Fotoapparat Physik

Kamera Erklärung

Der Begriff Kamera stammt ursprünglich aus dem Lateinischen "Camera obscura", was so viel bedeutet wie "dunkle Kammer" und geht zurück auf die erste und einfachste Kamera, die Du auch selbst bauen kannst, die Lochkamera.

Die Lochkamera ist jedoch eher als einfacher Vorgänger heutiger Kameras anzusehen und findet im Alltag wenig bis keine Verwendung.

Abbildung 1: Lochkamera

Du hast jetzt bereits einige Fachbegriffe kennengelernt. Analog, digital und Film, aber was ist das eigentlich und was hat das mit einer Kamera zu tun?

Fotoapparat Physik Grundlagen

Eine Kamera besteht im Wesentlichen aus einem lichtdichten Gehäuse, an dem ein Objektiv angeschlossen ist.

Der wohl wichtigste Teil einer Kamera befindet sich jedoch im Inneren. Die Rede ist von dem lichtempfindlichen Bereich, der letztlich auch das Bild erzeugt oder abbildet.

Ältere analoge Kameras haben einen Film im Inneren, dieser besteht aus einer Trägerfolie, die einen Film lichtempfindlicher Chemikalien enthält. Diese Art der Aufnahme wird auch analoge Fotografie genannt. Du kennst das vielleicht von Sofortbildkameras, die das Foto sogar direkt fertig ausgeben.

Abbildung 2: Fotoapparat Film Quelle: pixabay.com³

Trifft Licht auf diese Chemikalien, werden je nach Art des Films entweder nur die Lichtunterschiede abgebildet, also ein Schwarz-Weiß-Foto, oder auch Farbdaten erfasst. Die Bilder auf dem Film werden auch Negative genannt, da sie nachträglich noch in einem Labor entwickelt werden müssen, um ein fertiges Foto zu erzeugen.

Die physikalische Funktionsweise eines digitalen Fotoapparates unterscheidet sich kaum von der analogen Arbeitsweise. Anstatt eines Films wird ein lichtempfindlicher Sensor verwendet, der das einfallende Licht direkt in elektrische Signale umwandelt, digital erfasst und als Datei abspeichert.

Abbildung 3: Sensor SystemkameraQuelle: pixabay.com⁴

Eine wichtige Eigenschaft, um die Leistungsfähigkeit einer Kamera zu beschreiben, ist ihre Auflösung.

Allgemein gilt: Je mehr Pixel eine Kamera aufnehmen kann, desto detailreicher sind ihre Aufnahmen.

In der Physik, allem voran der Astronomie, werden die leistungsstärksten Kameras verwendet.

Fotografie Physik

Fotografie hat eine große Bedeutung in der Welt der Physik. Wusstest Du, dass auch Teleskope Kameras sein können? Das Dezember 2021 ins All gebrachte James-Webb-Teleskop ist mit seinem einzigartigen Spiegelsystem das leistungsstärkste Teleskop aller Zeiten und damit auch eine der besten Kameras für entfernte Objekte.

Es ist nämlich nicht nur möglich, Objekte im sichtbaren Licht zu fotografieren, gerade im Infrarotbereich können beispielsweise in der Astronomie viele neue Erkenntnisse gewonnen werden, allerdings müssen diese Bilder nachträglich bearbeitet werden, um die Farben sichtbar zu machen.

Abbildung 4: Carina Nebel MilchstraßeQuelle: NASA/ESA/CSA⁵

Die Auflösung der Sensoren des James-Webb-Teleskops im Infrarotbereich so fein, dass selbst 2 Hummeln auf dem Mond unterschieden werden könnten. Bei klassischen Systemkameras hält die Kamera des SLAC-Laboratoriums Stand 2022 in Kalifornien mit 3200 Megapixeln den Rekord der höchsten Auflösung.

Wie ist aber eine Kamera grundsätzlich aufgebaut?

Funktionsweise & Aufbau Fotoapparat Physik

Der grundlegende Aufbau einer Kamera hat sich seit über 100 Jahren kaum verändert. Ein Objektiv, das die Optik bzw. die Linsen enthält, die das Licht in das Innere der Kamera leiten, sitzt direkt vor dem Sensor oder dem Film.

