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Funktionsweise des Fotoapparats



Ein Fotoapparat ist ein Instrument zur Erstellung von Lichtbildern mittels eines Objektivs/ Linsensystems und eines lichtempfindlichen Trägerss, des Films, der meist außerhalb der Kamera entwickelt wird. In der Digitalkamera übernimmt ein lichtempfindlicher Chip die Funktion des Films.

Table of contents
1 Funktionsweise
2 Geschichte und Entwicklung
3 Literatur
4 Weblinks

Funktionsweise

Jenseits einer konkreten Bauweise arbeitet der "allgemeine Fotoapparat" (kurz: AF) wie folgt:

Drei Ebenen bilden das Grundsystem des allgemeinen Fotoapparats, die (F) Film-, die (O) Objektiv- und die (S) Schärfeebene. Die beiden Kameraebenen F und O sind im AF lichtdicht und dreh- und verschiebbar verbunden.

Unter der Vorgabe, dass Parallelen sich im Unendlichen treffen (projektive Geometrie), haben stets alle drei einen gemeinsamen Schnittpunkt im Raum, der von den Lagen von F und O bestimmt wird und - je nach Neigungswinkel zueinander - mehr oder weniger weit vom AF entfernt liegt.

Die Ebene S entspringt in diesem Schnittpunkt F-O und verläuft über den scharfgestellen Punkt des Objektivs auf der Objektivachse (nicht senkrecht zur Schärfeebene S).

Ist der Schnittpunkt der beiden Kameraebenen von der Kamera (AF) unendlich weit entfernt, dann tritt der Sonderfall ein, der alle drei Ebenen parallel zueinander ausrichtet (heutige und historische "Normalkamera").

Um den AF mechanisch praktikabel zu machen, bedarf es der Möglichkeit, F und O so einzustellen, dass aus dem Schnitt-Punkt der beiden Kameraebenen eine Linie analog eines Scharniers generiert wird (durch gemeinsame horizontale oder vertikale Ausrichtung der Kamerastandarten beispielsweise, in denen Film- und Objektivebene eingehängt sind). Nach dieser Ausgangseinstellung können die Ebenen sich während des weiteren Einstellens wieder nur in einem Punkt statt in einer Linie treffen (wenn beide Standarten gegenläufig verdreht werden - z. B. eine vertikal und eine horizontal).

Die Schärfeebene S entsteht durch die genaue Projektion eines Punktes im Motiv durch das Objektiv hindurch auf einen Punkt in der Filmebene. Vom Objektiv aus gesehen entsteht in der Kamera ein Strahlenkegel, dessen Spitze sich mit dem Film trifft.

Praktisch entsteht dabei ein Schärfe-Körper; das ist der Schärfebereich (siehe auch: Schärfentiefe). Beim Enden des Strahlenkegels kurz vor oder hinter der Filmebene werden auf ihm Zerstreuungskreise (Z) abgebildet, die vom Auge bis zu einer bestimmten Grösse noch als scharf akzeptiert werden und deshalb noch scharf erscheinen.

Mit der im Objektiv angeordneten Blende, die den Durchlass für das Licht durch das Objektiv steuert, wird die Größe der Zerstreuungskreise bestimmt: die kleinere Blendenöffnung erzeugt Strahlenkegel mit kleineren Radien und spitzeren Winkeln, die auf den Film fallen, und damit kleinere Zerstreuungskreise, die entsprechend schärfer erscheinen.

Der Schärfekörper ist beim AF ein Keil; er beginnt auf der Schärfeebene (!) erst im Abstand des Kameraauszuges (Abstand F zu O) parallel zur Filmebene (unter dem Objektiv). Im Keil reicht die Schärfe bis Unendlich. Im Sonderfall - F und O sind parallel - ergibt sich der Schärfebereich als Schärfequader und nicht als Keil (weil technisch durch den AF begrenzt).

