PF:Ein Bild mit einer Spiegelreflexkamera aufnehmen

Um die Bedienung einer Spiegelrefelxkamera zu erleichtern, soll dieser Artikel einen kurzen Überblick über die wichtigsten Einstellungen geben. Auf die kameraspezifische Bedienung der Canon EOS 77D und deren Zubehör wird auf den entsprechenden Wiki-Seiten genauer eingegangen.

Spiegelreflexkamera Canon EOS 77D

Erste Schritte

Neben einer Kamera mit Objektiv werden ein Akku oder ein Netzteil und eine Speicherkarte benötigt. Für den Akku gibt es auf der Unterseite der Kamera ein Akkufach und für die Speicherkarte befindet sich der Steckplatz seitlich an der Kamera. Das Objektiv kann abgenommen werden, indem die Objektiventriegelungstaste gedrückt und gleichzeitig das Objektiv von vorne gesehen gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Ein Objektiv kann montiert werden, indem das Objektiv mit der Anschlussseite mit übereinstimmender Markierung in das Kamerabajonett gesteckt und anschließend von vorne gesehen im Uhrzeigersinn gedreht wird, bis die Objektiventriegelungstaste einrastet.

Canon Akku LP-E17

Canon EOS 77D von unten mit offenem Akkufach.

Speicherkartensteckplatz mit Speicherkarte.

Objektiv anschließen.

Die Objektivwahl

Ein Vorteil einer Spiegelreflexkamera ist, dass verschiedene Objektive montiert werden können. Damit die Wahl für das passende Objektiv leichter getroffen werden kann, werden in diesem Kapitel wichtige Kenngrößen von Objektiven vorgestellt.

• 

  Weitwinkel-Objektiv

• 

  Standardzoom-Objektiv

• 

  Normal-Objektiv

• 

  Makro-Objektiv

• 

  Tele-Objektiv

Für die Wahl des richtigen Objektivs können die Kriterien Bildwinkel, Lichtstärke und Einsatzzweck helfen.

Bildwinkel

Der diagonale Bildwinkel $\alpha$ für einen Sensor mit diagonaler Länge $d$ berechnet sich für die Brennweite $f$ mit

$\alpha =2\cdot \arctan \left({\frac {d}{2\cdot f}}\right)$.

Daraus folgt, dass größere Sensoren bei gleicher Brennweite einen größeren Bildausschnitt aufnehmen können. Um nun die Größe eines Bildausschnittes bei verschiedenen Kameras miteinander vergleichen zu können, rechnet man Brennweiten auf das Kleinbildformat um. Somit kann man berechnen, welche Brennweiten man bei verschieden großen Kamerasenoren benötigt, um den gleichen Bildausschnitt zu bekommen. Die Umrechnung erfolgt über den sogenannten Cropfaktor ${\textit {CF}}$ , welcher der Quotient der Sensordiagonalen von einem Kleinbildformatsensor $d_{\text{KB}}$, der auch Vollformatsensor genannt wird (engl. full frame) und einer weiteren Sensordiagonalen $d_{\text{Sensor}}$, ist:

${\textit {CF}}={\frac {d_{\text{KB}}}{d_{\text{Sensor}}}}.$

Zum Beispiel ergibt sich für das APSC-Sensorformat von Canon (22,3 mm x 14,9 mm) und dem Kleinbildformatsensor (36,0 mm x 24,0 mm) ein Cropfaktor ${\textit {CF}}$ von 1,6. Die Umrechnung einer Brennweite auf die äuqivalente Brennweite, deren Bildwinkel die Brennweite bei einem Kleinbildsensor erzielen würde, erfolgt über die Multiplikation mit dem Cropfaktor:

$f_{\text{eq}}={\textit {CF}}\cdot f.$

Ein Bild, das mit einem Objektiv mit einer Brennweite $f$ von 10 mm an einer Kamera mit einem APSC-Formatsensor (Canon) aufgenommen wird, hat also den gleichen Bildwinkel wie ein Objektiv mit Brennweite $f_{\text{eq}}$ von 16 mm an einer Kamera mit einem Kleinbildformatsensor.

Objektive mit einer Brennweite von 40 mm bis 58 mm im Kleinbildformat (APSC-Format (Canon): 27 mm bis 39 mm) werden als Normalobjektive bezeichnet . Entsprechend des größeren Bildwinkels bei Brennweiten unter 40 mm (im APSC-Format (Canon): 25 mm) werden diese Objektive Weitwinkel-Objektive genannt. Objektive mit Brennweiten über 58 mm (im APSC-Format (Canon): 39 mm) werden Tele-Objektive genannt.

Das APSC-Format (Canon) im Vergleich zum Kleinbildformat.

Diagonale Blickwinkel bei entsprechenden Brennweiten für einen APSC-Sensor von Canon mit einem Cropfaktor von 1,6. In Anlehnung an .

Brennweitenvergleich von 10mm bis 600mm an einer Canon Spiegelreflexkamera mit APSC-Format.

Lichtstärke

Bei einem Objektiv wird mit dem Begriff der Lichtstärke die maximale Blendenöffnung bezeichnet . Da bei Objektiven die Blende hinter mehreren Linsen sitzt, wird die hindurchgelassene Lichtmenge nicht durch die Größe der Aperturblende, sonderen durch deren virtuelles Bild (vgl. Lupe) beeinflusst. Das virtuelle Bild wird Eintrittspupille genannt und deren Öffnungsdurchmesser $D_{\text{EP}}$, kann über den Quotienten aus Brennweite $f$ und Blendenzahl $k$ (siehe Kapitel Belichtung) berechnet werden:

$D_{\text{EP}}={\frac {f}{k}}.$

Es ist jedoch ungebräuchlich, die Blendenöffnung in einer Längeneinheit anzugeben. Vielmehr wird der Ausdruck $f/k$ wie zum Beispiel $f/$2,8 verwendet. Auf Objektiven ist die Lichtstärke häufig als der normierte und einheitenlose Quotient von $D_{\text{EP}}$ und $f$ angegeben, wodurch sich für eine Blendenzahl von 1,4 die Notation 1:1,4 ergibt. Lichtstarke Objektive mit zum Beispiel $f/$2.8 und kleineren Blendenzahlen eignen sich besonders für Aufnahmesituationen in dunkler Umgebung und in Situationen, in denen eine kurze Verschlusszeit benötigen wird (Sport, Action, etc.). Des weiteren kann mit Lichtstarken Objektiven bei geöffneter Blende ein schmaler Schärfentiefenbereich und große Unschärfebereiche im Vorder- und Hintergrund erzeugt werden, was u.a. gerne in der Portraitfotografie genutzt wird, um Personen freizustellen.

