden Eigenschaften der Linse werden diese parallel einfallenden Strahlen zu einem einzigen Punkt gesammelt, dem Brennpunkt, der zudem das Bild des Gegenstands darstellt. Als Brennweite bezeichnet man die Distanz zwischen der Linse und diesem Brennpunkt.

Brennweite, Kameraauszug und Bildgröße

Die Brennweite ist abhängig von Glasart, Krümmung und Linsendicke. Je nach Brennweite erzeugt ein Objektiv die bilderzeugenden einzelnen Konvergenzpunkte in kleinerer oder größerer Distanz und lässt dadurch unterschiedlich große Bilder entstehen. Da wir jedoch normalerweise immer ein gleichbleibendes Aufnahmeformat verwenden, entstehen auf dem Negativ unterschiedliche Ausschnitte der Gegenstandsebene.

Perspektive

Mit Hilfe unseres doppeläugigen Sehens erkennen wir die Tiefe eines dreidimensionalen Raums, wir sehen räumlich. Schließen wir hingegen ein Auge, haben wir bekanntlich recht große Mühe, diese dritte Dimension, die Tiefe des Raums, genau abzuschätzen. Sie kennen das unsichere Gefühl beim Autofahren, wenn Ihnen aus irgendeinem Grund ein Auge tränt und Sie gezwungen sind, ein kleines Stück einäugig zu fahren. Wir sind in solchen Fällen kaum mehr fähig, Distanzen richtig abzuschätzen. Bei den üblichen Abbildungsverfahren entfällt – mit Ausnahme der Stereofotografie – das doppeläugige Sehen. Normale Kameras haben ein einzelnes Objektiv, die Darstellung entspricht der einäugigen Betrachtung. Dadurch werden die drei Dimensionen eines Gegenstands auf deren zwei reduziert, nämlich auf Höhe und Seite des flächigen Bildes. Die dritte Dimension muss mit Hilfe der Perspektive vorgetäuscht werden. Das geschieht in der Fotografie, die nach den Gesetzen der Zentralperspektive arbeitet, automatisch. Wir haben jedoch verschiedene Möglichkeiten, diese natürliche Tiefenprojektion zu beeinflussen.

Abbildungsmaßstab und Perspektive

Der Abbildungsmaßstab, das heißt, das Verhältnis der Bildgröße (Abbildungsgröße in der Filmebene) zur Gegenstandsgröße wird bei gleicher Aufnahmedistanz mit zunehmender Brennweite immer größer. Sonst ändert sich aber nichts! Vergrößert man nämlich eine Aufnahme, die mit kürzerer Brennweite gemacht wurde, so weit, bis das Objekt dieselbe Größe aufweist wie auf dem Bild, das mit langer Brennweite aufgenommen wurde, sieht man zwar eine erhebliche Körnigkeit jedoch keinen Unterschied in perspektivischer Hinsicht. Die Objektivbrennweite allein hat demnach keinen Einfluss auf die Perspektive. Bezeichnungen wie «Tele- oder Weitwinkelperspektive», die man manchmal in Veröffentlichungen findet, sind daher verwirrende Hirngespinste.

Dagegen wirkt sich die Aufnahmedistanz unabhängig der verwendeten Brennweite auf die Perspektive aus. Wir können Abbildungen mit unterschiedlichen Maßstäben statt mit verschiedenen Brennweiten auch realisieren, indem wir mit gleichbleibender Objektivbrennweite aus verschiedenen Distanzen Aufnahmen machen. In diesem Fall ändert sich die Perspektive von Bild zu Bild. Sie können das leicht daran erkennen, dass bei kurzer Aufnahmedistanz die Fluchtlinien stärker zusammenlaufen als dies bei einer größeren Aufnahmedistanz der Fall ist. Oder anders gesagt: Je kürzer die Aufnahmedistanz, umso stärker konvergieren die in die Tiefe führenden Fluchtlinien.

Luftperspektive

Bei Landschaftsaufnahmen erfolgt die Darstellung der Tiefe durch den verminderten Kontrast bei zunehmender Entfernung. Je größer der Luftanteil zwischen Kamera und aufzunehmenden Hügelzügen, umso stärker verblauen die Farben. Weiter entfernte Hügelzüge erscheinen uns zunehmend blauer und heller bis sie schließlich im Dunst der Unkenntlichkeit verschwinden.

