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Fotoapparat Physik

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Fotoapparat Physik

Fast jeder hat sie heutzutage in der Hosentasche und die Meisten haben sie schon selbst benutzt. Die Rede ist von der Kamera, auch Fotoapparat genannt. Aber wusstest Du, dass es Kameras gibt, mit denen sogar eine Hummel auf dem Mond fotografiert werden kann?

In dieser Erklärung erfährst Du, was eine Kamera ist, wie sie funktioniert und wo Kameras auch in der Physik Anwendung finden.

Kamera Erklärung

Der Begriff Kamera stammt ursprünglich aus dem Lateinischen "Camera obscura", was so viel bedeutet wie "dunkle Kammer" und geht zurück auf die erste und einfachste Kamera, die Du auch selbst bauen kannst, die Lochkamera.

Eine Kamera ist ein Gerät oder eine Apparatur, die statische oder bewegte Bilder analog auf Film oder als digitale Datei aufnehmen und abspeichern kann. Wird das Bild analog aufgenommen, muss der Film zusätzlich im Nachhinein entwickelt werden.

Die Lochkamera ist jedoch eher als einfacher Vorgänger heutiger Kameras anzusehen und findet im Alltag wenig bis keine Verwendung.

Fotoapparat Kamera Erklärung Aufbau einer Lochkamera StudySmarterAbbildung 1: Lochkamera

Willst Du mehr über die Lochkamera erfahren und wie Du sogar selbst eine bauen kannst, dann schau Dir dazu die passende Erklärung an.

Du hast jetzt bereits einige Fachbegriffe kennengelernt. Analog, digital und Film, aber was ist das eigentlich und was hat das mit einer Kamera zu tun?

Fotoapparat Physik Grundlagen

Eine Kamera besteht im Wesentlichen aus einem lichtdichten Gehäuse, an dem ein Objektiv angeschlossen ist.

Der wohl wichtigste Teil einer Kamera befindet sich jedoch im Inneren. Die Rede ist von dem lichtempfindlichen Bereich, der letztlich auch das Bild erzeugt oder abbildet.

Ältere analoge Kameras haben einen Film im Inneren, dieser besteht aus einer Trägerfolie, die einen Film lichtempfindlicher Chemikalien enthält. Diese Art der Aufnahme wird auch analoge Fotografie genannt. Du kennst das vielleicht von Sofortbildkameras, die das Foto sogar direkt fertig ausgeben.

Fotoapparat Physik Grundlagen Film Negativ StudySmarterAbbildung 2: Fotoapparat Film Quelle: pixabay.com3

Trifft Licht auf diese Chemikalien, werden je nach Art des Films entweder nur die Lichtunterschiede abgebildet, also ein Schwarz-Weiß-Foto, oder auch Farbdaten erfasst. Die Bilder auf dem Film werden auch Negative genannt, da sie nachträglich noch in einem Labor entwickelt werden müssen, um ein fertiges Foto zu erzeugen.

Die physikalische Funktionsweise eines digitalen Fotoapparates unterscheidet sich kaum von der analogen Arbeitsweise. Anstatt eines Films wird ein lichtempfindlicher Sensor verwendet, der das einfallende Licht direkt in elektrische Signale umwandelt, digital erfasst und als Datei abspeichert.

Fotoapparat Physik Grundlagen Sensor Systemkamera StudySmarterAbbildung 3: Sensor SystemkameraQuelle: pixabay.com4

Eine wichtige Eigenschaft, um die Leistungsfähigkeit einer Kamera zu beschreiben, ist ihre Auflösung.

Die Auflösung einer Kamera gibt an, wie viele unterschiedliche Bildpunkte und damit auch Details sie aufnehmen kann. In der digitalen Fotografie wird dies mit der Menge der Pixel angegeben. Heutige Kameras bewegen sich in ihrer Auflösung meist im Bereich von 12–48 Megapixel (Millionen Pixel).

Ein Pixel ist der kleinste Teil eines digitalen Fotos und enthält genau eine einzige Farbinformation, also das Mischverhältnis der Farben Rot, Blau und Gelb sowie der Position im Bildausschnitt.

Allgemein gilt: Je mehr Pixel eine Kamera aufnehmen kann, desto detailreicher sind ihre Aufnahmen.

In der Physik, allem voran der Astronomie, werden die leistungsstärksten Kameras verwendet.

Fotografie Physik

Fotografie hat eine große Bedeutung in der Welt der Physik. Wusstest Du, dass auch Teleskope Kameras sein können? Das Dezember 2021 ins All gebrachte James-Webb-Teleskop ist mit seinem einzigartigen Spiegelsystem das leistungsstärkste Teleskop aller Zeiten und damit auch eine der besten Kameras für entfernte Objekte.