Ein-und Austrittspupille bei einer Linse mit dahinterliegender Blende.

Einsatzzweck

Für manche Gebiete der Fotografie wurden spezielle Objektive konstruiert, die sich für einen Einsatzzweck besonders gut eignen. So haben zum Beispiel Makro-Objektive einen sehr hohen Abbildungsmaßstab von bis zu 1:1 oder sogar größer, sodass kleine Objekte vergrößert dargestellt werden können. In der Abbildung des Vergleichs von Abbildungsmaßstäben verschiedener Objektive an einer Canon EOS 77D ist deutlich zu erkennen, dass das Canon EF 100mm f/2.8L Macro IS USM den größten Abbildungsmaßstab von bis zu 1:1 hat und dessen Objektivkonstruktion auf eine nahe Fokusdistanz gerechnet wurde. Die anderen Objektive weisen zum Rand hin eine deutliche Unschärfe und zunehmend chromatische Aberrationen auf.

Symbol der Sensorebene, zu der die Fokusdistanz gemessen wird.

Objektive mit einem guten Abbildungsmaßstab erkennt man auch an der Naheinstellgrenze, welche meist auf dem Objektiv notiert ist und von der Sensorebene aus gemessen wird. Hierbei gilt, dass je kleiner die Naheinstellgrenze in Bezug auf die Brennweite ist, desto größer ist der Abbildungsmaßstab.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Objektive für spezielle Einsatzzwecke wie ein Tilt-Shift-Objektiv, das sich besonders für Architekturfotografie eignet, oder ein Fisheye-Objektiv, das einen besonders großen Bildwinkel hat. Da deren Anwendung jedoch etwas speziell ist, wird hier nicht näher auf diese Objektivarten eingegangen.

Vergleich von Abbildungsmaßstäben verschiedener Objektive an einer Canon Spiegelreflexkamera mit APSC-Format.

Die richtige Belichtung

Die Belichtung $H_{\text{v}}$ gibt die auf eine Fläche $A$ bezogene Lichtmenge $Q_{\text{v}}$an, die während der Belichtungszeit $t$ auf die belichtete Fläche eingefallen ist. Der Index "v" wird gesetzt, um zu markieren, dass hier nur der für das menschliche Auge wahrnehmbare Teil des elektromagnetischen Spektrums berücksichtigt wird. Bei einer homogenen Ausleuchtung der Fläche $A$ kann die Belichtung $H_{\text{v}}$ angegeben werden mit:

$H_{\text{v}}={\frac {Q_{\text{v}}}{A}}\qquad {\text{mit}}\qquad \lbrack H_{\text{v}}\rbrack =1\,\mathrm {\frac {lm\cdot s}{m^{2}}} =1\,\mathrm {lx\cdot s} .$

Bei einer zeitlich nicht konstanten Ausleuchtung kann die Belichtung berechnet werden, indem über die Beleuchtungsstärke $E_{\text{v}}$, welche den Lichtstrom $\Phi _{\text{v}}$ auf eine Fläche $A$ bezieht, integriert wird:

$H_{\text{v}}=\int _{0}^{t}E_{\text{v}}\,\mathrm {d} t\qquad {\text{mit}}\qquad \lbrack H_{\text{v}}\rbrack =1\,\mathrm {lx\cdot s} .$

Die zwei Größen, die die auf den Kamerasensor fallende Lichtmenge regulieren können, sind einerseits die Größe der Blendenöffnung und andererseits die Belichtungszeit. Zusammen mit dem ISO-Wert lässt sich schließlich die Helligkeit eines Bildes regeln. Diese drei Werte (Blendenzahl, Belichtungszeit und ISO) lassen sich bei der Nachbearbeitung nicht mehr verändern, weshalb näher auf diese Größen eingeganen wird.

Das Histogramm

Eine Unterstützung bei der richtigen Belichtung kann neben der Anzeige der internen Belichtungsmessung auch das Histogramm sein, welches die Häufigkeit der Pixel mit jeweiliger Helligkeit angibt. Hierbei werden 256 Helligkeitswerte angezeigt, die dem Tonwertumfang des JPEG-Formats entsprechen. Im folgenden Bild ist das Histogramm dieses Artikels geplottet, wobei man innerhalb des Histogramms sehr gut die Anteile auf der rechten Seite dem hellen Hintergrund und die Anteile auf der linken Seite dem dunklen Kameragehäuse zuordnen kann.

Die Spiegelreflexkamera Canon EOS 77D.

Das Histogramm des Titelbildes.

Damit im Bild über- oder unterbelichtete Stellen nicht vorhanden sind, aus denen keine Informationen auch bei der Nachbearbeitung mehr gewonnen werden kann, sollte darauf geachtet werden, dass das Histogramm an den Seiten des Diagramms nicht "abgeschnitten" wird. PF_Fotografie_Belichtungsstufen_Belichtungsmessung.jpg

Anzeige der kamerainternen Belichtungsmessung in Belichtungsstufen.

Unter- und Überbelichtung und zusätzlich eine ausgewogene Belichtung und die Auswirkung auf das Histogramm.