Der Schärfe-Keil ist in seinem Schnitt (Seitenansicht) durch 1. seinen Nullpunkt (in Skizze: unter dem Objektiv), 2. den Nahpunkt N und 3. den Fernpunkt F der Schärfe auf der Objektivachse definiert; N und F ergeben sich dabei aus der nominellen Entfernungseinstellung der Schärfeebene S und der bestimmten Brennweite des Objektivs. N und F (Nah- und Fernpunkt der Schärfe) ergeben sich auch aus der Kenntnis des Objektivs und der fast genau mittig zwischen ihnen liegenden Schärfeebene S; N und F können deshalb über Berechnungen ermittelt werden (wie z. B. durch die interaktive Tabelle von Striewisch/ Kluge; s. u.).

Mit den Werten für N, S und F, dem Abstand des Nullpunkts zur Objektivachse (D) und der genormten Größe Z (Zerstreuungskreis je Filmformat) ist der Keil zu berechnen (dazu N, S, F z. B. aus Striewisch/ Kluge holen = Interaktiver Schärfentieferechner; Z für Kleinbildkameras 0,03 mm, für Mittelformatkameras ca. 6 x 7 cm 0,05 mm, für Großformatkameras 9 x 12 cm 0,09 mm bis 0,1 mm und mehr je Bild- bzw. Aufnahmeformat).

Wird der Schärfekeil in zwei Hälften gedacht, einmal der Teil vor und einmal der Teil hinter der Schärfeebene, können sich gering abweichende Winkel ergeben. Näherungsweise beträgt der Winkel des Keils vor der Schärfeebene, vom Nahpunkt zur Scharfstellung:

Winkel Altgrad = [ (90 - arctan D/(S - A)) - (90 - arctan D/(N - A)) ],
wobei D = Distanz der Objektivachse zum Keilbeginn; S = Schärfeeinstellung auf Objektivachse; A = Kameraauszug; N = Nahpunkt der bestimmten Brennweite auf der Objektivachse.

Vereinfacht kann dieser Winkel für den ganzen Schärfekeil verdoppelt werden.

Die Distanz auf der Objektivachse vom Nahpunkt des Schärfebereichs zur Schärfeebene ist bei sehr dichter Entfernungseinstellung vor der Kamera etwa so groß wie die von der Schärfeebene zum Fernpunkt, wobei die Verhältnisse sich mit der jeweils länger eingestellten Entfernung ändern - der Abstand der Schärfeebene zum Fernpunkt wächst dann kontinuierlich gegenüber der Entfernung zum Nahpunkt an.

Objektive sind Linsensysteme, die mit einer Blende (und oft einem Verschluss) kombiniert sind. Vom gleichen Standort aus, auf der gleichen optischen Achse zeichnen sie alle das gleiche Bild vom Motiv, zeichnen also gleiche Flächen und Winkel bei verschiedenen Bildausschnitten - wie beim Zoom-Objektiv, bei dem verschiedene Brennweiten fliessend miteinander verbunden werden.

Normalobjektive haben ungefähr die Bilddiagonale als Brennweite. Objektive mit weiterem Betrachtungswinkel (Weitwinkelobjektiv) zeichnen mehr vom Motiv kleiner auf. Objektive mit kleinerem Betrachtungswinkel (Fernobjektiv) zeichnen weniger vom Motiv größer auf. Entsprechend werden die Zerstreuungskreise bei letzteren vergrößert und der Schärfebereich wird kleiner (besonders klein bei Makroaufnahmen).

Fernobjektive - mit kleinem Betrachtungswinkel - unterscheiden sich von Teleobjektiven dadurch, dass letztere innerhalb des Linsensystems ein Vergrößerungssystem (Tele-Konverter) enthalten und deshalb in ihrer Baulänge kürzer als ihre Brennweite sind.

