Wenn Fotografen von Objektivbeugung sprechen, beziehen sie sich auf die Tatsache, dass ein Foto bei kleinen Blendenwerten – f/16, f/22 und so weiter – immer unschärfer wird. Wenn Sie Ihr Objektiv auf solche kleinen Blendenwerte abblenden, beginnen die feinsten Details auf Ihren Fotos zu verschwimmen. Aus gutem Grund kann dieser Effekt Fotografen, die mit dem Fotografieren beginnen, beunruhigen. Wenn Sie jedoch verstehen, wie sich die Beugung auf Ihre Fotos auswirkt, können Sie fundierte Entscheidungen treffen und die schärfstmöglichen Fotos im Feld aufnehmen. In diesem Artikel werden wir das Thema Objektivbeugung im Detail erforschen und über verschiedene Techniken sprechen, die Sie einsetzen können, um sie zu vermeiden.
Die Auswirkungen der Beugung – dass Ihre Schärfe bei immer kleineren Blenden abnimmt – sind in der folgenden Gegenüberstellung dargestellt. Beachten Sie, dass es sich um ziemlich extreme Ausschnitte handelt:
Der Grund, warum dies auftritt, beruht auf physikalischen Prinzipien; kurz gesagt, je kleiner die Blende wird, desto mehr breiten sich die Lichtwellen aus und überlagern sich gegenseitig. Das führt dazu, dass kleine Details auf Ihren Fotos verschwimmen.
Diese Erklärung ist jedoch zu einfach und kann für Anfänger verwirrend sein. Was verursacht physikalisch gesehen die Beugung? An welchem Punkt beginnt die Beugung, Ihre Fotos unscharf zu machen? Kann man etwas tun, um Beugung zu verhindern? Sind teure Objektive besser in der Lage, Beugung zu kontrollieren? Die Antworten auf all diese Fragen werden im Folgenden ausführlich erklärt.
Inhaltsverzeichnis
Was ist Beugung?
Bei der Erklärung von Beugung kann es schwierig sein, den Spagat zwischen dem Vermeiden und dem Einbeziehen von Verweisen auf die optische Physik zu schaffen. Die meisten Fotografen sind eher an alltäglichem Wissen als an umfassenden Hintergrundinformationen interessiert, aber es ist unmöglich, über Beugung zu sprechen, ohne zu beschreiben, wie sie auf einer fundamentalen Ebene funktioniert. Dieser Abschnitt soll auch für Nicht-Physiker verständlich sein; wir empfehlen, ihn zu lesen, da er eine solidere Grundlage für das Verständnis der Beugung bietet.
Am einfachsten ist die Beugung das Konzept, dass Wellen – einschließlich Lichtwellen – miteinander interferieren können. Tatsächlich interferieren die Wellen jedes Mal, wenn sie durch einen Spalt laufen. Um dies zu veranschaulichen, denken Sie an Wellen von Wasser. Wenn Sie einen Stein in einen vollkommen ruhigen See fallen lassen, entsteht eine Welle aus kleinen Wellen. Diese Wellen breiten sich in konzentrischen Kreisen aus, genau wie in der Abbildung unten:
Was passiert, wenn Sie eine Barriere schaffen, die den Weg dieser Wellen blockiert? Ganz einfach: Man würde ihre Bewegung stoppen. Das ist langweilig:
Um es interessant zu machen, schneidet man also ein Loch in die Barriere, so dass das Wasser passieren kann. Welche Art von Mustern würden die Wellen nun erzeugen?
Die Wellen sehen ähnlich aus, wie man es erwarten würde, obwohl sich neben der primären Welle ein paar zusätzliche Muster bilden:
Diese zusätzlichen Muster sind Artefakte der Wellen, die sich um die Ecken herum biegen. Sie entstehen, weil die beiden Ecken im Wesentlichen als einzelne Wellenquellen wirken – Wellen, die miteinander kollidieren können. In bestimmten Bereichen der Kollision heben sich die Wellen gegenseitig auf (destruktive Interferenz); deshalb sehen einige Bereiche des Diagramms völlig ruhig aus. An anderen Stellen hingegen addieren sich die Wellen (konstruktive Interferenz), wodurch sich seitlich ein zusätzliches Muster bildet.