Die Blendenzahl

Die Blendenzahl $k$, welche auch Blendenwert genannt wird, ist definiert als der Quotient aus der Brennweite $f$ und des Durchmessers der Eintrittspupille $D_{\text{EP}}$:

$k={\frac {f}{D_{\text{EP}}}}\qquad (1)$

Der Blendenwert ist eine einheitenlose Größe, weshalb häufig ein "F" vor den Blendenwert gesetzt (z.B. F2.8), um zu verdeutlichen, dass es sich um den Blendenwert und nicht die Öffnung der Eintrittspupille $D_{\text{EP}}$ handelt, welche mit $f/k$ berechnet werden würde.

Die Belichtung $H_{v}$ eines Bildes ist proportional zur Fläche der Blendenöffnung $A$, weshalb bei einer Verdopplung des Blendendurchmessers die Belichtung vervierfacht wird. Es gilt:

$H_{v}\,\propto \,A=\pi \left({\frac {D_{\text{EP}}}{2}}\right)^{2}.$

Eine Verdopplung der Belichtung $H_{v}$ durch eine Vergrößerung der Blendenöffnung $A$ geht daher mit dem Faktor ${\sqrt {2}}$ einher. Hieraus ergibt sich eine Blendenreihe, die eine Verdopplung der Belichtung zum nächstgrößeren Blendenwert angibt: 1 • 1,4 • 2 • 2,8 • 4 • 5,6 • 8 • 11 • 16 • 22 • etc. Das gif und das Bild über die Blendenreihe zeigen ein manuelles Objektiv mit 56 mm Brennweite, an dem die Verkleinerung der Eintrittspupille mit zunehmender Blendenzahl verdeutlicht wird.

Blendenreihe am Beispiel eines manuellen Minolta Objektivs mit 56 mm Brennweite.

Gleichung (1) gilt allerdings nur für den Fall, dass ins Unendliche fokussiert wird. Für nähere Fokuszustände muss der Pupillenabbildungsmaßstab der Ein- und Austrittsblende berücksichtigt werden, was u.a. bei der Makrofotografie relevant wird. Wenn das Bild größer auf den Sensor abgebildet wird, wird es dadurch dunkler, und die Helligkeit entspricht einem eigentlich größerem Blendenwert. Dieser Wert wird als effektive Blende bezeichnet .

Eine kleine Blendenöffnung hat einen positiven Effekt auf Abbildungsfehler und wirkt sich dahingehend aus, dass sie zu weniger chromatischen und sphärischen Aberrationen und zu einer geringeren Vignettierung führt. Während die Schärfe im Bild beim Abblenden, womit das Verkleinern der Blendenöffnung gemeint ist, bei einem APSC-Sensorformat meist bis zu einem Blendenwert von 5,6 bis 8 noch zunimmt, tritt bei höheren Blendenwerten zunehmend der Effekt der Beugungsunschärfe auf.

Über die Einstellung des Blendenwerts kann man neben der Bildqualität auch die Bildwirkung wie die Schärfentiefe beeinflussen.

Blendenreihe am Beispiel eines manuellen Minolta Objektivs mit 56 mm Brennweite. Bei jedem Bild halbiert sich Fläche der Eintrittspupille. Zum Starten der Animation ggf. anklicken.

Schärfentiefe

Abbildung zum Verständnis der Schärfentiefe bei einem zulässigen Zerstreuungskreis $z$.

Die Blende hat auch Auswirkungen auf die Schärfentiefe im Bild. Die Animation Schärfentiefe in Abhängigkeit der Blendenzahl zeigt, dass je kleiner die Blende ist (oder je größer die Blendenzahl ist), desto größer ist die Schärfentiefe im Bild. Die Schärfentiefe ist neben der Blende auch vom Motivabstand und von der Brennweite abhängig. Hierbei gilt, dass die Schärfentiefe mit zunehmenden Motivabstand und abnehmender Brennweite größer wird. Für die Bildwirkung eignet sich ein kleiner Schärfeberich besonders dann, wenn man die Aufmerksamkeit des Betrachters auf das scharfgestellte Objekt führen möchte.

Zum Verständnis der Schärfentiefe werden in der Abbildung über die Schärfentiefe bei einem zulässigen Zerstreuungskreis zwei Punkte, die nicht in der Gegenstandsebene liegen, auf die Bildseite abgebildet. Da sie aber nicht in die Bildebene abgebildet werden, entstehen in der Bildebene Zerstreuungskreise. Eine Stelle auf einem Bild empfindet man bei einem Betrachtungsabstand von 25 cm als scharf, wenn der Zerstreuungskreisdurchmesser $z$ bei einem Kleinbildformatsensor kleiner als 0,030 mm oder bei einem APSC-Sensor von Canon kleiner als 0,018 mm ist.

Beugungsunschärfe

Veranschaulichung der Zunahme des durch Beugung entstehenden Unschärfekreisdurchmessers $z_{\text{diff}}$ und Abnahme des durch Linsenfehler entstehenden Unschärfekreisdurchmessers $z_{\text{err}}$. Daten entnommen aus

Mit kleiner werdender Blende nimmt der Zerstreuungskreisdurchmesser $z_{\text{diff}}$, der durch die Lichtbeugung an der Blende verursacht wird, auf dem Kamerasensor zu. Für normale Situationen, in denen die Bildweite sehr viel größer als die Brennweite $f$ ist, kann der Durchmesser des Zerstreuungskreises $z_{\text{diff}}$ für den sichtbaren Bereich mit $\lambda \approx$ 0,55 µm angegeben werden mit

$z_{\text{diff}}=2,44\cdot {\frac {\lambda }{D_{\text{EP}}}}\cdot f=2,44\cdot k\cdot \lambda \approx 1,34\,{\text{µm}}\cdot k.$

Während die Beugungsunschärfe linear mit der Blendenzahl zunimmt, nimmt der durch Linsenfehler verursachte Unschärfekreisdurchmesser $z_{\text{err}}$ mit kleiner werdender Blende ab. Bei den meisten Objektiven liegt zwischen den Blendenwerten 5,6 und 11 die kritische Blende $k_{\text{krit}}$, bei der das Objektiv ein "Beugungs-Aberrations-Optimum" erlangt. Hierbei gilt, dass ein Objektiv eine höhere optische Qualität hat, je kleiner die durch die Linsenfehler verursachten Zerstreuungskreise sind. Die durch die Beugung verursachte Unschärfe lässt sich jedoch nicht beeinflussen.