Unmittelbar hinter den Linsen sitzt die Blende, die den Lichteinfall steuert, indem die Öffnung entweder auf oder zu gefahren wird. Der Verschluss vor dem Sensor ist für die Belichtungszeit verantwortlich, indem er den Sensor für eine vorgegebene Zeit dem Licht aussetzt.

Eine entscheidende Eigenschaft des Objektivs, die Du auch bei jedem Objektiv in den technischen Daten finden wirst, ist die Brennweite. Die Brennweite gibt den Abstand der Linse zum Sensor an und bestimmt, wie groß der Bildausschnitt ist, der erfasst wird.

Eine Brennweite von 50 mm entspricht in etwa dem Sichtfeld Deiner Augen. Ist die Brennweite höher, wird der Bildausschnitt kleiner. Daher haben Zoom-Objektive meist eine Brennweite von mehr als 250 mm.

Ist die Brennweite kleiner als 50 mm, wird der Bildausschnitt als weitwinklig bezeichnet, da bei gleichem Abstand zum Motiv mehr zu sehen ist als bei größeren Brennweiten. Aber wo ist der genaue Unterschied in der Funktionsweise von digitalen Kameras im Vergleich zu analogen Geräten?

Bei digitalen Kameras sitzt zusätzlich noch der Prozessor im Gehäuse, der die Bilddaten verarbeitet. Mit dem Sucher kann der Fotograf genau den Bildausschnitt anschauen, der später das fertige Bild ergibt.

Soviel zum schematischen Aufbau einer Kamera. Es gibt jedoch noch einige Einstellmöglichkeiten, die direkten Einfluss auf die Bildqualität haben, die Wichtigsten sind der ISO-Wert, die Brennweite sowie die Belichtungszeit.

ISO, Brennweite und Belichtungszeit berechnen

Hast Du schon einmal versucht, abends ein Bild aufzunehmen? Dir wird auffallen, dass die Bilder mit zunehmender Dunkelheit immer schlechter werden und viel Rauschen, also stark verschwommene, undetaillierte Bereiche enthalten. Hier wird der ISO-Wert einer Kamera wichtig.

Um ein helleres Bild zu erzeugen, kannst Du demnach einen höheren ISO-Wert einstellen, um die Lichtempfindlichkeit zu maximieren. Der Nachteil von hohen ISO-Werten ist, dass im fertigen Bild ein sogenanntes Bildrauschen entsteht.

In diesem Beispielbild erkennst Du deutlich das Bildrauschen aufgrund eines zu hohen ISO-Wertes im rechten Bild. Es sieht häufig danach aus, dass die Auflösung und Qualität des Bildes deutlich abnehmen.

Das linke Bild wurde bei einem geringeren ISO-Wert länger belichtet und hat deswegen trotz des geringeren ISO eine deutlich bessere Qualität.

Eine andere Möglichkeit, die Helligkeit eines Bildes zu verbessern, ist die Belichtungszeit zu erhöhen, also die Zeit, die der Sensor oder der Film dem Licht des Motivs ausgesetzt ist. In diesem Fall kommt tatsächlich mehr Licht und damit Information auf den Sensor und das Bild wird heller und detaillierter.

Um die Belichtungszeit bei Tageslicht zu berechnen, kannst Du eine Faustregel verwenden und den Kehrwert der verwendeten Brennweite benutzen:

\(t_{Belichtung}=\frac{1}{|f|}\)

Bei einer Brennweite f von 50 mm ergibt sich damit eine Belichtungszeit t von:

\(t_{Belichtung}=\frac{1}{50}s\)

Der Nachteil hierbei ist, dass mit zunehmender Belichtungszeit die Schärfe des Bildes abnimmt, sobald sich etwas im Bildausschnitt bewegt, weshalb bei größeren Brennweiten sehr kurze Belichtungszeiten gewählt werden sollten.

In der Abbildung siehst Du den Strahlengang von Licht, das auf die Kamera trifft. Das einfallende Licht trifft idealerweise parallel auf die Linse und wird gleichmäßig gebrochen, hin zu einem Punkt, dem sogenannten Brennpunkt F. Der Brennpunkt liegt auf der optischen Achse, diese ist eine gedachte Linie, die durch den Mittelpunkt der Linse geht.

Damit Du die wichtigsten Punkte zum Fotoapparat nicht vergisst, gibt es zusammengefasst hier noch einmal das Wichtigste: