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Meldung Tipps & Info Tarifrechner 17.07.18
Technik

Handy-Kameras: Klein und scharf passt nicht zusammen

Experiment zeigt Grenzen von Handy-Kameras

Inhaltsverzeichnis:

  1. Licht lässt sich nicht einsperren
  2. Wenn die Kamera zu klein wird
  3. Blende und Linse wichtiger als reine Pixelzahl

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

Experiment

Das von teltarif.de durchgeführte Experiment

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.

Foto zeigt: Ein Laser strahlt durch eine Blende

Abb. 1: Ein Laser strahlt durch eine weit geöffnete Blende
Foto: teltarif.de

Zunächst aber ist der Spalt bzw. die Blende weit geöffnet. Der Laserstrahl kann ungehindert hindurch scheinen. Auf dem Schirm bzw. der Wand sieht man einfach einen hellen Fleck (siehe nebenstehend Abb. 1). 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.

Foto zeigt: Verkleinerung des Spalts

Abb. 2: Verkleinerung des Spalts
Foto: teltarif.de

Im nächsten Schritt machen wir den Spalt dünner, so dass 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 (siehe das Foto aus Abb. 2): 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.

Foto zum teltarif-Experiment

Abb. 3: Spalt kaum größer als Licht-Wellenlänge
Foto: teltarif.de

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. In Abb. 3 lässt sich gut erkennen, dass der zentrale helle Punkt komplett verschwunden ist. 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. Handy-Kamera: Tipps und Ratgeber

Wenn die Kamera zu klein wird

Um überhaupt scharfe Bilder schießen zu können, benötigt eine Kamera eine Linse: Diese sammelt das vom fotografierten Gegenstand ausgehende Licht und fokussiert es auf den Film bzw. Sensor. Im Idealfall kommen alle Lichtstrahlen, die von einem Objektpunkt ausgehen, auf dem Film bzw. Sensor wieder in genau einem Punkt zusammen, siehe die Skizze nebenan.

Meist direkt hinter der Linse sitzt die Blende. Das ist eine Scheibe mit einem Loch in der Mitte. Durch dieses Loch erfolgt die Aufnahme. Der Rest der Scheibe verdeckt hingegen Lichtstrahlen aus den besonders stark verzerrenden Außenbereichen der Linse oder regelt bei größeren Kameras über seine Größe auch die insgesamt einfallende Lichtmenge.

Kamera

Prinzip einer Kamera

Die Blendenöffnung wirkt nun wie der Spalt in dem auf der vorhergehenden Seite dargestellten Experiment und beugt das Licht. Allerdings erfolgt die Aufweitung sowohl nach links/rechts als auch nach oben/unten, da der Blendenring das einfallende Licht sowohl horizontal als auch vertikal begrenzt.

Am Ende treffen sich die Strahlen, die von einem Objektpunkt ausgegangen sind, nicht mehr in einem Punkt auf dem Film, sondern in einem kleinen Fleck. Dieser wird als Beugungsscheibchen bezeichnet. Den Effekt der Beugung sehen Sie rechts in der Grafik unter der Überschrift "Reale Abbildung" veranschaulicht. Beugung an der Linse bzw. an der Blende: Unschärfe unvermeidbar

Ideale Abbildung

Reale Abbildung

Eine typische Blende mit der Blendenzahl von 2,8 verursacht bei gelb-orangem Licht (590 Nanometer Wellenlänge) auf dem Sensor 4000 Nanometer große Beugungsscheibchen. Das ist doppelt so hoch und doppelt so breit wie die oben genannte Pixelgröße einer kleinen 3,2-Megapixel-Handy-Kamera! Da allerdings nebeneinanderliegende Pixel immer verschiedene Farben aufnehmen, beträgt das effektive Pixelraster ebenfalls 4000 Nanometer (für rote und blaue Pixel) bzw. 2800 Nanometer (grüne Pixel), so dass die Beugungsscheibchen mit 4000 Nanometer gerade noch akzeptabel sind.

Steigert man die Auflösung aber von 3,2 Megapixel bei unveränderten Abmessungen auf 8 Megapixel, überdeckt das Beugungsscheibchen bereits ca. zehn Pixel. Feine Details des Objekts werden somit zwangsläufig unscharf auf den Sensor abgebildet; dessen hohe Pixelzahl kann nicht mehr zur Geltung kommen. Mehr Raum!

Größere Linse

Prinzipiell gibt es eine einfache Lösung für dieses Problem: Die gesamte Kamera maßstäblich vergrößern. Als Beispiel zeigt die nebenstehende Skizze eine Verdoppelung der Größe von Linse, Blende und Sensor und ebenso eine Verdoppelung des Abstands von Linse bzw. Blende zum Sensor. Durch die doppelte Blendengröße halbieren sich die Beugungseffekte, durch den verdoppelten Abstand von Linse bzw. Blende zum Sensor verdoppeln sie sich aber wieder. Beide Einflüsse heben sich gegenseitig auf, so dass die Beugungsscheibchen trotz "Verdopplung" der Handy-Kamera unverändert groß bleiben.

Jedoch vergrößern sich mit der Kamera auch die Sensor-Pixel, und folglich überdecken die unverändert großen Beugungsscheibchen in einer vergrößerten Kamera entsprechend weniger Pixel, wie man im Vergleich der beiden letzten Grafiken erkennt. Und so hat eine digitale Spiegelreflexkamera mit einem Vollformat-Sensor (36 mal 24 Millimeter) trotz 25 Megapixel bei Blendenzahl 2,8 keinerlei Beugungsprobleme, während die ebenfalls betrachtete 8-Megapixel-Handykamera massiv beugungsbeschränkt arbeitet.

Es würde übrigens reichen, Linse und Blende bei unverändertem Abstand zum Sensor zu vergrößern, so dass die Blendenzahl und damit auch die Größe der Beugungsscheibchen entsprechend sinkt. Jedoch nimmt unterhalb einer Blendenzahl von 2,8 der konstruktive Aufwand, der für ein gutes, scharf abbildendes Kameraobjektiv zu treiben ist, sehr schnell zu.

Blende und Linse wichtiger als reine Pixelzahl

Ein weiterer Vorteil einer größeren Blende (egal, ob nur die Linse samt Blende oder die komplette Kamera vergrößert wird) ist, dass mehr Licht auf den Sensor fällt und so das Rauschen reduziert wird. Aufgrund der kleinen Linsen leiden praktisch alle Multimegapixel-Handykameras unter Lichtmangel, so dass die Sensoren auch einfarbige Flächen als bunte Pixelgewitter "sehen".

Die Steuerprozessoren werden von den Herstellern jedoch mit immer aufwändigerer Software versehen, um trotz der genannten Probleme (Bildrauschen, Beugungsunschärfe) akzeptable Bilder zu erzeugen. Die Software kann jedoch keine Wunder vollbringen. Und so verwischt so manches Detail, das hinter einer größeren Linse und einer größeren Blende bei ansonsten gleicher Pixelzahl noch aufgelöst worden wäre, zu einem undefinierten Etwas.

Dennoch sind zusätzliche Pixel im Kamerasensor nicht grundsätzlich abzulehnen: Mehr Sensorelemente bedeuten mehr Informationen, die von den immer ausgefeilteren Algorithmen zur Rekonstruktion des Originalbildes verwendet werden können. Aber es kann nur ein Teil rekonstruiert werden, und so steigt die Qualität wesentlich langsamer als die Pixelzahl. Ein 2-Megapixel-Sensor hinter einer Mini-Linse vermag zum Beispiel zirka 1 Megapixel scharf aufzulösen. Ein 8-Megapixel-Sensor hinter derselben Linse schafft dann effektiv nicht 4, sondern nur 2 Megapixel, wie das Nokia N86 in einem teltarif.de-Test. Beugungsproblem auch bei professionellen Digitalkameras Auch die den aktuellen Entwicklungen in der Digitalfotografie kritisch gegenüberstehende Seite 6mpix.org hat zu dieser Thematik einen eigenen Artikel verfasst, der die mathematischen Hintergründe noch genauer erläutert. Die dortigen Angaben für die Beugungsscheibchen sind kleiner, da zum einen die Radien und nicht die Durchmesser angegeben wurden, zum anderen auf eine etwas kürzere Lichtwellenlänge abgestellt wird.

Auf der zitierten Seite zeigt sich, dass selbst professionelle Kameras wie eine EOS 1Ds nicht vor dem Beugungsproblem geschützt sind. Jedoch kommt der Effekt bei dieser Kamera nur dann zum Tragen, wenn man eine sehr kleine Blende wählt. In den Automatikprogrammen dürfte das eher selten der Fall sein, da diese bei starken Lichtverhältnissen eher die Belichtungszeit verkürzen, als die Blende verkleinern. Die Frage der Auflösung für Vergrößerungen der Bilder Für den Foto-Fan bedeutet das: Vor dem Kauf eines neuen Kamera-Handys oder einer Kamera sollte er sich fragen, wofür er die Kamera einsetzen möchte. Sollen vor allem Schnappschüsse entstehen und kleine Ausdrucke beispielsweise im Format von 10 mal 15 Zentimetern als Medium dienen, dann reichen Auflösungen von 2 bis 3 Megapixel aus, selbst, wenn nur 1 Megapixel effektiv ankommt. Selbst das oft als Heimkino gepriesene HDTV kommt nur auf knapp über 2 Megapixel, profitiert aber auch noch etwas davon, dass Bewegtbilder mit geringerer Auflösung auskommen als Standbilder.

Foto vom LG Renoir KC910

LG Renoir KC910
Foto: LG

Wenn sich ein Kamera-Käufer die Möglichkeit offen halten möchte, Vergrößerungen oder Bearbeitungen durchzuführen, dann ergibt eine höhere Auflösung auch Sinn - aber nur dann, wenn sie auch effektiv in der Bilddatei ankommt. Daher ist es zumeist sinnvoller, sein Geld in größere Optik und einen größeren Sensor zu investieren. Schon bei Kamerahandys gibt es hier nicht unerhebliche Unterschiede, und erst recht bei Digitalkameras.

Erst bei "ausgewachsenen" Sensorgrößen (Four Thirds, Fovean etc.) lohnt sich die Überschreitung der 10-Megapixel-Marke wirklich, und Vollformat-Sensoren können hinter einem guten Objektiv auch 20 Megapixel und mehr ausreizen. Freilich sind in diesem Top-Segment die Stückzahlen so niedrig und die Preise so hoch, dass dieses professionellen Fotografen und sehr ambitionierten Hobby-Fotografen vorbehalten bleibt. Handy-Kamera: Tipps und Ratgeber

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