Schärfentiefe in Abhängigkeit der Blendenzahl am Beispiel des Aufbaus eines Michelson-Interferometers. Aufgenommen mit einer Canon EOS 77D bei einer Fokusdistanz von 1 m und 35 mm Brennweite. Zum Starten der Animation ggf. anklicken.

Die Belichtungszeit

Die Lichtmenge, die zur Belichtung eines Bildes beiträgt, ist neben der Beleuchtungstärke $E_{\text{v}}$, die durch die Blende geregelt wird, auch von der Belichtungszeit $t$ abhängig. Die Regelung der Belichtungszeit wird über einen lichtundurchlässigen mechanischen Verschluss (engl. shutter) realisiert, der sich vor dem Sensor befindet, und diesen für die eingestellte Zeit frei gibt. Da die Belichtung $H_{\text{v}}$ bei einer zeitlich konstanten Beleuchtungsstärke linear zur Belichtungszeit $t$ ist, wird bei einer Verdopplung der Belichtungszeit auch die auf den Sensor fallende Lichtmenge verdoppelt, was einer Belichtungsstufe entspricht. Im Vergleich dazu geht bei der Blende die Belichtungsänderung um eine Belichtungstufe mit dem Faktor ${\sqrt {2}}$ einher.

Bei der Canon EOS 77D kann zum Beispiel die Verschlusszeit des mechanischen Verschlusses von 1/4000 s bis hin zu 30 s eingestellt werden. Darüber hinaus gibt es einen BULB-Modus, bei dem die Belichtung durch drücken des Auslößers gestartet und anschließend wieder beendet wird.

Möchte man die Belichtungszeit verlängern, ohne das Bild bei bereits gewähltem Blenden- und ISO-Wert nicht zu hell zu belichten, kann ein Neutraldichte-Filter (ND-Filter), der auch Graufilter genannt wird, verwendet werden.

Bewegungsunschärfe

Bei einer zu langen Belichtungszeit kann es aber auch zu dem Effekt der Bewegungsunschärfe (siehe Bild mit Weihnachtsbaum) kommen. Ist eine Aufnahme nicht mehr verwacklungsfrei aus der Hand realisierbar (ca. 1/30 s ohne Bildstabilisator), so ist die Verwendung eines Stativs empfehlendswert. Eine Faustformel besagt, dass die maximale Verschlusszeit $t_{\text{max}}$ kleiner dem Wert der Brennweite sein sollte, um verwacklungsfreie Aufnahmen zu bekommen . Ein Bildstabilisator unterstützt die Aufnahme von verwacklungsfreien Bilder. Für das Canon EF 100mm f/2.8L Macro IS USM gibt der Hersteller eine Verlängerung der Verschlusszeit von bis zu 4 Belichtungsstufen durch den Bildstabilisator an. Die Faustformel kann dann mathematisch auch ausgedrückt werden mit:

$t_{\text{max}}={\frac {c_{\text{is}}}{f/{\text{mm}}\cdot {\textit {CF}}}}\,\mathrm {s} ,$

wobei $c_{\text{is}}$ der durch den Bildstabilisator verursachte Verlängerungsfaktor mit $2^{\#{\text{Belichtungsstufen}}}$ ist. Bei der Verwendung eines Stativs sollte der Bildstabilisator jedoch ausgestellt werden, da er sonst selbst für Verwacklungen sorgen kann.

Bewegungen "einfrieren"

Möchte man eine Bewegung einfrieren, bedarf es je nach Geschwindigkeit und Entfernung des bewegenden Objekts, der Brennweite und der Sensorgröße einer entsprechend kurzen Verschlusszeit. In der Animation zur Verdeutlichung der Auswirkung der Verschlusszeit auf die Bewegungsunschärfe werfen sich zwei Personen einen Schaumstoffwürfel gegenseitig zu. Hierbei soll verdeutlicht werden, dass kurze Belichtungszeiten notwendig sind, um bewegende Objekte einzufrieren. Für einen Vergleich der Schärfe ist es hierbei wichtig, die Aufnahmen bei einer 100%-Ansicht zu betrachten und zu vergleichen.

Beispiel zur Anwendung der Bewegungsunschärfe bei der Bildgestaltung. Durch die Belichtungszeit von 30 s sind die Personen im Hintergrund bewegungsunscharf, womit der Fokus mehr auf den Weihnachtsbaum gelenkt wird.

Aufgezeichnete Parabelbahn einer Kugel bei einer Belichtungszeit von 2 s.

Animation zur Verdeutlichung der Auswirkung der Verschlusszeit auf die Bewegungsunschärfe anhand eines Ballwurfs zwischen zwei Personen. Aufgenommen mit einer Canon EOS 77D (APSC-Format) bei 33 mm Brennweite und einer Fokusdistanz von 2,2 m. Die JPEG-Bilder wurden bei einer 100%-Ansicht gecroppt. Zum Starten der Animation ggf. anklicken.

Der ISO-Wert

Der ISO-Wert oder einfach nur die ISO steht für die Lichtempfindlichkeit des Sensors, wobei ein höherer ISO-Wert eine höhere Lichtempfindlichkeit beschreibt. Zudem entspricht ein doppelter ISO-Wert auch einer doppelten Empfindlichkeit. Typische Werte sind hier ISO 50, ISO 100, ISO 200, usw. Zu Beachten ist, dass dieses System ursprünglich für die Beschreibung der Lichtempfindlichkeit analoger Filme verwendet wurde, da hier die Lichtempfindlichkeit durch die chemische Zusammensetzung der Filme beeinflusst werden konnte. Je nach gewünschter Lichtempfindlichkeit musste die Filmrolle in der Kamera getauscht werden.

