Technikmythen erklärt: Sensorgröße und Tiefenschärfe

Technikmythen erklärt: Sensorgröße und Tiefenschärfe

In dieser Artikel-Serie möchte ich ein bisschen mehr Licht ins Dunkel um Sensorgrößen, Abbildungsmaßstäbe und Bildausschnitte bringen. Und den Zerstreuungskreis.

Teil 1: Sensorgrößen und Zerstreuungskreise. (hier geht's zu Teil 2)

Im Prinizip handelt es sich bei allen von den Begriffen oben erstmal um Begriffe aus der Optik. Um zu verstehen, warum man jetzt eben nicht nur das Objektiv, sondern auch den Sensor dazu berücksichtigen muss, kann man sich überlegen, wie ein Bild (in einer Kamera) entsteht.

Strahlengang einer physikalischen Abbildung: das  Objekt (rechter grüner Pfeil) wird auf dem Schirm/Sensor (linker grüner Pfeil) abgebildet.
Man sieht sofort: ein kleinerer Sensor bildet auch nur einen kleineren Ausschnitt des Bildes ab.  Vgl. [1].

Und zwar fallen hier Lichtstrahlen durch das Objektiv, an dem sie abgelenkt, sprich fokussiert werden, auf einen Sensor. Vergleichen kann man das ganze mit unserem Auge, bei dem die Lichtstrahlen durch die Linse auf die Netzhaut fallen. Oder einem Beamer, der ein Bild durch die Linse auf eine Leinwand wirft. Und genau darum geht es: Ein reelles Bild entsteht immer erst dann, wenn Lichtstrahlen auf ein Hindernis treffen - Leinwand, Netzhaut oder eben den Sensor unserer Kamera.

Und wann ist ein Bild jetzt scharf? Aus physikalischer Sicht ist diese Frage recht schnell und einfach beantwortet: Wenn der Fokuspunkt - sprich der Punkt, in dem sich die Strahlen schneiden, die vom Objekt kommen - genau in der Sensorebene liegt.
Bewegen wir die Sensorebene - oder das abgebildete Objekt - jetzt ein bisschen nach vorne oder nach hinten, laufen die Strahlen eben nicht mehr in der Sensorebene zusammen. Wir "schneiden" dann also vor oder hinter der eigentlichen Fokusebene durch den Strahl und sehen den sogenannten Zerstreuungskreis. Also eigentlich eine unscharfe Abbildung des Objekts.

Liegt ein Objekt vor oder hinter der Schärfen- bzw. Fokusebene, aber noch innerhalb des Bereichs der Schärfentiefe (Objekte 1 und 2), wird es vom Sensor noch scharf abgebildet. Andernfalls ist es unscharf (Objekt 3).  Siehe auch [2].

Genau wie unser Auge, das in der Lage ist, aus Zerstreuungskreisen einer gewissen Größe doch noch scharfe Bilder zu "errechnen", haben auch Kameras dafür eine gewisse "Toleranz". Die zwei entscheidenden Größen in diesem Zusammenhang sind die Größe des Sensors und seine Auflösung. Daraus ergibt sich nämlich die Größe einer einzelnen Sensoreinheit - eines sog. Sensels. Ein einzelner Sensel ist die Einheit, die genau einen Lichtpunkt (Pixel) aufnimmt. Passt der Zerstreuungskreis also genau in einen Sensel, spricht man von einer scharfen Abbildung, ist das nicht der Fall, "verschmiert" der Zerstreuungskreis über mehrere Sensel und macht das Bild damit für die Kamera unscharf.

Beispiel: zwei Sensoren gleicher Auflösung aber unterschiedlicher Größe bilden das gleiche Objekt in den gleichen Abständen mit gleicher Brennweite ab.

grün: Objekt liegt bei beiden Sensorfen noch im Bereich der Schärfentiefe.
gelb: während das Objekt beim größeren Sensor gerade noch scharf abgebildet wird, verschmiert der Zerstreuungskreis beim kleineren Sensor schon über mehrere Sensel.
rot: Objekt liegt für beide Sensoren außerhalb des scharfen Bereichs.

Das heißt natürlich auch, dass bei einem Sensor mit kleineren Senseln das Bild schneller unscharf wird und wir somit weniger Schärfentiefe haben. Sprich: Kleinere Sensoren liefern in der Regel weniger Tiefenschärfe!
Wohlgemerkt bei Verwendung der gleichen Sensor-Auflösung, Brennweite, Blende und demselben Abstand von Sensor/Kamera zu abzubildenden Objekt.

Wie diese drei Faktoren dafür sorgen, dass es uns mit größeren Sensoren dann doch leichter fällt, eine kleinere Schärfentiefe zu bekommen werde ich in meinem nächsten Artikel kurz erklären.



Bildquellen:
[1] Michael Schreiter - Image:Lens3.png aus englischer Wikipedia, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23783860
[2] Thomas Steiner - created with the help of Inkscape; inspiration by Sigrist/Stolt: "Die große Objektiv-Fotoschule", CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=624944

Mehr Infos zum Thema:
https://photographylife.com/sensor-size-perspective-and-depth-of-field
https://www.youtube.com/watch?time_continue=606&v=lte9pa3RtUk
https://de.wikipedia.org/wiki/Zerstreuungskreis

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