Zur Veranschaulichung sei gesagt, dass sich am rechten Rand des Diagramms ein Sensor befindet. Dieser Sensor misst die Intensität der Wellen an einem bestimmten Punkt, die mit der Amplitude der Welle zunimmt. Ein Diagramm der Intensität ist unten dargestellt:
Es ist klar, dass das zentrale Muster das bedeutendste ist. Die Muster an den Seiten sind immer noch vorhanden, aber sie haben nicht annähernd die gleiche Intensität wie das Muster in der Mitte. Das bedeutet, dass das zentrale Muster in der Fotografie am bedeutendsten ist, worauf wir gleich noch eingehen werden. Sehen wir uns zunächst an, was mit einer großen und einer schmalen Öffnung in der Barriere passiert. Beachten Sie, dass die Bilder unten vereinfacht wurden und nur das zentrale Wellenmuster enthalten ist:
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Bildern ist, dass die kleinere Öffnung zu einer größeren Ausbreitung der Wellen führt, während die große Öffnung viel weniger Ausbreitung verursacht.
Werfen Sie einen Blick auf den Vergleich zwischen den Graphen der beiden Wellen:
Obwohl es zunächst ungewöhnlich erscheinen mag, dass eine kleine Öffnung zu einer größeren Ausbreitung der Wellen führt, sollten die obigen Abbildungen zeigen, dass es logisch Sinn macht. Im Wesentlichen lassen größere Öffnungen die Wellen ohne große Störungen passieren. Da die Wellen nicht besonders gestört werden, folgen sie einem relativ geraden Weg zum Beckenrand. Kleinere Öffnungen hingegen beeinflussen eine Welle stärker und bewirken, dass sie sich in einem härteren Winkel biegt. (Dies ist eine leichte Vereinfachung; für weitere technische Informationen empfehle ich die Lektüre der Wikipedia-Seite über das Huygens-Prinzip.)
Schließlich ist zu beachten, dass eine „kleine“ Öffnung relativ ist. Tatsächlich verursacht die Öffnung nur dann eine Beugung, wenn sie ähnlich groß ist wie die Wellenlänge, die sie durchläuft. Das ist der Grund, warum Licht, das eine winzige Wellenlänge hat, nicht signifikant gebeugt wird, wenn es durch eine zehn Fuß breite Öffnung geht – obwohl der Ozean es tut.
Glückwunsch! Sie verstehen jetzt die Physik der Beugung. Im Grunde bewirkt eine kleine Öffnung, dass sich Wellen krümmen und miteinander interferieren, was wiederum ihr Signal ausbreitet.
Beugung in der Fotografie
Klar, Beugung ist ein wichtiges Konzept in der Physik. Tatsächlich spielte ein ähnliches Experiment (mit zwei statt einem Spalt) eine wichtige Rolle beim Nachweis, dass sich Licht als Welle verhalten kann – eine der wichtigsten Entdeckungen der Wissenschaftsgeschichte. Aber wie wirkt sich das auf Ihre alltägliche Fotografie aus?
Alles hängt von der Blende eines Objektivs ab. Wie auf dem obigen Foto zu sehen ist, wirken die Blendenlamellen einer Linse wie ein einzelner Spalt, der Lichtwellen durchlässt. Ein Muster der Lichtintensität ist genau das, was Sie erwarten würden zu sehen:
Dies ist allerdings eine zweidimensionale Grafik. In der realen Welt projiziert ein Lichtpunkt in drei Dimensionen. Ein genaueres Diagramm sieht also folgendermaßen aus:
Dieses dreidimensionale Muster entsteht jedes Mal, wenn Licht durch die Blende in Ihrem Kameraobjektiv scheint. Wenn es auf den Sensor Ihrer Kamera projiziert wird, sieht es so aus:
Die obige Abbildung zeigt eine so genannte Airy-Scheibe. Das ist, ganz einfach gesagt, das Erscheinungsbild eines Beugungsmusters, wenn es auf den Sensor Ihrer Kamera trifft. Der zentrale Bereich ist am hellsten und hat den größten Effekt auf Ihre Fotos.
Es ist nicht schwer zu erklären, warum diese Airy-Scheibe ein Foto unscharf machen kann. Wir wissen bereits, dass eine kleine Öffnung – oder, eine kleine Blende – dazu führt, dass sich Wellen ausbreiten. Das bedeutet, dass bei kleinen Öffnungen die Airy-Scheibe viel größer wird. Wenn Sie sich vorstellen können, dass die Airy-Scheibe auf den Sensor Ihrer Kamera trifft, erhalten Sie ein Bild, das so aussieht, wobei das Gitter die Pixel auf Ihrem Sensor darstellt:
Stellen Sie sich nun eine Szene vor, die aus unzähligen kleinen Lichtquellen besteht. Jeder winzige Lichtpunkt durchläuft die Blende Ihres Objektivs, so dass jeder Teil Ihres Fotos als Airy-Scheibe auf Ihren Sensor projiziert wird. Diese werden, wie oben gezeigt, bei kleinen Blendenwerten unschärfer. Das ist der Grund, warum Sie Beugung sehen!
Hoch- versus Niedrig-Megapixel-Kameras
Der obige Vergleich, der ein Airy-Scheibchen zeigt, das auf die Pixel Ihres Sensors trifft, könnte eine Frage aufwerfen: Wenn die Pixel größer wären, würde das Airy-Scheibchen nicht weniger wahrscheinlich überlaufen?
In der Tat, das ist völlig richtig! Große Pixel – also solche, die größer sind als das Airy-Scheibchen – zeigen bei den gleichen Blendenwerten keine Beugung, wie es bei einer Kamera mit kleinen Pixeln der Fall wäre. Vielleicht kann ich bei der Nikon D700 mit 12 Megapixeln bis auf f/11 abblenden, ohne eine Beugung zu bemerken, während die D800/D810 mit 36 Megapixeln bei jeder Blende kleiner als f/5,6 eine sichtbare Beugung zeigen würde. Diese Zahlen sind jedoch nicht in Stein gemeißelt; ich empfehle, Ihre eigene Kamera zu testen, um zu sehen, wann die Beugung anfängt, sich bemerkbar zu machen (und, was noch wichtiger ist, wann sie anfängt, unangenehm zu werden).
Dies ist jedoch kein Problem mit hochauflösenden Sensoren. Tatsächlich wird ein hochauflösender Sensor, wenn alle Einstellungen gleich sind, immer mehr Details erfassen als ein niedrig auflösender Sensor der gleichen Größe. Mehr Pixel führen niemals zu weniger Details, auch nicht bei der kleinsten Blende. Das bedeutet, dass, wenn Sie Ihre Fotos in der gleichen Größe ausdrucken, ein Foto der Nikon D800/D810 immer mehr Details aufweisen wird als ein Foto der Nikon D700, wenn alles andere gleich ist.
Wenn Sie die Nikon D800/D810 kaufen, stehen die Chancen gut, dass Sie groß oder pixelgenau drucken möchten. Wenn das bei Ihnen der Fall ist, ist die Beugung auf jeden Fall ein größeres Problem, als es bei einem niedrig auflösenden Sensor der Fall gewesen wäre! Um die bestmögliche Schärfe aus einer D800/D810 herauszuholen, sollten Sie darauf achten, dass Ihre Blende kleiner als etwa f/8 ist. Auch hier empfehle ich, die genauen Grenzen Ihrer Kamera selbst zu testen.
Kleine versus große Sensoren
Es wird oft gesagt, dass Kameras mit Crop-Sensor (d.h., DX-Nikon-Kameras) leichter Beugung zeigen als Vollformat-Kameras (FX-Nikon). Ist das ein Mythos, oder stimmt das?
Fangen wir mit dem an, was wir wissen. Bei einer bestimmten Blende an einem Objektiv wird die Airy-Scheibe immer die gleiche physikalische Größe haben. Es spielt keine Rolle, welchen Sensor Sie verwenden; das ist eine physikalische Eigenschaft, die nur von der Blende selbst abhängt. Ob ich zum Beispiel ein 50mm f/1.8 Objektiv auf die D750 mit Vollformat oder auf die D3300 mit Crop-Sensor setze, die Größe der Airy-Scheibenprojektion wird identisch sein (gleiche Blende vorausgesetzt).