Der Sensor in einer digitalen Kamera hat aber eine feste Lichtempfindlichkeit (oder Quanteneffizienz), die durch dessen Beschichtung und Material bestimmt wird, sodass der ISO-Wert hier nicht die Lichtempfindlichkeit, sondern die elektronische Verstärkung des Sensorsignals angibt. Die Canon EOS 77D hat zum Beispiel eine Quanteneffizienz von 44%.

Für die Erklärung, wie sich der ISO-Wert auf das Bild auswirkt, betrachtet man einen einzelnen Pixel, welcher aus einer Photodiode besteht und in dem durch den Fotoeffekt Elektronen freigesetzt werden. Die Photodiode integriert Ladung auf, bis deren maximale Kapazität erreicht ist. . Die maximale Anzahl an Ladungen, die von der Kapazität der Fotodiode aufgenommen werden kann, wird full-well-capacity (FWC) genannt. Bei der Canon EOS 77D sind dies zum Beispiel 33512 Elektronen bei ISO 100. Bei höheren ISO-Werten wird die Intergration der Ladungen bereits bei dem entsprechenden Bruchteil des FWC-Wertes gestoppt. Anschließend wird die kleinere Spannung der Fotodiode entsprechend verstärkt (ISO-Gain), um die ganze Bandbreite des Analog-Digital-Wandlers auszunutzen. Hierdurch wird auch das Grundrauschen des Sensors verstärkt, was vor allem bei höheren ISO-Werten deutlich sichtbar wird und im Vergleich der ISO-Werte bei Aufnahmen der Canon EOS 77D zu sehen ist.

Bayer-Anordnung der RGB-Pixel eines Kamera-Sensors mit Pixelpitch $p$, der den Abstand der Mitten zweier nebeneinander liegender Pixel angibt.

Die momentan weit verbreiteste Anordnung der roten, grünen und blauen Farbfiltern auf den Sensoren ist eine sogenannte Bayer-Matrix. Der grüne Farbfilter ist hierbei doppelt so häufig wie jeweils der rote oder blaue Farbfilter, da das menschliche Auge auf grünes Licht am empfindlichsten reagiert. Der Abstand zwischen zwei Mitten zweier nebeneinanderliegender Pixel wird Pixelpitch $p$ genannt. Dieser hat einen großen Einfluss auf die Bildqualtität vor allem bei schlechten Lichtverhältnissen. Ein Beispiel ist hierfür der Dynamikumfang, welcher durch den Logarithmus des Quotienten aus maximal und minimal zu akzeptierenden Signals beschrieben wird. Das maximal mögliche Signal wird durch die FWC begrenzt, wobei es jedoch bei dem minimalen Signal vor allem auch in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis verschiedene Definitionen gibt, weshalb die Messmethodik des Dynamikumfangs hier nicht weiter behandelt wird. Generell lässt sich aber festhalten, dass Sensoren mit einem größeren Pixelpitch auch einen höheren Dynamikumfang haben können.

In der Abbildung, die den Dynamikumfang in Abhängigkeit des ISO-Wertes zeigt, sind Messwerte des Dynamikumfangs eines iPhones XS MAX ($\,p$ = 1,4 µm), einer Canon EOS 77D ($\,p$ = 3,7 µm) und einer Canon EOS R5 ($\,p$ = 4,4 µm) aufgetragen, wobei hier ein Vorteil von professionellen Kameras gegenüber Smartphone-Kameras deutlich wird.

Vergleich der ISO-Werte von JPEG-Dateien der Canon EOS 77D. Bildausschnitte sind aus 100% gecroppt worden.

Prinzip der ISO-Verstärkung in Zusammenhang mit der full-well-capacity (FWC). In Anlehnung an .

Dynamikumfang in Abhängigkeit des ISO-Wertes bei Canon EOS 77D, Canon EOS R5 und Apple iPhone XS MAX . Offene Symbole geben Messwerte außerhalb der normalen analogen Spanne an und Dreiecke geben an, dass Rauschreduktion angewandt wurde.

Der Lichtwert LW (engl. exposure value: EV)

Betrachten wir im Folgenden eine einzelne Linse mit dem Durchmesser $D_{\text{en}}$ als Objektiv und das durch die Linse erzeugte Bild mit dem Durchmesser $D_{\text{im}}$, wobei die Bildweite näherungsweise der Brennweite $f$ entspricht. In diesem Fall begrenzt der Rand der Linse das einfallende Licht. Der Lichtstrom $\Phi _{\text{v}}$ mit der Einheit lm (Lumen), der in der Kamera einfällt, ist somit proportional zur Eintrittsfläche $A_{\text{en}}$ der Linse:

Grafik zur Herleitung der Bestrahlungsstärke in der Bildebene bei Verwendung eines begrenzenden optischen Elements.

$\Phi _{\text{v}}\propto A_{\text{en}}\quad (1).$

Die Beleuchtungsstärke $E_{\text{im}}$ des Lichts in der Bildebene ergibt sich aus dem Quotienten des Lichtstroms $\Phi _{\text{v}}$ und der Bildfläche $A_{\text{im}}$:

$E_{\text{im}}={\frac {\Phi _{\text{v}}}{A_{\text{im}}}}\qquad {\text{mit}}\qquad \lbrack E\rbrack =1\,{\frac {\text{lm}}{\mathrm {m^{2}} }}=1\,{\text{lx}}\qquad (2)$

Es ergibt sich also zwischen der Beleuchtungsstärke und der und dem Verhältnis der Eintritts- und Bildfläche mit den Gleichungen (1) und (2) folgende Proportionalität :

$E_{\text{im}}={\frac {\Phi _{\text{v}}}{A_{\text{im}}}}\propto {\frac {A_{\text{en}}}{A_{\text{im}}}}={\frac {\pi (D_{\text{en}}/2)^{2}}{\pi (D_{\text{im}}/2)^{2}}}=\left({\frac {D_{\text{en}}}{D_{\text{im}}}}\right)^{2}$

Aufgrund der Näherung, dass die Bildweite ungefähr der Brennweite $f$ entspricht, ist der Durchmesser des Bildkreises $D_{\text{im}}$ proportional zur Brennweite $f$. Ersetzt man zusätzlich $f/D_{\text{en}}$ durch die Blendenzahl $k$, so folgt:

$E_{\text{im}}\propto \left({\frac {D_{\text{en}}}{f}}\right)^{2}={\frac {1}{k^{2}}}.$

Um die Belichtung eines Bildes um eine Belichtungsstufe zu erhöhen, kann zum einen nur die Belichtungszeit $t$ verdoppelt werden und zum anderen kann die gleiche Belichtungsänderung durch Verringern des Blendenwerts um den Faktor ${\sqrt {2}}$ erreicht werden. Da sich das Verhältnis $k^{2}/t$ zwischen dem Blendenwert und der Belichtungszeit immer um einen Faktor 2 ändert, kann folgender Zusammenhang aufgestellt werden:

${\frac {k^{2}}{t/{\text{s}}}}=2^{LW}\qquad \Leftrightarrow \qquad {LW}=\log _{2}\left({\frac {k^{2}}{t/{\text{s}}}}\right).$

Um einen einheitenlosen Quotienten zu erlangen, muss hier durch die Belichtungszeit durch dessen Einheit s geteilt werden. Die Abkürzung ${LW}$ steht für den Lichtwert (engl. exposure value ${EV}$) und beschreibt die möglichen Kombinationen von Verschlusszeit und Blende, die die gleiche Belichtung liefern. Zur Veranschaulichung können die Zeit-Blenden-Kombinationen in ein Diagramm eingetragen werden, wobei die Kombinationen auf einer Diagonalen den gleichen Lichtwert ${LW}$ haben. Zum Beispiel liefert eine Belichtungszeit von 1 s und eine Blendenzahl von 1 mit dem Lichtwert $LW\;0$ die gleiche Belichtung wie eine Belichtungszeit von 2 s und eine Blendenzahl von 1,4. Wird hingegen der ISO-Wert verdoppelt bei eingestellter Belichtung, so muss der Lichtwert um eine Stufe reduziert werden, um die gleiche Ausgangsbelichtung zu erreichen.

Zeit-Blenden-Kombinationen bei entsprechenden Lichtwerten in Anlehnung an

Belichtungsanzeige der Belichtungsmessung einer Canon EOS 77D. Die Skala verläuft in Belichtungsstufen.

Die Programmwahl

Spiegelreflexkameras bieten neben vielen Automatikprogrammen folgende Kreativ-Programme zur besseren und einfacheren Kontrolle bei der Aufnahme an:

• P: Programmautomatik
• Tv (oder S ): Zeitvorauswahl (oder Blendenautomatik)
• Av (oder A ): Blendenvorauswahl (oder Zeitautomatik)
• M: Manuelle Belichtung

Diese Kreativ-Programme nehmen keine Motiverkennung vor, wie es in manchen Automatikprogrammen der Fall ist. Diese passen neben der Belichtung oft auch die Fokusfelder an, korrigieren den Weißabgleich entsprechend und wenden weitere Softwarekorrekturen an. Somit schränken die Automatikprogramme die kreativen Möglichkeiten bei der Bildgestaltung ein, weshalb die Verwendung eines der weniger einschränkenden Programme zu empfehlen ist.

Einstellrad für die Programmauswahl an der Canon EOS 77D.

Programmautomatik P

Die Kamera wählt den Blendwert und die Verschlusszeit, um bezüglich der Helligkeit des Motivs und des eingestellten ISO-Wertes eine passende Belichtung einzustellen. Bei der Canon EOS 77D kann über das Hauptwahlrad die Kombination aus Blendenwert und Verschlusszeit (Programm) verändert werden, um Einfluss auf die Bildgestaltung zu nerhmen.

Zeitvorauswahl Tv oder S

Die Kamera wählt entsprechend des eingestellten ISO-Wertes und der Verschlusszeit den Blendenwert, um eine passende Belichtung einzustellen. Dadurch eignet sich dieses Kreativ-Programm besonders für Situationen, in denen die Belichtungszeit für die Bildgestaltung wichtig ist. Dies könnte zum Beispiel der Fall sein, wenn durch eine kurze Verschlusszeit ein sich bewegendes Objekt fotografisch eingefroren werden soll oder der Effekt der Bewegungsunschärfe explizit gewünscht ist.

Blendenvorauswahl Av oder A

Die Kamera wählt entsprechend des eingestellten ISO-Wertes und Blendenwerts die Belichtungszeit, um eine passende Belichtung bezüglich der Helligkeit des Motivs einzustellen. Mit dem Kreativ-Programm der Blendenvorauswahl hat man eine gute Kontrolle über die Schärfentiefe im Bild. Daher eignet es sich besonders zum Beispiel für Aufnahmen, in denen das Motiv freigestellt oder ein möglichst großer Bereich in der Tiefe scharf dargestellt werden soll. Um bei einer Spiegelreflexkamera die Schärfentiefe zu überprüfen, muss die Abblendtaste gedrückt werden, welche sich meist in der Nähe des Objektivanschlusses befindet.

Manuelle Belichtung M

Bei diesem Kreativ-Programm hat man die größte Kontrolle über die Belichtung, jedoch müssen der Blendenwert, die Verschlusszeit und der ISO-Wert selbst eingestellt werden. Da die Einstellung aller Belichtungsgrößen in Abhängigkeit der Motivhelligkeit und der gewünschten Bildgestaltung meist zumindest ein oder zwei Testbilder benötigt, eignet sich die manuelle Belichtung vor allem ín Situationen, in denen die Helligkeit des Motivs über längere Zeit konstant oder kontrollierbar ist. Vor allem im Studio wird häufig im manuellen Modus fotografiert, da dort durch LED-Leuchten oder Blitzsysteme die Helligkeit des Motivs unabhängig vom Umgebungslicht geregelt werden kann.

Belichtungsmessarten

Die Kamera kann die Belichtung für die Automatik- und Kreativ-Modi nur einstellen, da sie die Belichtung mit einem separaten Sensor misst. Je nach Motiv kann sich für die Belichtung eine andere Messmethode eignen, um zum Beispiel bei Gegenlichtsituationen das Motiv nicht unterzubelichten. Grundsätzlich wird die Mehrfeld- und Matrixmessung empfohlen, da hier die Kamera u.a. die AF-Messbereiche in die Gewichtung mit einbezieht .