Es ist nämlich nicht nur möglich, Objekte im sichtbaren Licht zu fotografieren, gerade im Infrarotbereich können beispielsweise in der Astronomie viele neue Erkenntnisse gewonnen werden, allerdings müssen diese Bilder nachträglich bearbeitet werden, um die Farben sichtbar zu machen.

Fotoapparat Fotografie Physik Carina Nebel StudySmarterAbbildung 4: Carina Nebel MilchstraßeQuelle: NASA/ESA/CSA5

Das Bild zeigt eine Infrarotaufnahme des weit entfernten Carina-Nebels innerhalb der Milchstraße. Im Vergleich zu einer Aufnahme im sichtbaren Licht zeigen sich hierbei deutliche Verbesserungen in der Qualität der Aufnahme, da Licht im Infrarotbereich nahezu verlustfrei Staubwolken durchdringt und dadurch viel mehr Details eingefangen werden können.

Die Auflösung der Sensoren des James-Webb-Teleskops im Infrarotbereich so fein, dass selbst 2 Hummeln auf dem Mond unterschieden werden könnten. Bei klassischen Systemkameras hält die Kamera des SLAC-Laboratoriums Stand 2022 in Kalifornien mit 3200 Megapixeln den Rekord der höchsten Auflösung.

Wie ist aber eine Kamera grundsätzlich aufgebaut?

Funktionsweise & Aufbau Fotoapparat Physik

Der grundlegende Aufbau einer Kamera hat sich seit über 100 Jahren kaum verändert. Ein Objektiv, das die Optik bzw. die Linsen enthält, die das Licht in das Innere der Kamera leiten, sitzt direkt vor dem Sensor oder dem Film.

Unmittelbar hinter den Linsen sitzt die Blende, die den Lichteinfall steuert, indem die Öffnung entweder auf oder zu gefahren wird. Der Verschluss vor dem Sensor ist für die Belichtungszeit verantwortlich, indem er den Sensor für eine vorgegebene Zeit dem Licht aussetzt.

Das folgende Bild zeigt Dir den schematischen Aufbau und die Beschriftung eines Fotoapparates:

Eine entscheidende Eigenschaft des Objektivs, die Du auch bei jedem Objektiv in den technischen Daten finden wirst, ist die Brennweite. Die Brennweite gibt den Abstand der Linse zum Sensor an und bestimmt, wie groß der Bildausschnitt ist, der erfasst wird.

Die Brennweite gibt den Abstand der Linse des Fotoapparates zum Brennpunkt an, also dem Punkt, in dem sich die Lichtstrahlen treffen und das Bild scharf abgebildet wird. Je nach Entfernung des Motivs kann der Brennpunkt verschoben werden, um das Bild scharfzustellen. Die Brennweite wird in Millimetern angegeben.

Eine Brennweite von 50 mm entspricht in etwa dem Sichtfeld Deiner Augen. Ist die Brennweite höher, wird der Bildausschnitt kleiner. Daher haben Zoom-Objektive meist eine Brennweite von mehr als 250 mm.

Ist die Brennweite kleiner als 50 mm, wird der Bildausschnitt als weitwinklig bezeichnet, da bei gleichem Abstand zum Motiv mehr zu sehen ist als bei größeren Brennweiten. Aber wo ist der genaue Unterschied in der Funktionsweise von digitalen Kameras im Vergleich zu analogen Geräten?

Bei digitalen Kameras sitzt zusätzlich noch der Prozessor im Gehäuse, der die Bilddaten verarbeitet. Mit dem Sucher kann der Fotograf genau den Bildausschnitt anschauen, der später das fertige Bild ergibt.

Soviel zum schematischen Aufbau einer Kamera. Es gibt jedoch noch einige Einstellmöglichkeiten, die direkten Einfluss auf die Bildqualität haben, die Wichtigsten sind der ISO-Wert, die Brennweite sowie die Belichtungszeit.

ISO, Brennweite und Belichtungszeit berechnen

Hast Du schon einmal versucht, abends ein Bild aufzunehmen? Dir wird auffallen, dass die Bilder mit zunehmender Dunkelheit immer schlechter werden und viel Rauschen, also stark verschwommene, undetaillierte Bereiche enthalten. Hier wird der ISO-Wert einer Kamera wichtig.

ISO steht für Standard der internationalen Organisation für Normung und beschreibt die Lichtempfindlichkeit eines Films oder eines Sensors. Ein höherer ISO-Wert erhöht bei sonst gleichbleibenden Lichtverhältnissen die Helligkeit der Aufnahme.

