Grafik einer berechneten BeugungsscheibeDer Sommer naht, die Sonne lacht, das Meer ruft – und wir machen uns hier Gedanken, wie man anhand der Meeres­brandung die Beugung versteht, weshalb kleine Pixel schlecht mit kleinen Blenden­öff­nungen harmo­nieren, warum Großfor­mat­fo­to­grafen fein raus sind, und was all das, und noch viel mehr, für die fotogra­fische Praxis bedeutet:

„Am Anfang war das Licht“ – ein viel bekannter und gerne zitierter Satz und doch stimmt er nicht ganz, denn zumindest für uns Fotografen muss es heißen: „Am Anfang ist das Licht“. Jene Energie, die wir mal als Teilchen, mal als Welle inter­pre­tieren und die es uns erlaubt, mit Kameras ein Abbild unserer Umgebung zu machen und so die von uns so hoch geschätzten Bilder zu erstellen. Aber wie so viele Dinge, die uns Nutzen bringen, verlangt es auch Aufmerk­samkeit und zeigt uns Grenzen auf.

Eine oft disku­tierte Wellen­ei­gen­schaft ist das Problem der Auflö­sungs­be­grenzung durch Beugung. In der Praxis bedeutet dies, sehr verein­facht ausge­drückt, dass der Wellen­cha­rakter des Lichts dafür sorgt, dass es beim „Durch­zwängen“ durch eine kleine Öffnung zunehmend seine Präzision einbüßt, so dass darge­stellte Bilder immer unschärfer werden, jede kleiner eben diese Öffnung ist. Ein etwas anschau­li­cheres Bild der Physik dahinter ergibt sich aus folgender Erklärung:

Man stelle sich eine weite Bucht vor, in der die einfal­lenden Meeres­wellen direkt auf den Strand auftreffen. Die breiten unbehin­derten Wellen fallen ganz gerade, parallel und präzise auf den Strand. Verengt man den Eingang der Bucht links und rechts durch eine Mauer, so werden die Wellen, die die Enden der Mauer streifen, etwas gebrochen. Von diesen Enden laufen dann gebeugte Wellen ringförmig weiter und überlagern sich mit den ungestörten, paral­lelen Wellen, die die Mitte der Mauer­öffnung durch­laufen haben. Ist die Öffnung groß, so wirkt sich diese Störung kaum aus. Je mehr man jedoch die Mauer­öffnung verkleinert, umso geringer wird der präzise Anteil der ungestörten mittleren Wellen­front gegenüber dem an den Mauerenden gebro­chenen Störanteil. Das anrol­lende Wellenbild wird immer kabbe­liger und unprä­ziser. Konnte man bei einer großen Mauer­öffnung noch große und kleine ankom­mende Wellen spüren und erkennen, so wird bei einer kleinen Mauer­öffnung der kabbelige Störanteil immer größer und es zeichnen sich nur noch die ursprünglich großen Meeres­wellen erkennbar ab: Das Bild der Meeres­wellen verliert an Auflösung.

Dieser Effekt tritt ebenso an der Blenden­öffnung des Objek­tives ein und macht uns – als Beugung –  zunehmend Schwie­rig­keiten. Dabei sind mehrere Faktoren entscheidend, wie stark sich die Beugung ausprägt – es lohnt sich ein Blick in die analoge Erfah­rungs­kiste:

Kardi­nals­dis­ziplin ist die im Abbild erfor­der­liche Auflösung und die wird durch die räumliche Abtast­fre­quenz des Aufnah­me­me­diums bestimmt. Bei – immer noch verfüg­baren und von einem kleinen Kreis geschätzten – Planfilmen der Formate 9x12 cm bis 20x25 cm hatte Beugung praktisch keine Bedeutung. Auf diesen Formaten reichte es in der Regel aus, wenn das Licht 5 bis 10 Linien­paare pro Milli­meter diffe­ren­zieren konnte, und Großfor­mat­fo­to­grafen haben sich bei Blenden­werten von bis zu 1:45, 1:64 oder auch 1:90 teilweise recht wohl gefühlt. Bei Mittel­for­matfilm ging man oft bis Blende 1:32; selten gab es visuelle Einschrän­kungen.

Klein­bild­fo­to­grafen (Film, 24x36 mm) waren so die ersten, die merkten, dass viel (Abblenden) doch nicht viel hilft. Die Güte des Objektivs und vor allem die Fähig­keiten des Fotografen beim Vergrößern bescherten manchmal die Erkenntnis, dass die Blende 1:22 bei der Landschafts­auf­nahme in den Sträu­chern und Steinen nicht mehr so schön diffe­ren­zierte wie die Konkur­renz­auf­nahme bei Blende 1:16.