Mehrfeld- oder Matrixmessung

Die Mehrfeldmessung liefert für die meisten Situationen eine geeignete Belichtung. Hierbei wird das Bild in unterschiedliche Bereiche eingeteilt, welche je nach Fokusposition und Helligkeitsverteiltung gewichtet werden.

Selektivmessung

Bei der Selektivmessung wird im mittleren Bereich die Helligkeit gemessen, worauf die Belichtung auf ein mittleres Grau eingestellt wird. Diese Methode eignet sich zum Beispiel bei Gegenlichtsituationen.

Spotmessung

Die Spotmessung ist ähnlicht der Selektivmessung und eignet sich bei der richtigen Belichtung kleiner Motivdetails. Als Beispielanwendung könnte hier ein Vollmond als Motiv vor dem dunklen Nachthimmel genannt werden. Würde hier nicht auf den Mond belichtet werden, wäre er im Bild ein überbelichteter heller Kreis und es wären keine Strukturen auf diesem zu sehen.

Mittenbetonte Messung

Diese Messmethode mittelt die Helligkeit über das gesamte Bild mit besonderer Berücksichtigung der Bildmitte.

In der Abbildung, in denen die Messmethoden verglichen werden, wird deutlich, dass die Selektiv- und Spotmessung die Helligkeit auf einen kleinen Bereich in der Mitte einstellen. Da der mittlere Bereich in den Bildern dunkel ist, werden die Bilder der Selektiv- und Spotmessungmessung zu hell belichtet.

Vergleich der Belichtungs-Messmethoden bei einer Spiegelreflexkamera.

Belichtungskorrektur +/-

Die Kamera misst mithilfe eines separaten Sensors die Helligkeit des Bildes und stellt die Belichtung auf ein mittleres grau ein. Nicht immer erzielt die Kamera die gewünschte Belichtungseinstellung, sodass mit der manuellen Belichtungskorrektur die Helligkeit passend eingestellt werden kann. Bei den meisten Kameras kann in drittel Belichtungsstufen korrigiert werden.

Symbol der Belichtungskorrektur der Canon EOS 77D.

Das Dateiformat

Spiegelreflexkameras bieten zum Speichern der Bilddateien meist mehrere Formate an. Neben dem JPEG-Format, einem Standard für Bilddateien, der auf der JPEG-Norm für Bildkompressionen basiert, gibt es noch das RAW-Format. Während die Kamera auf die Bilder im JPEG-Format zahlreiche Korrekturen wie Objektivkorrekturen, Farbprofile, Weißabgleich, Kontrast, etc. anwendet und die Bilddaten auf 8 Bit Farbtiefe pro Farbkanal komprimiert, sodass eine möglichst kleine Dateigröße erreicht wird, finden beim RAW-Format keine Korrekturen statt.

Das RAW-Format bietet vor allem in der Nachbearbeitung den größtmöglichen Spielraum, da der hohe Umfang der Farbtiefe von 14 Bit erhalten bleibt und Farbprofile nicht fest in die Bilddaten "gebrannt" sind. In der Abbildung über den Vergleich der Dateiformate wird versucht deutlich zu machen, dass vor allem bei falsch belichteten Bildern im RAW-Dateiformat noch mehr Bildinformationen vorhanden sind, wie auf den ersten Blick im Vorschaubild zu sehen ist. Zum Beispiel sind beim JPEG-Bild nach der Anpassung der um 4 Blendenstufen überbelichteten Aufnahme bei 7 Farbfeldern keine Farbinformationen mehr vorhanden. Nachteilig ist beim RAW-Format der höhere Aufwand durch die RAW-Entwicklung mit einem RAW-Konverter.

	JPEG	RAW
Dateigröße	1,8 MB bis 7,6 MB (Canon EOS 77D )	29,4 MB (Canon EOS 77D )
Farbtiefe	8 Bit pro Farbkanal	14 Bit
Anwendung	schneller Workflow	maximale Bearbeitungsspielraum über Bilddaten
Korrekturen	Weißabgleich, Kontrast, Objektivkorrekturen, Rauschkorrekturen	-
Software	keine zusätzliche Software notwendig, da Standart	RAW-Konverter (DXO Optics Pro (free), RawTherapee (free), DCRaw (free), Adobe Camera Raw, Photoshop Lightroom, Capture One, …) notwenig

Vergleich der Dateiformate JPEG und RAW bzgl der Korrektur von unter- und überbelichteten Aufnahmen.

Die Auflösung

Möchte man die notwendige Auflösung eines Bildes bestimmen, so ist das Medium entscheidend, über das das Bild dargestellt werden soll. Um sich bei der Nachbearbeitung noch etwas Spielraum beim Zuschneiden und ggf. Geraderichten des Bildes zu sichern, ohne später Qualitätsverluste durch eine zu geringe Auflösung verzeichnen zu müssen, sollte bei der Aufnahme Spielraum beim Aufnahmeformat beachtet werden.

Display & social media

Das Display eines iPad Pro 11" hat zum Beispiel eine Auflösung von 2388 x 1668 Pixeln bei 264 ppi, womit sich hier gesamt 3 983 184 Pixel, also gerundet 4 MP ergeben. Für ein Bild auf Instagramm im Hochformat wird ein Seitenverhältnis von 4:5 mit 1080 px x 1350 px empfohlen, also insgesamt gerundet 1,5 MP. An diesen beiden Beispielen sieht man, dass man keine so hohe Auflösung benötigt, wenn man Bilder nur auf mobilen digitalen Endgeräten betrachten möchte.

