Technik

Handy-Kameras: Klein und scharf passt nicht zusammen

Licht lässt sich nicht einsperren. Was wie eine Binsen­weis­heit klingt, hat drama­tische Folgen für Kamera-Handys: Ein anschau­liches Expe­riment von teltarif.de mit einem Laser zeigt, dass Fotos um so unschärfer werden, je mehr man die Kamera verklei­nert.
Von / Julian Ruecker

Die Kamera fehlt heut­zutage an fast keinem Mobil­telefon mehr. Zwei Merk­male stellen viele Hersteller in ihrer Werbung beson­ders gerne heraus: So wird auf die relativ geringe Größe des Geräts aufmerksam gemacht und auf eine beson­ders hohe Anzahl an Mega­pixel.

Aber es stellt sich die Frage: Inwie­weit ist es über­haupt möglich, Kameras immer kleiner und immer hoch­auflö­sender zu machen? Wo liegen hier die Grenzen?

Licht lässt sich nicht einsperren

Um zu zeigen, was passiert, wenn man eine Kamera immer weiter verklei­nert, führen wir ein klas­sisches Expe­riment durch: Ein Laser­strahl wird durch einen engen Spalt geschickt. Hinter dem Spalt steht ein Schirm (das kann aber auch eine weiße Wand sein) und wir machen bei unter­schied­lichen Einstel­lungen des Spalts jeweils ein Foto, wie der vom Laser­strahl erzeugte Fleck auf dem Schirm bzw. der Wand aussieht. Wir wollen nun beob­achten, was passiert, wenn wir diesen Spalt immer kleiner machen.

Zunächst aber ist der Spalt bzw. die Blende weit geöffnet. Der Laser­strahl kann unge­hindert hindurch­scheinen. Auf dem Schirm bzw. der Wand sieht man einfach einen hellen Fleck. Die wolkige Struktur rund um den zentralen hellen Punkt kommt daher, dass Laser nicht perfekt sind und ein kleiner Teil des Lichts etwas seit­lich vom Haupt­strahl fällt. Das aller­meiste Licht ist aber wirk­lich im hellen Punkt in der Mitte gebün­delt. Und jenseits der "der-Laser-ist-nicht-perfekt"-Wolke ist alles dunkel.

Im nächsten Schritt machen wir den Spalt dünner, sodass er weniger breit ist als der Laser­strahl dick. Der Laser­strahl wird damit vom Spalt links und rechts beschnitten. Die Verwun­derung jedoch beim Blick auf den Schirm: Mitnichten ist dort der zentrale Licht­fleck links und rechts beschnitten. Im Gegen­teil, der Strahl wurde nach links und rechts aufge­weitet und beleuchtet den Schirm jetzt sogar in Berei­chen, die vorher dunkel waren!

Der Versuch, den Licht­strahl mit dem Spalt in hori­zontaler Rich­tung einzu­sperren, führte dazu, dass der Licht­strahl sich hori­zontal verbrei­tert hat. Schuld daran ist die Wellen­natur des Lichts: Wird es eng, wird die vorher gleich­mäßige Ausbrei­tung der Wellen­front gestört und es bilden sich neue Wellen in seit­licher Rich­tung.

Je enger man den Spalt stellt, desto stärker wird die Beugung, die den Licht­strahl aufweitet. Die stärksten Beugungs­effekte gibt es, wenn der Spalt kaum noch breiter ist als die Licht­wellen­länge: Der zentrale helle Punkt ist komplett verschwunden. Statt eines einzelnen hellen Punktes gibt es nun einen hellen Streifen, der von einzelnen dunklen Punkten unter­brochen wird. Extremer könnte die Verwand­lung kaum sein, und das nur durch Verklei­nerung des Spalts, durch den das Licht fällt!

Mitt­lerweile nähert sich die Größe der Pixel auf dem Sensor moderner Kamera-Handys bereits bedenk­lich stark der Licht­wellen­länge. Wenn 2048 mal 1536 Pixel (das sind knapp 3,2 Mega­pixel) auf einen nur 4 mal 3 Milli­meter großen Chip gequetscht werden, dann sind die Pixel gerade noch 2000 Nano­meter lang. Wird der Sensor bei glei­cher Größe auf 8 Mega­pixel gestei­gert, schrumpft die Pixel­länge gar auf 1200 Nano­meter. Zum Vergleich: Die Licht­wellen­länge beträgt je nach Farbe 400 bis 700 Nano­meter.

Lesen Sie auf der folgenden Seite, welche Konse­quenzen die beschrie­benen Beugungs­effekte für Kamera-Handys haben, obwohl deren Linsen bis zu tausend­fach größer sind als der oben betrach­tete Spalt.

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