Beugung und förderliche Blende

Im folgenden werde ich mich bemühen, ein paar physikalische Gegebenheiten etwas vereinfacht und allgemein verständlich wiederzugeben. (teilweise entnommen aus: ColorFoto 10/2006, S.81, mit freundlicher Genehmigung des Verlags)

Was ist Beugung?
Diesen Effekt kann man sich gut vorstellen, wenn man in einem Hafen mit 2 vorgelagerten Kaimauern beobachtet, was im Hafeninneren mit den Wellen passiert. Da geht nicht bloß einfach der Wellenanteil zwischen den Kaimauern gerade durch, sondern hinter den Kaimauern entstehen beidseits halbkreisförmige Wellen infolge des Beugungseffekts.
Lassen wir die Kaimauern gedanklich wie eine Blende wirken und machen die Einfahrt mal ganz eng. Es kommen immer weniger Wellen gerade durch, aber der Beugungseffekt nimmt zu. Was sich dabei ändert, ist die Relation von “natürlichen” und “gebeugten” Wellen, also immer mehr Störungen bei immer weniger geraden, harmonischen Wellen. Verkompliziert wird das Ganze noch dadurch, dass die gebeugten Wellen mehr oder weniger schräg verlaufen und irgendwo reflektiert werden.

Beugung von Wellen hinter einer kleinen Insel

Auf diesem Foto sieht man sehr anschaulich die Auswirkung der Beugung an einem festen Hindernis.  Starker Seitenwind von links verursacht auf einem See kurze, steile Wellen. Diese werden durch die kleine Insel nicht einfach gebrochen oder gar ausgelöscht, sondern auf der Rückseite um die Insel herum gelenkt und überlagern sich dort.

Licht besteht bekanntlich auch aus Wellen und folgt daher denselben Gesetzen wie die Wellen im Wasser. Der Unterschied (irgendwo muss ja jeder Vergleich hinken ) besteht hauptsächlich darin, dass eine Blende kreisförmig, die Hafeneinfahrt aber linear ist, diese sich also nur in einer Ebene befindet. In der Praxis bedeutet das, dass der Effekt der Beugung an einem Blendenkreis ungleich stärker ist. Wenn die Blende etwas geschlossen wird, trifft ein deutlich geringerer Anteil des ungebeugten Lichts auf den Sensor, während der Anteil des gebeugten Lichts immer größer wird – die sog. Beugungsscheibchen werden mit zunehmend geschlossener Blende immer größer. (leider natürlich nicht linear!)

Irgendwann und zwar ab der sog. förderlichen Blende wird der Effekt dann sichtbar – als Unschärfe, wo eigentlich keine sein sollte.

Was ist die förderliche (od. begrenzende) Blende?
Das ist jene kleinste Blende, bei der noch relativ viel mehr “natürliches” Licht vorhanden ist und der Effekt des gebeugten Lichts noch nicht störend im Bild zu sehen ist. Das Maß für die förderliche Blende ist nur von der Pixelgröße des verwendeten Sensors (= Abstand zwischen zwei Pixeln) abhängig. Diese nicht ganz unwichtige Angabe verschweigen die Kamerahersteller gerne, in den Tests der renommierten Fotozeitschriften findet man diesen Wert, manchmal wird auch gleich die förderliche Blende angeführt.

Ein paar stellvertretende Beispiele:

Mittelformatkameras:

Spiegelreflexkameras:

Kompaktkameras:

Mit folgender Näherungsrechnung kann sich jeder für seine Kamera die förderliche Blende ausrechnen:

Pixelgröße in Mikrometer (µ) x 1,63 = Förderliche Blende

(In der Praxis kann – insbesondere bei Kompaktkameras – noch etwa eine Blendenstufe stärker abgeblendet werden, weil die Auflösung des Objektivs im allgemeinen geringer als jene des Sensors ist)

Was hierbei noch unerwähnt blieb, sind konstruktive Tricks der Objektiventwickler, die diese Effekte noch verstärken oder abschwächen können. So ist u.a. die Position (und die Form) der Blende im Strahlengang nicht ganz unwichtig und auch ein optischer IS (image stabilizer) kann sich nachteilig auf die optische Qualität auswirken. Das führt hier aber zu weit.