Ein höherer ISO-Wert erhöht nicht wirklich die Menge an Licht, die auf den Sensor trifft, sondern entspricht viel mehr einer Signalverstärkung des vorhandenen Lichts. Je höher der ISO-Wert, desto größer die Signalverstärkung.

Um ein helleres Bild zu erzeugen, kannst Du demnach einen höheren ISO-Wert einstellen, um die Lichtempfindlichkeit zu maximieren. Der Nachteil von hohen ISO-Werten ist, dass im fertigen Bild ein sogenanntes Bildrauschen entsteht.

Fotoapparat ISO Brennweite und Belichtungszeit Rauschen StudySmarter

Abbildung 6: ISO Rauschen

In diesem Beispielbild erkennst Du deutlich das Bildrauschen aufgrund eines zu hohen ISO-Wertes im rechten Bild. Es sieht häufig danach aus, dass die Auflösung und Qualität des Bildes deutlich abnehmen.

Das linke Bild wurde bei einem geringeren ISO-Wert länger belichtet und hat deswegen trotz des geringeren ISO eine deutlich bessere Qualität.

Eine andere Möglichkeit, die Helligkeit eines Bildes zu verbessern, ist die Belichtungszeit zu erhöhen, also die Zeit, die der Sensor oder der Film dem Licht des Motivs ausgesetzt ist. In diesem Fall kommt tatsächlich mehr Licht und damit Information auf den Sensor und das Bild wird heller und detaillierter.

Um die Belichtungszeit bei Tageslicht zu berechnen, kannst Du eine Faustregel verwenden und den Kehrwert der verwendeten Brennweite benutzen:

\(t_{Belichtung}=\frac{1}{|f|}\)

Bei einer Brennweite f von 50 mm ergibt sich damit eine Belichtungszeit t von:

\(t_{Belichtung}=\frac{1}{50}s\)

Der Nachteil hierbei ist, dass mit zunehmender Belichtungszeit die Schärfe des Bildes abnimmt, sobald sich etwas im Bildausschnitt bewegt, weshalb bei größeren Brennweiten sehr kurze Belichtungszeiten gewählt werden sollten.

Willst Du mehr zum Thema Optik, Linsen und Brechung von Licht erfahren, schau Dir gerne die passenden Erklärungen dazu an.

In der Abbildung siehst Du den Strahlengang von Licht, das auf die Kamera trifft. Das einfallende Licht trifft idealerweise parallel auf die Linse und wird gleichmäßig gebrochen, hin zu einem Punkt, dem sogenannten Brennpunkt F. Der Brennpunkt liegt auf der optischen Achse, diese ist eine gedachte Linie, die durch den Mittelpunkt der Linse geht.

Damit Du die wichtigsten Punkte zum Fotoapparat nicht vergisst, gibt es zusammengefasst hier noch einmal das Wichtigste:


Fotoapparat – Das Wichtigste

  • Der Begriff Kamera stammt aus dem Lateinischen und geht zurück auf die erste und einfachste Kamera – die Lochkamera.
  • Es wird zwischen analogen + digitalen Kameras unterschieden:
    • Analoge Kameras belichten einen lichtempfindlichen Film, der durch chemische Reaktionen das Bild erzeugt.
    • Digitale Kameras belichten einen lichtempfindlichen Sensor, der die Lichtinformationen in elektrische Signale umwandelt und auf einem Datenträger digital speichert.
  • Das Objektiv ist ein Linsensystem, das das Licht bricht und auf den Brennpunkt fokussiert.
  • Der Brennpunkt entspricht dem Punkt, an dem sich die Lichtstrahlen gebündelt treffen und wo sich der Film bzw. Sensor befindet.
  • Die Brennweite gibt den Abstand der Linse zum Brennpunkt an.
  • Um die Belichtungszeit zu berechnen, kannst Du eine einfache Faustregel verwenden und den Kehrwert der verwendeten Brennweite benutzen:

    \(t_{Belichtung}=\frac{1}{|f|}\)

  • ISO steht für Standard der internationalen Organisation für Normung und beschreibt die Lichtempfindlichkeit eines Films oder eines Sensors.

  • Die Auflösung einer Kamera beschreibt ihre Fähigkeit, zwei einzelne Objekte voneinander unterscheidbar wiederzugeben.

  • Ein Pixel ist der kleinste Teil eines digitalen Fotos und enthält genau eine einzige Farbinformation, also das Mischverhältnis der Farben Rot, Blau und Gelb sowie der Position im Bildausschnitt.

