2. Lichtbild

Der Begriff Fotografie (auch: Photographie) setzt sich aus den griechischen Wörtern phōs (phōtós) für Licht und gráphein für schreiben bzw. aufzeichnen. Er bedeutet also so viel wie "mit Licht schreiben oder zeichnen".

In der Regel stellen wir uns jedoch nicht vor eine Kamera und fangen an etwa mit einer Taschenlampe Bilder zu malen (auch wenn es dies als Kunstrichtung in der Fotografie gibt). Auf den vielen Fotos ist nicht einmal die für die Aufnahme genutzte Lichtquelle zu sehen. In den meisten Fällen entstehen Fotos aus dem Licht, dass das Motiv reflektiert.

Um dieses Licht "einfangen" zu können, benötigen Sie ein Objektiv.

Lochbild

Licht hat die Eigenschaft, sich gradlinig in alle Richtungen auszubreiten. Es verhält sich ähnlich wie die Wellen auf der Wasseroberfläche, die sich konzentrisch ausbreiten, wenn ein Stein in Wasser geworfen wird. Auch Licht, das von einem Objekt reflektiert wird, breitet sich ebenso in alle Richtungen aus. Etwas anders ist es nur bei spiegelnden Oberflächen.

Ausgehend von der Oberfläche des Objekts breitet sich reflektiertes Licht in alle Richtungen aus. Ein Blatt Papier, das in die Richtung des beleuchteten Objekts gehalten wird, fängt nur ein Durcheinander ziellos reflektierter Lichtstrahlen ein. Ein Abbild entsteht nicht.

Wird eine lichtundurchlässige Pappe mit einem winzigen Loch in der Mitte zwischen das Objekt und dem Blatt Papier gehalten, werden nur noch wenige Lichtstahlen durch das Loch zum Papier gelangen. Entsprechend der Größe des Lochs werden die Lichtstrahlen von jedem Teil des Objekts auf einem kleinen Bereich des Papiers projiziert. Es entsteht eine auf dem Kopf stehende, unscharfe Abbildung des Objekts. Nach diesem Prinzip arbeiten einfache Lochkameras.

Das Ganze funktioniert natürlich nur, wenn das Papier bzw. der Film der Lochkamera vom übrigen Umgebungslicht abgeschirmt wird. Nur das durch das winzige Loch fallende Licht darf zum Papier bzw. Film gelangen. Das ist natürlich sehr wenig Licht und das Abbild ist entsprechend dunkel.

Linse

Um ein helleres Abbild zu erhalten, müsste das Loch vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Lochs würde aber die Unschärfe der Abbildung erhöhen. Um gleichzeitig auch die Bildschärfe zu verbessern, müssten die Lichtstahlen so umgeleitet werden, dass sie nach dem Passieren des Lochs wieder zusammenlaufen (konvergieren) statt sich weiter auszubreiten. Diese Umleitung kann mit einer Sammellinse erreicht werden.

Linsen machen sich den Effekt der Lichtbrechung zu nutze. Geht Licht von einem in ein anderes transparentes Material anderer Dichte über, z.B. von Luft in Glas oder Wasser, verändert sich seine Geschwindigkeit. Trifft es dabei nicht exakt im 90° Winkel auf die Grenze beider Materialien, verändert es zugleich seine Richtung. Weil ein Teil des Strahls das dichtere Material früher erreicht, wird der Lichtstrahl ungleich abgebremst und ändert seine Richtung.

Linsen sind besonders geschliffene Glasstücke, mit denen sich Licht gezielt umleiten lässt. Sammellinsen sind beispielsweise in der Mitte dicker als außen. Sie bündeln Lichtstahlen auf einen gemeinsamen Punkt, den sog. Brennpunkt oder Fokus (siehe Grafik). Eine Lupe besitzt beispielsweise eine Sammellinse.

Ist das Glas in der Mitte dünner als an den Rändern, entsteht der genau umgekehrte Effekt. Bei der sog. Streulinse wird das Licht breiter ausgefächert.