Das Resultat unserer Überlegungen:

• Die teuerste Kamera und das teuerste Spitzenobjektiv sind nicht davor gefeit.
• Beugung entsteht an der Blende und ist trotzdem direkt abhängig von der Größe der Sensor-Pixel.
• Abblenden sollte man nur soweit als unbedingt nötig.
• Kameras mit unter 2µ darf man eigentlich nicht viel mehr als bis Bl. 4 – 5 (!!!) abblenden, wenn man nicht nachher die Beugungseffekte mit den entsprechenden Verlusten wieder aus dem Bild herausrechnen lassen will. (Unscharf maskieren, selektive Schärfekorrektur usw.)
• Bei heute üblichen Kompakten mit Mini-Sensoren von 1/2,5″ und  bis zu 16 MP ergibt sich ein Pixel-Abstand von weniger als 1,5µ. Die daraus resultierende förderliche Blende beträgt dann unter 1:2,5. Bei den meisten Kameras ist die größte Blende aber bestenfalls 2,8 oder 3,3 und reicht im Tele bis 5,6. Diese Kameras arbeiten somit FAST ALLE in einem Bereich, wo Beugungsartefakte bereits eine Rolle spielen.
  Das erklärt auch den “merkwürdigen” Kurvenverlauf der div. Belichtungs-Programme von Kompaktkameras. Die arbeiten fast ausschließlich mit der Belichtungszeit und blenden meist erst dann ab, wenn keine kürzere Belichtungszeit mehr möglich ist.
  Sonst würden nämlich die Beugungsartefakte das Bild ganz auffressen und man hätte nur noch verrauschten Matsch am Foto…

Hinzu kommt noch:
Bei geringerer Sensorgröße ist die resultierende Schärfentiefe größer, das Bokeh (also der Schärfentiefe-Verlauf) aber wieder schlechter, bei großer Sensorgröße (Vollformat, Mittelformat) entsprechend umgekehrt.

Was unter diesem Aspekt vom Pixel-Wahn(sinn) und dem Bestreben der Hersteller zu halten ist, noch mehr Pixel auf immer kleinerer Fläche unterzubringen, kann sich jeder selbst ausdenken.

Erhebt sich nun nur mehr die Frage, weshalb denn die Hersteller diese Firmenpolitik verfolgen. Ganz klar – Laien kann man leicht einreden, dass die Bildqualität besser wird, je mehr Auflösung die Kamera hat. Klar, es will ja jeder seine Fotos auf die nächste Hausmauer projizieren oder Werbeplakate drucken lassen, denn nur dort machen derartig hohe Auflösungen noch einen Sinn – für alles andere reichen 6 – 8 Megapixel locker aus! Zum Vergleich: Ein guter HD-Monitor kommt mit 1920 x 1080 Pixeln aus, das sind gerade mal 2 Megapixel und mehr als genug für eine erstklassige Darstellung auf einem 22 bis 24 Zoll Monitor und sogar auf einem modernen HD-TV mit über 1m Diagonale…

Gott sei Dank beginnen manche Hersteller, diese Schraube wieder in die andere Richtung zu drehen. So wurde bei der Canon Powershot G11 die Auflösung bei gleicher Sensorgröße wie beim Vorgängermodell G10 von etwa 14 MPx auf 10 MPx reduziert.

Wie sieht denn nun diese viele graue Theorie in der Praxis aus?

Dazu ein Testfoto, das ich in einem dpreview-Forum mit dem Thema Canon 7D und deren Vor- und Nachteilen gefunden habe.

Siehe http://forums.dpreview.com/forums/read.asp?forum=1019&message=33302097

Die Aufnahmen wurden mit dem neuen Canon 2,8/100 mm Makro mit IS bei Blende 4 – 22 gemacht. Interessant, dass zumindest in dieser Vergrößerung eine sichtbare Einschränkung der Bildqualität durch Beugung bei Blende 11 nur mit sehr viel Phantasie sichtbar wird, gering störend bei Blende 16 und deutlich störend erst bei 22 auftritt.

In der Praxis zeigt das, dass man die theoretisch ermittelte förderliche Blende ohne sichtbare Einschränkungen um 1 und mit minimalen Einschränkungen um 2 Blenden überschreiten darf – jedenfalls bei unkritischen Motiven.

Einen ausgezeichneten (englischsprachigen) Artikel zu diesem Thema habe ich hier gefunden: http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction-photography.htm
Dort werden die physikalischen Effekte noch viel detaillierter besprochen, als ich das hier getan habe. Auch die inzwischen aufgetauchte Frage, warum bei langbrennweitigen Objektiven mit großer Blendenöffnung die Beugung nicht geringer ist: Der “Gewinn” wird durch den weitaus größeren Abstand der Blende vom Sensor wieder aufgehoben.

Wie sagte der ehemalige österreichische Bundeskanzler Alfred Sinowatz?
“Es ist alles net ganz so einfach!”