Weshalb hier dieser rustikale Blick auf die ausster­bende (oder nur zu voreilig tot gesagte) Silber­fraktion?

Der Schlüssel liegt in den gerade oben genannten gefor­derten Fähig­keiten, das Bild kompetent zu vergrößern. Bei den 99 % aller geprin­teten 9x13-Fotos war Beugung bestimmt eines der letzten Probleme, das den Anwender schika­nierte – und das ist heute auch noch so. Nur bei denen, die größere Aufnahmen machten, und die es auch verstanden, die Verwacklung zu beherr­schen, schlug die Beugung merklich zu. Kleine Anmerkung: die berüch­tigte 1/60 Sekunde aus der Hand mag bei 9x13 ja in Ordnung sein, aber bei 30x40 vergrößert man nicht nur die Beugungs- sondern auch die Bewegungs­un­schärfe mit – wovor erstaunlich viele Anwender tapfer die Augen verschließen.

Aber jetzt endlich zu den Freuden und Leiden der neuen digitalen Welt.

Mit der Einfachheit, einen Bildaus­schnitt nahezu beliebig auszu­schneiden und zu vergrößern, eröffnen digitale Bilder eine neue Zugäng­lichkeit zur Sicht­barkeit von Fehlern. Grenz­leis­tungen werden ungeniert gefordert und Grenzen unbekümmert ausge­lotet. Doch nicht nur die neue Flexi­bi­lität eröffnet uns die Grenz­ho­ri­zonte, sondern auch die technische Entwicklung trägt ihren Teil bei, Leistungs­grenzen großzügig auszu­loten und über das Maß zu beanspruchen.

Der erste Wechsel ist der bereits indirekt erwähnte von der Gesamt­bild­be­trachtung zur Ausschnitts­nutzung. Bei Film wurden nur bei einem Bruchteil der Aufnahmen teure Ausch­nitts­ver­grö­ße­rungen gemacht, bei digitalen Bildern ist „Croppen“ völlig normal. Weil bei Film so fast immer das ganze oder fast ganze Negativ (= Aufnah­me­medium) verwendet wurde, stand für Aufnahmen auch immer der maximale Infor­ma­ti­ons­gehalt des Negativs oder Dias zur Verfügung. Bei exzes­siven Ausschnitts­ver­grö­ße­rungen sieht das ganz anders aus, denn dann muss ein kleiner Ausschnitt des Aufnah­me­me­diums – sprich Sensors – genug Reserven für das gewünschte Bilder­gebnis haben. Deshalb macht es erstmals auch Sinn, die Auflösung von Sensoren deutlich anzuheben. Aus einem 16-Megapixel-APS-Sensor kann ich mehr Details vergrößern als aus einem mit 6 Megapixeln. Die hierbei notwendige Verklei­nerung der Pixel bedeutet aber auch einen Bedarf an höherer optischer Auflösung des Objektivs und damit eine höhere Empfind­lichkeit gegenüber Verlusten der Auflösung, wie durch die Beugung.

Der zweite Aspekt, der ebenfalls zu immer kleineren Pixelab­mes­sungen und damit zu höheren notwen­digen optischen Auflö­sungen und einem früheren Einfluss der Beugung führt, ist die Minia­tu­ri­sierung von Sensoren. Um auf einem FourT­hirds-Sensor 12 Megapixel unter­bringen zu können, muss jedes Pixel halb so breit sein wie auf einem Kleinbild-Vollfor­mat­sensor. Damit hat ein 4/3-Bild bei gleicher Blende einen um zwei Blenden­stufen stärkeren Einfluss der Beugung – bzw. die Beugung greift zwei Blenden­stufen früher als bei einem Kleinbild-Vollfor­mat­sensor gleicher (!) Pixelzahl.

Wer darin den Beweis der Überle­genheit großer Sensor­formate sieht, greift jedoch zu kurz.