Druck

Für einen Druck werden gute Ergebnisse mit einer Punktdichte von 300 dpi (dots per inch) erzielt. Bei einem DIN A4 Papier mit den Maßen 210 mm × 297 mm werden bei der Berücksichtigung der Umrechnung (1 inch = 25,4 mm) insgesamt

$210\,{\text{mm}}\cdot 297\,{\text{mm}}\cdot \left({\frac {300\,{\text{dpi}}}{25,4\,{\text{mm/inch}}}}\right)^{2}\approx 8,7\,{\text{MP}}$

Pixel benötigt. Mit einem Sensor mit 24 MP im Format 3:2, also 6000 x 4000 Pixeln, lässt sich dann mit einer Druckauflösung von 300 dpi ein Papier mit langer Kantenlänge von

$6000\,{\text{px}}\cdot {\frac {25,4\,{\text{mm/inch}}}{300\,{\text{dpi}}}}=508\,{\text{mm}}$

und einer kurzen Kantenlänge von 338,7 mm bedrucken. Hiermit kann zum Beispiel ein Papier im DIN A3-Format (297 mm x 420 mm) hochauflösend bei 300 dpi bedruckt werden.

Der Weißabgleich

Für den Weißabgleich ist die Farbtemperatur des Umgebungslichtes entscheidend, welche den Farbeindruck, also dessen spektralen Zusammensetzung einer Lichtquelle, beschreibt. Hierbei orientiert sich die Farbtemperaturskala an dem Spektrum der Schwarzkörperstrahlung, die bei einem idealen thermischen Strahler nur von der Temperatur abhängig ist. Dementsprechend wird die Farbtemperatur in der Einheit Kelvin angegeben. Die Wärmeempfindung von Farben ist jedoch genau umgekehrt der Temperatur eines Schwarzkörpers. Während rötliche Farbtöne als warm empfunden werden, haben diese eine geringere Farbtemperatur als bläuliche Farben, die als kalt empfunden werden. In der Fotografie ist die Farbtemperatur daher ein wichtiges Element, mit der die Wahrnehmung eines Bildes beeinflusst werden kann.

Möchte man Farben möglichst dem Empfinden wahrheitsgemäß wiedergeben, muss in der Kamera der Weißabgleich richtig eingestellt werden. Denn während sich das menschliche Auge der spektralen Zusammensetzung des Lichts anpassen kann und die Farbe eines weißen Blattes Papier als Weiß empfindet egal ob es mit Sonnenlicht oder Kunstlicht beleuchtet wird , weiß die Kamera allein aus den RGB-Werten des Sensors nicht, welche Fläche als Weiß dargestellt werden soll.

Als Orientierung zur richtigen Einstellung der Farbtemperatur können die Werte aus der folgenden Tabelle dienen:

Farbtemperaturen verschiedener Lichtquellen

Lichtquelle	Farbtemperatur
Kerzenlicht	ca. 1900 K
Glühlampe	Ca. 2400 K
Mondlicht	Ca. 4100 K
Sonnenlicht	5600 K – 6500 K
Bedeckter Himmel	6500 K – 7000 K
Blauer Himmel	12000 K – 27000 K

Das Bild über den Vergleich der ISO-Werte von JPEG-Dateien zeigt sechs Aufnahmen des gleichen Motivs bei unterschiedlichen Einstellungen des Weißabgleichs in der Kamera (Canon EOS 77D). Hierbei wurden die zur Beleuchtung verwendeten LED-Leuchten auf eine Farbtemperatur von 5200 K eingestellt. Bei einer zu warmen/kühlen Einstellung des Weißabgleichs in der Kamera gegenüber der Farbtemperatur des Umgebungslichtes bekommt das Bild einen leichten Rotstich/Blaustich.

Ebenfalls zeigt das nebenstehende Bild jedoch auch, dass der automatische Weißabgleich (AWB-Englisch für: automatic white balance) sehr gut funktionieren kann, womit man in vielen Situationen auf diesen zurückgreifen kann. Für den manuelle Weißabgleich in der Kamera wird diese auf eine möglichst große weiße Fläche gehalten, sodass die Kamera die Verstärkung der Farbkanäle so einstellen kann, dass alle drei den gleichen Signalpegel aufweisen . Die Korrektur des Weißabgleichs kann bei Rohdatenformaten (RAW-Formaten) nachträglich verlustfrei durchgeführt werden, wohingegen beim verlustbehafteten JPEG-Format Qualitätsverluste entstehen können. Es ist daher ratsam, bzgl. der Farbechtheit im RAW-Format aufzunehmen, wenn eine sehr exakte Farbwiedergabe, wie es zum Beispiel in der Produktfotografie der Fall ist, notwendig ist.

Farbtemperaturverlauf zwischen zwei Pixel K80 RGB Video LED-Leuchten, wobei links 2600 K und rechts 10000 K eingestellt wurden. Fotografiert wurde ein weißer Karton.

Vergleich der Weißabgleiche von JPEG-Dateien der Canon EOS 77D. Die zur Beleuchtung verwendeten LED-Leuchten wurden auf eine Farbtemperatur von 5200 K eingestellt.

Experimente

Mit einer Spiegelreflexkamera lassen sich viele Experimente durchführen oder ergänzen. Die folgenden Beispiele orientieren sich am Bildungsplan des Landes Baden-Württenberg von 2016:

• Lochkamera
• Zusammengesetzte Bewegungen mit einer Langzeitbelichtung und einer Spiegelreflexkamera festhalten.
• Bestimmung der Wellenlänge eines Laser mit einem Gitter mit der Verwendung einer Spiegelreflexkamera.

Sicherheitshinweise

• Schauen Sie mit einer Spiegelreflexkamera niemals durch den Sucher in die Sonne. Verwenden Sie hierfür den Live-View-Modus.
• Verwenden Sie bei der Aufnahme von hellen Lichtquellen (Laserstrahlung, Glühlampen,..) den Live-View-Modus, um Schäden an Ihren Augen zu verhindern.

Fotos

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      Parabelwurf
  

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       Langzeitbelichtung mit 30 s
  

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       Brennweitenvergleich
  

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       Ein Experiment über Bewegungsunschärfe
  

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       Weißabgleich Vergleich
  

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       ISO Vergleich
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0