Wo liegt also die Verwirrung? Die Verwirrung rührt daher, dass die gleiche Airy-Scheibe bei einer Crop-Sensor-Kamera einen größeren Anteil der Fläche einnimmt als bei einer Vollformat-Kamera. Schauen Sie sich das folgende Beispiel an:
In der Tat wird eine DX-Kamera bei gleicher Druckgröße mehr Beugung zeigen als eine FX-Kamera. Das liegt daran, dass der DX-Sensor im Wesentlichen ein Ausschnitt des FX-Sensors ist; mit anderen Worten, er vergrößert alles in Ihrem Foto – einschließlich der Beugung – genau wie beim Zuschneiden in der Postproduktion.
Die Menge an zusätzlicher Beugung ist die gleiche wie Ihr Cropfaktor. Multiplizieren Sie also bei einer Kamera mit 1,5-fachem Crop-Faktor die Blende mit 1,5, um die entsprechende Beugung bei einer Vollformatkamera zu sehen. Zum Beispiel nimmt das Airy-Scheibchen bei f/11 auf einer DX-Kamera ungefähr den gleichen Prozentsatz Ihres Sensors ein wie das Airy-Scheibchen bei f/16 auf einer Vollformatkamera.
Natürlich können Sie mit einer DX-Kamera nicht ganz so groß drucken wie mit einer FX-Kamera. Für viele Fotografen gibt es also keinen praktischen Unterschied; die kleineren Abzüge von einer DX-Kamera heben die zusätzliche Beugung auf. Wenn Sie mit einer DX-Kamera in großen Formaten drucken, sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass die Beugung bei einer bestimmten Blende stärker ausfällt.
Beugung und Schärfentiefe
Die Beugung verringert die Schärfe eines Fotos bei kleinen Blenden. Gleichzeitig erhöhen kleine Blenden aber auch die Schärfentiefe eines Fotos. Dies ist kein Widerspruch, auch wenn es zunächst verwirrend sein kann. Schauen Sie sich zum Beispiel den folgenden Vergleich an:
Wie Sie sehen können, hat das Foto mit Blende 22 viel mehr von der Szene innerhalb der Schärfentiefe. Wenn ich das gesamte Motiv scharf haben möchte, ist es viel besser als das Foto bei f/5,6. Schauen wir uns jedoch den Schärfepunkt genauer an:
Wie Sie sehen können, ist das f/5,6-Foto deutlich schärfer. (Klicken Sie auf das Bild, um es deutlicher zu sehen.)
Das bedeutet natürlich nicht, dass Sie jedes Foto mit f/5,6 aufnehmen sollten. Wenn Sie eine große Schärfentiefe benötigen, können Sie ruhig kleinere Blenden verwenden; manchmal ist es die leichte Verringerung der Schärfe durch Beugung wert.
Auswahl der schärfsten Blende
Bei jeder einzelnen Blende Ihres Objektivs gibt es immer Beugung. Das muss auch so sein, denn Licht muss sich immer durch eine Blende beugen, auch wenn sie sehr groß ist. Bei großen Blendenöffnungen wie f/2.8 oder f/4 ist die Airy-Scheibe jedoch viel kleiner als die Pixel auf Ihrem Foto. Das bedeutet, dass die Beugung bei solch großen Blenden im Wesentlichen nicht zu sehen ist.
Das bedeutet jedoch nicht, dass große Blenden bei einem bestimmten Objektiv am schärfsten sind. Wie Sie wahrscheinlich wissen, neigt ein Objektiv dazu, am schärfsten zu sein, wenn seine Blende leicht abgeblendet ist. Zum Beispiel ist mein 20mm f/1.8 Objektiv in der Mitte bei f/4 am schärfsten. Unten ist ein Schärfediagramm für ein solches Objektiv:
Warum liegt der Peak also bei Blende f/4 und nicht bei f/1.8? Das würde den Rahmen dieses Artikels ein wenig sprengen, aber die Quintessenz ist, dass – bei größeren Blenden – mehr Licht durch die Ränder eines Objektivs gelangt. Da die Mitte eines Objektivs der am besten korrigierte Bereich ist, verringert dies die Schärfe des Fotos (und erhöht die sphärische Aberration). Eine kleinere Blende blockiert Licht, das durch die Ränder eines Objektivs gelangt ist, was die Schärfe eines Fotos verbessert.