Wird in unserem Versuch von oben das Loch in der Pappe vergrößert und eine Sammellinse eingesetzt, können die auseinanderlaufenden Lichtstahlen von jedem Teil des Objekts (theoretisch) wieder so umgeleitet werden, dass sie in einem Punkt auf dem Papier zusammentreffen. Es entsteht ein scharfes Abbild des Objekts. Da durch die größere Linse mehr Licht als durch das kleine Loch fällt, wird das Abbild auch heller.

Nach diesem Prinzip könnte mit der Sammellinse einer Lupe ein einfaches Objektiv konstruiert werden. Doch werfen Sie Ihre alten Objektive noch nicht weg. Die mit einer einzigen Linse erzielbare Abbildungsqualität wird Sie kaum zufrieden stellen.

Schärfeebene

Ein Problem unseres einfachen Objektivs ist, tatsächlich ein scharfes Abbild zu erzeugen. Wie in der Grafik der Sammellinse oben zu erkennen ist, streben die Lichtstrahlen wieder auseinander, nachdem sie den Brennpunkt passiert haben. Um ein scharfes Abbild zu erhalten, müssen die Lichtstahlen also genau im Brennpunkt auf das Papier treffen. Treffen sie auf das Papier, bevor sie den Brennpunkt erreicht haben oder erst danach, wird die Abbildung unscharf werden.

Um das gesamte Bild scharf wiederzugeben, müssen die Brennpunkte aller Motivteile auf dem Papier liegen, der sog. Schärfeebene. Mit einer einzigen Linse ist dies kaum zu schaffen. Hier ist es meist so, dass nur die Bildmitte in der Schärfeebene liegt, während die Bildränder bereits wieder unscharf sind (sog. Bildfeldwölbung).

In welchem Abstand sich die Schärfenebene von der Linse befindet, hängt nicht nur von der Stärke der Lichtbrechung durch die Linse (Brechkraft) ab, sondern auch von der Entfernung des Motivs (Objekts). Dabei gilt, je näher sich das Objekt an der Linse befindet, desto größer ist die Entfernung des Brennpunkts und damit der Schärfenebene. Lichtstrahlen eines weiter entfernten Objekts verlaufen in einem stumpferen Winkel und werden deshalb bei gleicher Brechkraft näher an der Linse fokussiert.

Sie können diesen Effekt auch an Ihrer Digitalkamera beobachten. Die meisten Kameraobjektive werden ein wenig ausgefahren, wenn sie auf kurze Entfernung eingestellt werden. Das Ausfahren erhöht den Abstand zwischen Linsen und Kamerasensor.

Brennweite

Wie stark eine Linse das Licht bricht (Brechkraft) wird durch die Brennweite bestimmt. Die Brennweite einer einfachen Linse ist die Entfernung zwischen der Linse und dem scharf fokussierten Abbild eines (unendlich) weit entfernten Objekts. Mit anderen Worten ist die Brennweite der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt, wenn die Schärfe auf "unendlich" eingestellt ist. Die Brennweite einer Linse hängt von ihrer Glasart (Brechungsindex) und ihrer Form ab.

Eine Linse mit einer großen Brennweite lenkt das Licht weniger stark ab als eine Linse mit kurzer Brennweite. Das bedeutet, dass die Lichtstahlen länger brauchen, ehe sie im Brennpunkt wieder aufeinander treffen. Je stärker die Brechung der Linse, desto kürzer ist ihre Brennweite.

Die geringere Lichtbrechung langbrennweitiger Linsen hat noch einen weiteren Effekt. Da die Lichtstrahlen einen längeren Weg benötigen, ehe sie im Hauptschärfepunkt zusammentreffen, wird das Abbild des Objekts größer als bei einer kurzbrennweitigen Linse.

Bleibt die Größe des Papiers bzw. Sensors gleich, auf das das Abbild projiziert wird, kann nur noch ein Teil des Bilds wiedergegeben werden. Es wird also nur noch ein Ausschnitt des Objekts abgebildet (in der Grafik das kleine Kästchen bei Brennweite 100 und 200 mm). Durch diese Ausschnittsvergrößerung entsteht der Eindruck, als sei das abgebildete Objekt näher herangeholt worden.