Kleinere Sensoren erlauben kürzere Brenn­weiten und damit kleinere Objektive. Deren kleinere Abmes­sungen und Wege erlauben – neben dem gerin­geren Aufwand zum Einhalten niedriger Toleranzen – vor allem eins: höhere Licht­stärken bei vertret­barem Aufwand und eine einfa­chere Umsetzung beson­derer digitaler Korrek­turen der optischen Modelle. In der Praxis stelle ich regel­mäßig fest, dass bei sehr guten Objek­tiven kleinerer Formate nicht nur die Anfangs­licht­stärke höher ist, sondern auch die nutzbare Blende früher beginnt. Der echte Nutzen bei einem Objektiv der Licht­stärke 1:2,8 ist deutlich geringer, wenn es erst bei 1:5,6 eine hohe Leistung erreicht! Gerade das begrenzt viele sehr licht­starke Festbrenn­weiten der späten Filmära, die manchmal bis zu vier Blenden geschlossen werden müssen, um hohe Abbil­dungs­leistung zu erzielen.

Ein Vorteil der Sensoren, oder besser gesagt Trick, liegt in den Möglich­keiten der digitalen Signal­auf­be­reitung. Da Beugung nicht mit einem Schlag eine Struktur oder Kante schluckt, sondern sie erstmal weicher zeichnet, kann man mit einer geschickten hochfre­quenten Scharf­zeichnung oder Low-Pass-Filterung den frühen Einfluss der Beugung abfedern. Dies geht aber nur in einem kleinen Bereich von ca. 1 bis 2 Blenden.

Es zeigt sich aber auch, dass kein Schaden ohne Nutzen entsteht. So manch einem Technik­be­geis­terten mag das Herz stehen bleiben, wenn profes­sio­nelle Portraitfo­to­grafen ihre sündteuren Hochleis­tungs­ob­jektive mit Spray oder Vaseline auf der Front­linse verge­wal­tigen. Der Zweck heiligt hier die Mittel, verschwinden durch die beugungs­ähn­liche Weich­zeichnung doch die unerwünschten Fältchen auf den Gesichtern der Abgebil­deten. Heutzutage weicht die Vaseline meist dem Weich­zeichner auf dem Rechner, eine Verwandt­schaft dieser Bildkor­rektur zur gefürch­teten Beugung sollte dennoch nicht verleugnet werden.

Im Gegensatz zu Film beschränken sich bei digitalen Sensoren die „Fältchen“ nicht auf die Haut von Menschen, sondern sind erheblich vielfäl­tiger. Moiré, Aliasing und Artefakte an Linien und Kanten sind der Tribut, ein natür­liches Bild in eine ortho­gonale Pixel­matrix zu zwängen. Hier hat der Infor­ma­ti­ons­verlust durch Beugung eine durchaus heilsame und oft ästhe­tische Wirkung, denn all diese Artefakte greifen in der Grenz­auf­lösung nahe dem Pixelpitch der Sensoren. Also genau dort, wo die Beugung die Auflösung kappt und dann die Artefakte verschwinden lässt. Hier ist die Beugung dem späteren Weich­zeichnen übrigens deutlich überlegen, da sie die schad­hafte Bildin­for­mation schon schneidet, bevor sie ins Bild gelangt.

Für die wahrge­nommene Relevanz der Beugung im täglichen Einsatz kommt ein zunächst scheinbar paradoxer Aspekt der Schad­wirkung von Beugung: Je besser das Objektiv, desto schlimmer fallen die Nachteile und sicht­baren Auflö­sungs­schwan­kungen und –verluste aus und auf. Natürlich hängt die Beugung nicht von der Auflösung des Objek­tives ab, aber wer hoch sitzt, wird tief fallen: Hat ein APS-Objektiv bei Blende 1:4 eine Spitzen­auf­lösung, so greift die messbare Beugungs­be­grenzung mögli­cher­weise schon bei 1:8 und bei 1:11 wird sie in der Detail­ver­grö­ßerung sichtbar. Ein mittel­mä­ßiges Objektiv dagegen hält den Ball flach und zeigt dem Anwender gar nicht, was sein höchs­t­auf­lö­sender Sensor bringen kann – und liefert visuell deutlich homogenere Ergeb­nisse über verschiedene Blenden­werte.

Neben all den bisher genannten Ursachen und Wirkungen der Beugung liegt der Wurm aber vor allem in einer zu hohen Minia­tu­ri­sierung.