Dieser Effekt, ausgeglichen mit der Abnahme der Schärfe durch Beugung, ist der Grund dafür, dass f/4 die größte Schärfe bei einem Objektiv wie dem 20mm f/1.8 ergibt.
Wie können Sie feststellen, welche Blende bei Ihrem Objektiv am schärfsten ist? Schauen Sie sich einfach die Testergebnisse im Internet an. Allerdings sollten Sie sich nicht zu sehr stressen, immer mit der „perfekten“ Blende zu fotografieren. Zum einen können selbst diese Testergebnisse mehrdeutig sein. In der obigen Tabelle zum Beispiel sind die Ecken des Objektivs bei Blende 8 tatsächlich am schärfsten. Je nach Motiv kann es also sein, dass Sie eher die schärferen Ecken als die schärfste Mitte bevorzugen.
Zur gleichen Zeit sind auch suboptimale Blenden nicht furchtbar unscharf. Ich habe ein paar große Abzüge von Fotos gemacht, die bei f/16 aufgenommen wurden, und ihre Qualität ist mehr als ausreichend für meine Bedürfnisse. Wenn Sie eine solche Blende brauchen – im Allgemeinen, um die Schärfentiefe zu erhöhen – scheuen Sie sich nicht, sie zu verwenden.
(Wenn Sie die größtmögliche Schärfentiefe in einem Foto benötigen, wie viele Landschaftsfotografen, empfehle ich Ihnen, etwas über die hyperfokale Distanz zu lesen. Es gibt viele Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Eigenschaften der Fotografie.)
Beugung vermeiden
Nun, da Sie die Beugung verstehen, wie stellen Sie sicher, dass Sie sie in Ihren Fotos vermeiden? Leider ist die einfache Antwort, dass man das nicht kann. Beugung ist ein Ergebnis der Physik. Es spielt keine Rolle, wie gut Ihr Objektiv ist; Beugung raubt die Schärfe bei kleineren Blendenöffnungen, egal was passiert.
Auch wenn Sie die Gesetze der Physik nicht umgehen können, gibt es eine Möglichkeit, Beugung in Ihren Fotos zu vermeiden: Verwenden Sie eine größere Blendenöffnung. Wenn Sie das absolut schärfste Foto benötigen, ist dies die einzige Möglichkeit, die Auswirkungen der Beugung zu vermeiden. Fotografieren Sie eine Szene, die eine große Schärfentiefe benötigt? Versuchen Sie Focus-Stacking bei einer Blende von f/5.6 oder f/8, wo die Beugung minimal ist.
Wenn Sie eine kleine Blende (z.B. f/16 oder f/22) verwendet haben, können Sie den sichtbaren Detailreichtum eines Fotos durch Schärfen in der Nachbearbeitung verbessern. Dies beseitigt zwar nicht die Auswirkungen der Beugung, ist aber eine einfache Möglichkeit, Fotos zu verbessern, die mit kleiner Blende aufgenommen wurden.
Theoretisch ist es möglich, die Beugung durch einen Schärfungsprozess zu korrigieren, der als Dekonvolutionsschärfung bekannt ist. Diese Art der Schärfung ist am effektivsten, wenn man ein perfektes Modell des betreffenden Objektivs hat, einschließlich seiner genauen optischen Eigenschaften. Aus diesem Grund reduziert die allgemeine Dekonvolutionsschärfung die Auswirkungen der Beugung nicht in einem sinnvollen Maße; es ist jedoch bekannt, dass die NASA eine solche Methode einsetzt, um die Schärfe von Fotos des Hubble-Teleskops zu verbessern. (Einige Kamerahersteller, darunter Pentax, haben zwar eine Menüoption zur Beugungsreduzierung; dies ist jedoch nichts anderes als eine Standard-Unschärfemaske, die in Ihre RAW-Datei eingekocht wird). Wenn Sie die Entfaltungsschärfung testen wollen, erhöhen Sie den Schieberegler „Detail“ entweder in Lightroom oder Camera Raw so weit wie möglich. Natürlich wird dies nicht spezifisch für Ihr Objektiv sein, was für eine echte Beugungsreduzierung notwendig wäre.