  • Die Belichtungszeit ist die Zeit, die der Sensor oder der Film dem Licht des Motivs ausgesetzt ist.


Nachweise

  1. Hermann Slevogt: Technische Optik, Walter de Gruyter, 1974
  2. Ansel Adams: Die Kamera. München 2000
  3. Abb. 2: Fotoapparat Film (https://pixabay.com/de/photos/film-kamera-kino-ausr%c3%bcstung-2205325/) (18.08.2022)
  4. Abb. 3: Sensor Systemkamera (https://pixabay.com/de/photos/sony-rx1-die-full-frame-35mm-4701717/) (18.08.2022)
  5. Abb. 4: Carina Nebel Milchstraße (https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-cosmic-cliffs-glittering-landscape-of-star-birth) (18.08.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Fotoapparat Physik

Ein Fotoapparat sammelt das reflektierte Licht von Objekten ein und speichert die Daten entweder analog auf einem lichtempfindlichen Film oder über einen lichtempfindlichen Sensor digital als Datei auf einem Datenträger.

Die wesentlichen Bestandteile eines Fotoapparates sind die Linse bzw. das Objektiv, welches das Licht sammelt, eine Blende, welche den Lichteinfall steuert sowie ein Sensor oder ein Film, auf den das Licht fokussiert wird, um das Bild zu speichern. Besitzt die Kamera einen Sensor, benötigt sie zusätzlich eine Recheneinheit, welche die Daten verarbeiten kann.

Beide besitzen ein Objektiv, wobei das Auge nur eine Linse enthält, welches einfallendes Licht sammelt, eine Blende, die den Lichteinfall bestimmt, sowie einen lichtempfindlichen Bereich, wo die Lichtinformation gespeichert wird. Im Auge entspricht die Retina dem Film oder dem Sensor in einer Kamera.

Je nach Form der Linse wird das Licht entweder weitwinklig oder aus einem kleinen vergrößerten Bereich des Bildausschnitts gesammelt und auf den sensorischen Teil der Kamera fokussiert, wo das Bild abgebildet wird.

Finales Fotoapparat Physik Quiz

Frage

Nenne die einfachste Kamera, die gebaut werden kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Die einfachste Kamera ist die Lochkamera.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den Unterschied zwischen analoger und digitaler Fotografie.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der analogen Fotografie wird ein Film belichtet, der durch chemische Reaktionen ein Bild erzeugt. In der digitalen Fotografie wird das Licht auf einen Sensor abgebildet, der die Informationen digital auf einem Datenträger abspeichert.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Aufgabe eines Objektives.

Antwort anzeigen

Antwort

Das Objektiv einer Kamera hat die Aufgabe, das Licht des Motivs einzufangen und so zu bündeln, dass auf dem Sensor oder dem Film ein scharfes Bild entsteht.

Frage anzeigen

Frage

Berechne die Belichtungszeit einer Kamera mit einem Objektiv, welches eine Brennweite von 120 mm besitzt.

Antwort anzeigen

Antwort

\(t_{Belichtung}=\frac{1}{f}\)


\(t_{Belichtung}=\frac{1}{120}s\)



Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was die Brennweite bedeutet.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Brennweite gibt den Abstand der Linse zum Brennpunkt an.


Frage anzeigen

Frage

Nenne die Eigenschaft einer Systemkamera, mit der sich ihre Leistungsfähigkeit messen lässt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Auflösung einer Kamera gibt an, wie viele unterschiedliche Bildpunkte und damit auch Details sie aufnehmen kann. In der digitalen Fotografie wird dies mit der Menge der Pixel angegeben, die der Sensor aufnehmen kann.


Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was ein Pixel im Zusammenhang einer digitalen Kamera bedeutet.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Pixel ist der kleinste Teil eines digitalen Fotos und enthält genau eine einzige Farbinformation, also das Mischverhältnis der Farben Rot, Blau und Gelb sowie der Position im Bildausschnitt. 


Frage anzeigen

Frage

Gib die Bedeutung der Belichtungszeit an und welche Probleme es bei einer zu langen Belichtungszeit geben könnte.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Belichtungszeit ist die Zeit, die der Sensor oder der Film dem Licht des Motivs ausgesetzt ist. Ist sie zu lang eingestellt, kann das Bild bei bewegten Motiven verschwommen werden.


Frage anzeigen

Frage

Erläutere den wesentlichen Unterschied von ISO und Belichtungszeit.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Belichtungszeit sorgt dafür, dass physikalisch mehr Licht auf den Sensor trifft. Der ISO-Wert entspricht lediglich einer künstlichen Signalverstärkung.

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