Die Kleinst­sen­soren moderner Kompakter (1/1,8 bis 1/2,7 Zoll) bräuchten theore­tisch hochlicht­starke Objektive, um die gefor­derte optische Modulation auf den Sensor zu bringen. Sowohl die Abmes­sungen als auch das Gewicht, und vor allem die Kosten, solcher Optiken sind jedoch mit den Markt- und dem Gros der Kunden­an­for­de­rungen nicht vereinbar. In unseren Tests beobachten wir unzwei­felhaft, dass moderne Super­kom­pakte mit 12 bis 16 Megapixeln gerade mal in der kurzen Brenn­weite bei offener Blende an die Grenz­auf­lösung des Sensors gelangen. Und das meist nur in der Bildmitte, denn neben den optischen Verlusten zum Bildrand hin macht häufig die Inter­po­lation der digitalen Verzeich­nungs­kor­rek­turen der Randauf­lösung den Garaus. Hat so ein Zoom ab der mittleren Brenn­weite dann eine Licht­stärke von 1:4,5 oder weniger, ist es schon vorbei mit der hohen Pixelzahl. Man spricht von einem beugungs­be­grenzten System. Immerhin verschlechtert das Abblenden bei vielen Kompakten die Auflösung nicht weiter, denn um Details nicht komplett zu verlieren, reduzieren viele Modelle das Licht nicht mehr über eine Verengung des Licht­weges, sondern durch Einschwenken eines Neutral­grau­filters.

Damit der tapfere Leser dieses ausschwei­fenden Blickes auf die Beugung und ihr Umfeld nun nicht frei nach Goethe „… so viel weiß als wie zuvor …“ möchte ich ein paar Erfah­rungs­werte aus Jahren der Kamera- und Objek­tiv­messung anbieten:

Wichtig sind primär moderne und licht­starke Objektive, um den bei hoch integrierten Sensoren (= hohe Packungs­dichte – siehe auch Pixelpitch) früher eintre­tenden Verlust beim Abblenden durch Erwei­terung der Offen­blend­eignung zu kompen­sieren. Hier bieten auch kleinere Sensor­formate inter­es­sante Lösungen und die neuen sehr licht­starken Edelkom­pakten à la Panasonic Lumix LX5 oder Olympus XZ-1 zielen auf anspruchs­volle Anwender ab und bieten nicht umsonst vergleichs­weise wenig Pixel auf einem nicht ganz kleinen Kompakt­sensor.

Bei aktuellen Kleinbild-Vollfor­mat­ka­meras sollte man nicht weiter abblenden als 1:13 bis 1:16 . Höchst auflö­sende APS-Kameras begrenzen teilweise schon bei 1:9,5 bis 1:11 und bei FourT­hirds beginnt es in der Regel bei 1:8 bis 1:9,5.

Wer konstante Bilder­geb­nisse vorzieht, sollte sich wieder mit der Zeitau­to­matik oder der manuellen Einstellung beschäf­tigen, denn hier wird die Blende beibe­halten und nicht wie bei Programm- oder Blenden­au­to­matik je nach Helligkeit verschoben, und damit die Beugung variiert.

Bei Super­kom­pakten sollte man sich von den hohen Pixel­zahlen nicht mehr zu viel erwarten. Tatsächlich hat sich der Markt durch die Marke­ting­stra­tegien, aber auch durch die Illusion des „höher, schneller, weiter“ bei den Sensor­zu­lie­ferern in eine echte Sackgasse manövriert. Toll ist dabei aller­dings eine Option: ein 16-Megapixler kann jetzt auch in der zweit­höchsten Auflö­sungs­stufe verwendet werden. Die verklei­nernde Inter­po­lation (in der Kamera! – siehe Anhang *) auf z. B. 8 Megapixel verbessert nicht nur Rauschen und verringert Moiré und Artefakte, sondern belässt immer noch genug Spielraum auch für größere Abzüge.

Und wer schließlich seine Bilder beim Online­service auf Postkar­ten­formate printen lässt oder bei einem Online-Portal veröf­fent­licht, darf komplett entspannt sein. Die Daten­re­duktion, sei es für den Bilder-Upload ins Netz oder für die Ausbe­lichtung auf den Maschinen, und besonders die überschaubare Größe der Ausga­be­formate, lassen Bedenken zur Beugung zu einer Klage auf sehr, sehr hohem Niveau werden.

(Anders Uschold)
 
 
* Die verklei­nernde Inter­po­lation sollte unbedingt in der Kamera statt­finden, nicht in der Bildbe­ar­beitung! Verklei­nerung in der Kamera korri­giert das Aliasing, da es im günstigsten Fall gar nicht mehr auftritt oder sinnvoll gemittelt wird. Verkleinern in der EBV hingegen greift nicht mehr auf die Rohdaten zu und verschmiert deshalb nur die vorher entstan­denen Moiré- und Aliasing-Artefakte (was bei Treppen und Schrägen sehr hässlich ist).
 
 
Siehe auch: Bildsensor und Bildgestaltung