Durch die schwarzweiße Abbildung mit Hilfe eines panchromatischen Films oder durch farbige Darstellung unterstützen wir diese Vortäuschung der Tiefe. Verwendet man beim Schwarzweißfilm jedoch ein blauabsorbierendes Filter (gelb, orange, rot), wird Blau dunkler wiedergegeben und dementsprechend die Luftperspektive gemildert. Nahezu vollständig aufgehoben wird sie durch Aufnahme mit einem Infrarotfilm (Kodak Infrared HighSpeed), unter Verwendung eines starken Rotfilters oder sogar eines Schwarzfilters, das sichtbares Licht vollständig absorbiert).

Veränderungen der Tiefenwirkung sind natürlich auch durch Einbezug eines Vordergrunds möglich. Die geschickte Wahl eines nahen Vordergrundobjekts steigert die Wirkung der dritten Dimension beträchtlich. Landschaftsaufnahmen ohne miteinbezogenen Vordergrund wirken flach und dadurch meist langweilig.

Wie wichtig die Kenntnisse über die Gesetze der Perspektive sind, wird Ihnen im Übrigen auch bewusst, wenn Sie an die oft enttäuschende Wirkung von Aufnahmen vor real bedrohlich erscheinenden Abgründen oder Felshängen denken. Wenn man sich über einen Abgrund neigt und nach unten fotografiert, entsteht ein relativ belangloses Bild, das bei keinem Bildbetrachter Schwindelgefühle auslöst.

Beeinflussung der Perspektive

Zur zweidimensionalen Darstellung der dritten Dimension Tiefe verwenden wir Fluchtlinien. Eine Beeinflussung ist lediglich durch unterschiedliche Aufnahmedistanzen gegeben. Zur Wiedergabe der Höhe hingegen sind in den meisten Flächen Fluchtlinien der Senkrechten unerwünscht. Beim formatfüllenden Fotografieren eines Bauwerks mit starrer Kamera kommt es oft vor, dass man die Kamera mehr oder weniger stark nach oben schwenken muss und somit die Lage der Bildebene nicht mehr parallel zu den Senkrechten des Bauwerks steht. Das Dach ist wesentlich weiter entfernt als die Grundmauern und wird dadurch kleiner dargestellt. Das Bauwerk verjüngt sich nach oben, man hat das Gefühl, es neige sich nach hinten. Es sind «stürzende Linien» entstanden, die in einigen Fällen wohl den Eindruck schwindelnder Höhe und Dynamik vorgaukeln, oft jedoch unerwünscht sind, weil sie eine unrealistische Perspektive vortäuschen.

Stellt man bei gleichem Standpunkt die Kamera gerade, ist sehr viel Boden und vermutlich nicht das ganze Haus abgebildet. Mit einer starren Kamera ist das Problem so lösbar, dass man die Aufnahmedistanz so weit vergrößert, bis auch bei lotrecht gehaltener Kamera das ganze Bauwerk abgebildet wird. Den dadurch dominant abgebildeten Boden kann man bei der Bildbearbeitung wieder wegschneiden. Zu verschiedenen Kleinbildkameras sind sogenannte Shift-Objektive erhältlich (auch PC-Objektive; Perspective Correcture), die sich parallel zur Filmebene verschieben lassen, sodass trotz relativ kurzer Aufnahmedistanz und senkrecht gehaltener Kamera das ganze Gebäude ohne stürzenden Linien abgebildet wird.

Und nicht zuletzt können stürzende Linien in der analogen Fotografie auch beim Vergrößern entzerrt (siehe Band 1) oder bei digitalen Systemen in der nachträglichen Bildbearbeitung wieder gerade gestellt werden, wie die Bildbeispiele unten zeigen.

10

Physikalische Optik

Lichtentstehung

Licht kann auf mehrere unterschiedliche Arten erzeugt werden:

Temperaturstrahler

Erhitzt man einen beliebigen Stoff, der im Normalfall einen festen Aggregatzustand aufweist, so beginnt er beim Erreichen einer bestimmten Temperatur zu glühen, das heißt, Licht auszusenden. Dabei ist es völlig gleichgültig, welche Beschaffenheit der Stoff aufweist. Beim Erreichen gewisser Temperaturen ist die Farbe des ausgesendeten Lichts – unabhängig von der stofflichen Zusammensetzung – immer gleich.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Relation zwischen der Temperatur eines Stoffes und der ausgestrahlten Lichtfarbe. Die Temperaturangabe erfolgt sowohl in «unserer» gewohnten Celsius-Skala (°C) wie auch in der absoluten Temperaturskala von Kelvin (K). Der absolute Nullpunkt, die tiefstmögliche Temperatur überhaupt, liegt bei rund – 273 °C, was 0 K entspricht. Gefrierendes Wasser weist demnach eine Temperatur von 0 °C oder 273K auf, kochendes Wasser ist 100 °C oder 373K warm. Die absolute Temperaturskala hat den Vorteil, nur mit positiven Werten rechnen zu müssen.