Auch wenn Sie Ihre Fotos in der Nachbearbeitung schärfen können, ist der beste Weg, die Beugung zu verringern, einfach eine größere Blende zu verwenden.
Zusätzliche Informationen
Blende ist ein technisches Thema, ebenso wie die Wechselwirkung zwischen Licht und Ihrem Kamerasensor. Einige der obigen Informationen sind als Best-Case-Szenario dargestellt, die Realität kann etwas komplexer sein. Die meisten der folgenden Informationen werden das tatsächliche Aussehen Ihrer Fotos nicht beeinflussen, aber es lohnt sich, einige dieser Sonderfälle zu behandeln.
Zum Beispiel wird Licht mit großen Wellenlängen leichter gebeugt als Licht mit kürzeren Wellenlängen; das bedeutet, dass rotes Licht (mit einer Wellenlänge von etwa 650 nm) bei gleicher Blende zu einer größeren Airy-Scheibe führt als blaues Licht (etwa 475 nm). Theoretisch sehen Sie also etwas weniger Unschärfe durch Beugung, wenn Sie mit extrem blauem Licht arbeiten; in der Praxis ist dieser Effekt jedoch so gering, dass er sich kaum auf Ihre Fotos auswirkt.
Außerdem erkennen in den meisten Kameras die Pixel, die sich zu einem Foto zusammensetzen, nicht alle die gleichen Wellenlängen des Lichts. Bei Sensoren mit einer Bayer-Anordnung von Pixeln (einschließlich Nikon, Canon und Sony DSLR/Spiegellose Kameras) ist die Anzahl der grünempfindlichen Pixel doppelt so hoch wie die Anzahl der roten und blauen Pixel. Das bedeutet, dass das zuvor dargestellte Pixeldiagramm eine leichte Vereinfachung ist; dies ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass die Unschärfe durch Beugung mit der Größe der Airy-Scheibe zunimmt.
Schließlich ist die Darstellung der Airy-Scheibe in diesem Artikel etwas einfacher, als sie in der realen Welt erscheinen würde. Oben habe ich sie als eine Reihe von konzentrischen Ringen dargestellt; in der Realität würde das aber nur vorkommen, wenn die Blende perfekt kreisförmig wäre. Die meisten Objektive haben sieben, acht oder neun Blendenlamellen, die (selbst wenn sie gebogen sind) nicht ganz kreisförmig sind. So wird aus der „Airy-Scheibe“ ein „Airy-Achteck“. Es gibt jedoch keinen praktischen Unterschied in der Erscheinung der Beugung in Ihren Fotos; Ihre Fotos werden genauso unscharf sein, wenn Sie das Objektiv abblenden.
Wenn Sie Fragen zu den Feinheiten der Beugung haben, können Sie gerne eine Frage im Kommentarbereich stellen; ein einzelner Artikel ist zu kurz, um alles zu erklären, was es über ein so komplexes Thema zu wissen gibt.
Fazit
Angesichts all dieser technischen Vorbehalte kann die Beugung wie ein ungewöhnliches Thema erscheinen, über das man diskutieren sollte. Dennoch sind ihre Auswirkungen in Ihren Fotos deutlich und signifikant, und es lohnt sich, sie beim Fotografieren zu berücksichtigen. Besonders für Landschafts- und Architekturfotografen – oder jeden, der scharfe Fotos mit großer Schärfentiefe machen möchte – ist es wichtig, die Nachteile zu verstehen, die sich aus der Aufnahme mit einer kleinen Blende ergeben.
Die Beugung ist in all Ihren Fotos vorhanden, und – wenn Sie nicht aufpassen – kann sie Ihren Lieblingsbildern etwas Schärfe rauben. Sobald Sie jedoch die Auswirkungen in der Praxis sehen, wird die Beugung zur zweiten Natur.