Bei der Unendlicheinstellung (∞) eines – in seinen Ebenen beweglichen – AF ist nominell der Abstand von F zu O gleich der Brennweite. Dieses Anlagemaß von F zu O ist bei Teleobjektiven kürzer und bei einigen Weitwinkeln etwa länger als die Brennweite. Für Berechnungen, z. B. des Abbildungsmaßstabes, gelten die nominellen Brennweiten.

Dichtere Entfernungen zum Motiv als Unendlich scharfzustellen erfordert längere Auszüge der Kamera (für den Maßstab 1:1 ist die doppelte Brennweite nötig).

Bei der Aufnahme des Motivs mit gleichem Maßstab kann bis zur Abbildungsgröße m 1:1 in der Praxis näherungsweise bei allen Objektiven bei gleicher Blendenöffnung (und gleichem Bildformat) von gleichen Schärfebereichen ausgegangen werden; bei größeren Maßstäben in den Makrobereich hinein gilt das nicht mehr. Zu berücksichtigen sind u. U. noch die normierten Zerstreuungskreise für die verschiedenen Bildformate (Z), wodurch sich unterschiedliche Blenden für verschiedene Formate ergeben.

Da der AF als Balgen- oder Fachkamera keine Skalen für die eingestellte Entfernung hat, sind Abbildungsmaßstäbe, Auszugslängen (F zu O) und weitere Werte mehr in der Praxis zu berechnen.

Die sog. Linsengleichung lautet:

1/f = 1/a´ + 1/ a,

dabei ist f = Brennweite; a´ = Kameraauszug; a = Entfernung Motiv zu Objektiv; daraus ergibt sich beispielsweise der Abbildungsmaßstab:

m = Auszugsverlängerung : Brennweite

dabei ist die Auszugsverlängerung die Verlängerung des Balgens gegenüber dem Anlagemaß (= Auszug real für Unendlich); Brennweite = nomineller Wert für f.

Geschichte und Entwicklung

Historisch verlief die Entwicklung des Fotoapparats/ Geschichte der Fotografie aus der Kenntnis des Sonderfalls der Parallelität von F und O und entsprechend auch S, der bis heute als Normalkamera gilt. Die flexible Kamerakonstruktion (z. B. Balgen) diente zuerst nur der Entfernungseinstellung.

Erst um die Wende zum 20. Jahrhundert wurde das Prinzip der um eine Achse drehenden Ebenen formuliert - 1901 vom französischen Kamerabauer Jules Carpentier (Patentamt London), 1904 (Patentamt London) darauf aufbauend von Theodor Scheimpflug (1865-1911). Der "Scheimpflug", wie heute eine damit arbeitende Einstellung allgemein genannt wird, bedarf mindestens einer schwenkbaren Kameraebene. Die so genannte Fachkamera, die für die Kameraebenen F und O vielfältige Verstellmöglichkeiten bietet, kam als Massenkamera erst Mitte des 20. Jahrhunderts vor allem in Fotostudios in Gebrauch.

Sind mit einem Apparat gleichzeitige Verstellungen um eine horizontale wie um eine vertikale Achse möglich, ist mit einem so genannten "doppelten Scheimpflug" der Schärfebereich auch diagonal und beispielsweise von oben ins Bild zu legen (die drei Ebenen F, O und S schneiden sich dann wieder nur in einem Punkt).

War es der Grundgedanke des "Scheimpflugs", eine aufzunehmende Motiv-Ebene in den Schärfekeil zu legen und dann für den Schärfebereich nicht mehr die Blende für einen Schärfebereich von vorn bis hinten einstellen zu müssen (Tiefe des Objekts), sondern senkrecht zur Schärfeebene von oben nach unten (Höhe des Objekts), so sind mit dem sog. "doppelten Scheimpflug" auch von oben, unten oder seitlich kommende und dabei diagonal im dreidimensionalen Raum stehende Schärfekeile im Motiv darstellbar (primär Kunstfotografie).

Literatur

Weblinks

siehe auch: Funktionsweise der Belichtungsmessung, Funktionsweise des Fotostudios, Optische Abbildung

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