Bei dieser Art der Lichtentstehung geht man den – nicht besonders wirkungsvollen – Umweg über die Wärme. Die bekannteste Art eines auf diese Weise arbeitenden Temperaturstrahlers ist die herkömmliche Glühlampe. Bei dieser wird durch die Metallwendel ein elektrischer Strom geschickt. Dadurch wird das Wendelmetall so heiß, dass es beginnt, weißes Licht auszustrahlen. Um einer Verbrennung der Leuchtwendel vorzubeugen, gibt man diese in einen von Luft evakuierten Glaskolben. Oder aber man ersetzt den Luftraum innerhalb des Glaskolbens durch Stickstoff (Nitra-Lampe) oder ein Edelgas (Krypton-Lampe). Je nach Lampenart strahlt eine Glühlampe rund 10% der Energie in Form von Licht ab. Die restliche frei werdende Energie ist Wärme. Dieser schlechte Wirkungsgrad ist der Grund, weshalb die herkömmliche Glühlampe voreilig aus dem EU-Raum verbannt wurde.

Kerzenlicht strahlt mit etwa 1300 K. Die Temperatur von Petroleumlicht ist höher und daher farblich kälter.

Auch andere Lichtquellen, die durch Verbrennung eines Stoffs Licht aussenden (Feuer, Kerzen), sind Temperaturstrahler. Im früheren Blitzlämpchen (Kolbenblitz) wird in einer Sauerstoffatmosphäre Magnesium-, Aluminium- oder Zirkoniumwolle «blitzartig» verbrannt. Die altbekannte Kohlenbogenlampe, die Sonne und alle anderen Lichtquellen, die Licht über den Umweg von Wärme erzeugen, sind Temperaturstrahler. Das durch Temperaturstrahler entstehende Spektrum ist kontinuierlich (siehe Seite 25).

Nichttemperaturstrahler

Licht kann jedoch nicht nur über den Umweg von Wärme entstehen. Wie wir aus Erfahrung wissen, existieren Lichtquellen, die sich bei der Emission nicht merklich erwärmen. Solche sogenannte Lumineszenz-Erscheinungen, das heißt, die Lichtentstehung ohne Wärmeentwicklung, kann zum Beispiel durch die Anregung von Gasatomen in einer Glasröhre durch Elektrizität erfolgen. Da die Leuchterscheinungen solcher Strahler ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur wirken, spricht man auch von «kaltem Licht».

Das Spektrum von Nichttemperaturstrahlern ist im Gegensatz zu demjenigen der Temperaturstrahler nicht gleichmäßig, das heißt, es ist diskontinuierlich (siehe Seite 25). Die wichtigsten Nichttemperaturstrahler sind Gasentladungslampen, wie Elektronenblitzröhren, Leuchtstoffröhren, Neonröhren, Natriumdampflampen, Quecksilberdampflampen.

Neben der Gasanregung gibt es noch eine Reihe von weiteren Lumineszenz-Erscheinungen:

Phosphoreszenz (Nachleuchter)

Gewisse Phosphorstoffe leuchten mehr oder weniger lang nach, auch wenn sie nicht mehr mit Licht bestrahlt werden. Wir kennen diese Erscheinung bei Leuchtfarben, Leuchtziffern, faulendem Holz usw.

Fluoreszenz (Aufleuchter)

Andere Substanzen, wie zum Beispiel Fluorite, leuchten bei Bestrahlung auf. Die Lichterscheinung verschwindet, sobald die anregende Bestrahlungsquelle ausgeschaltet wird. Neben sichtbaren Lichtstrahlen können die anregenden Strahlen auch Ultraviolett-, Röntgen- oder Elektronenstrahlen sein.

Unsere üblichen Leuchtstoffröhren sind an der Innenwandung mit einem Fluoreszenzstoff belegt, der im sichtbaren Bereich zu strahlen beginnt, wenn er von der kurzwelligen UV-Strahlung der Gasentladung getroffen wird. Er wandelt gewissermaßen die kurzwellige UV-Energie in eine langwelligere sichtbare Strahlung um. Dasselbe geschieht in der früheren Fernsehröhre (Catode Ray Tube). Hier leuchten die farbigen Leuchtstoffpunkte auf, wenn sie vom Elektronenstrahl der Strahlkanone getroffen werden. Der Fluoreszenzschirm beim früheren Durchleuchteapparat oder beim Schirmbild leuchtet hell auf, wenn er von (unsichtbaren) Röntgenstrahlen angeregt wird.

Natur des Lichts

Die banale Frage «Was ist Licht?» kann zu Kopfzerbrechen führen. Für die Antwort und Erklärung benötigt man zwei Denkmodelle, zwei Theorien, die einander ergänzen.

Wellentheorie

Licht ist aus dem riesigen Gebiet elektromagnetischer Wellen ein winziger Ausschnitt, für den der Mensch ein direktes Empfangsorgan, das Auge, besitzt. Wie aber muss man sich eine elektromagnetische Strahlung eigentlich vorstellen? Machen wir dazu ein Gedankenexperiment mit einem einfachen Modell: Ein Atom kann man sich vereinfacht als Schalenmodell denken. Um einen Kern kreisen auf verschieden entfernten Bahnen Elektronen, einem planetarischen System nicht unähnlich. Stellen wir uns jetzt vor, wir würden ein solch kreisendes Elektron durch äußere Energieeinwirkung – zum Beispiel durch starke Erhitzung (Temperaturstrahler) oder durch Beschuss mit anderen Elektronen (Gasentladungslampe) – etwas weiter vom Kern wegstoßen. Die Energie, die man dazu aufwenden müsste, ist jetzt gewissermaßen im Elektron gespeichert. Es befindet sich auf einem «höheren Energieniveau». Fällt es wieder auf die ursprüngliche Kreisbahn des «tieferen Energieniveaus» zurück, wird die ursprünglich aufgewendete Energie in irgendeiner Form wieder frei. Bei einem solchen ständigen Wechsel vom energiereicheren in den energieärmeren Zustand (Wechsel der Elektronenschale) und umgekehrt wird die Energiedifferenz als elektromagnetische Strahlung emittiert.

Oszillierendes Elektron

Ein oszillierendes (ständig schwingendes) Elektron führt zu einer Störung des elektrischen Feldes. Jede Änderung des elektrischen Feldes aber bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes. Es entsteht eine sich allseitig und wellenförmig ausbreitende Störung des Magnetfeldes, eine elektromagnetische Störwelle. Je nach Oszilliergeschwindigkeit entstehen unterschiedlich lange Wellen. Die Energie ist proportional zur Störfrequenz, was nichts anderes bedeutet, als dass die Energie umso größer, je kleiner die Wellenlänge ist.

Elektromagnetische Störwelle

Licht ist nur ein winziger Ausschnitt aus dem riesengroßen Bereich elektromagnetischer Wellen.

Die Wellenlänge bestimmt den Farbeindruck. Wir empfinden Wellen mit der Länge von etwa 400 bis 500nm als Blau, solche von 500 bis 600nm als Grün, und Wellen zwischen 600 und 700nm als Rot. Trifft auf unser Auge ein Wellenlängengemisch zwischen rund 400 und 700nm, bezeichnen wir diesen Eindruck als «weißes Licht».

Die Amplitude bestimmt die Strahlungsintensität, die wir bei Licht als Helligkeit bezeichnen. Die Frequenz ist die Schwingungszahl pro Sekunde. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Strahlung mit rund 300 000km pro Sekunde im Vakuum konstant bleibt, ist die Frequenz umso größer, je kleiner die Wellenlänge ist.

Korpuskulartheorie

Viele Phänomene in der Optik lassen sich mit Hilfe der Wellentheorie begründen und erklären. Für andere ist die Theorie ungeeignet. Hier hilft die Teilchentheorie. Man stellt sich dabei Licht als winzig kleine Energieteilchen vor, die eine bestimmte Masse besitzen, und bezeichnet solche Teilchen als Lichtquanten oder Photonen.

Etwas vereinfacht und für unsere Zwecke völlig genügend, lässt sich das Modell der Korpuskulartheorie wie folgt erklären:

Die wichtigsten Atombauteile kennen wir. Es sind die relativ massereichen positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden. Die Elektronen, negativ geladen und rund 2000-mal masseärmer, umkreisen in respektvoller Distanz diesen Kern. Unter gewissen Voraussetzungen ist es möglich, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei seine positive Ladung verliert. Bei diesem Beta-Zerfall entstehen neben dem Neutron zwei weitere leichte Teilchen, ein «ungeladenes Elektron», Neutrino und ein «positives Elektron», Positron genannt. Die Existenz dieser beiden Teilchen ist wissenschaftlich gesichert und ausreichend nachgewiesen.

Beta-Zerfall