Funktionsweise des Fokussierens

Funktionsweise des Fokussierens

Das Fokussieren oder Scharfstellen ist einer der wichtigsten Schritte vor dem Aufnehmen eines Photos. Damit wird eingestellt, in welcher Enfernung eine Ebene parallel zum Bildsensor scharf abgebildet werden soll. Anders als bei Lochkameras können Linsenkameras nicht den ganzen Raum gleichscharf abbilden. Jede Abbildung mit einer Linse kann, technisch bedingt, nur in einer Ebene (an einem Ort) scharf sein; alles davor und dahinter erscheint allmählich unscharf, wobei der Grad der Unschärfe mit zunehmender Entfernung zu dieser Ebene zunimmt. Diese Ebene nennt man auch Schärfeebene. Objektpunkte vor oder hinter der Schärfebene kann man sich dargestellt denken als Kreisscheibchen, die größer sind als die der Punkte in der Schärfeebene. Diese Scheibchen werden auch Zerstreuungskreise genannt.

Solange ein Zerstreuungskreis eines Objektpunktes kleiner als der Pixelabstand auf dem Sensor ist, ergibt sich beim Bild selbst kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Schärfe.

Bei einer Darstellung eines Bildes kann das Auge des Betrachters je nach Betrachtungsabstand ebenfalls nur Objekte auflösen, die größer als eine minimale Größe sind. Diejenigen dargestellten Objektpunkte, deren Zerstreuungskreise kleiner sind als diese Auflösung des Auges, werden ebenfalls als scharf wahrgenommen. Von weit weg betrachtet erscheint also beim selben Bild die Schärfe größer zu sein, es sind allerdings insgesamt weniger Details erkennbar.

Auch die Schärfeebene ist an sich nicht vollständig scharf, da ein Lichtbündel selbst im Fokus (Schärfeebene) eine endliche Breite aufweist und nicht, wie es idealerweise wäre, punktförmig ist. Je weiter sich Punkte vor oder hinter der Schärfeebene befinden, umso mehr werden sie als genannte Zerstreuungskreise und nicht mehr als Punkte dargestellt, und umso mehr werden sie damit unscharf erscheinen.

Ein wichtiger Grund hierfür ist das begrenzte Auflösungsvermögen des Auges, das zur Folge hat, dass wir Bilder nur bis zu einem bestimmten Grad auflösen können. Als Faustformel ergibt sich für jenen Betrachtungsabstand, bei dem ein Bild komplett von einer Ecke zur anderen überschaut werden kann, daß das menschliche Auge auf der Bilddiagonale bis maximal 1500 Punkte unterscheiden (also "auflösen") kann. Strukturen, die kleiner als 1/1500 der Diagonale sind, werden vom Auge nicht weiter aufgelöst und somit automatisch als scharfe Punkte betrachtet. Übersteigt der Grad der Unschärfe 1/1500 der Diagonale nicht, nehmen wir also ein scharfes Bild wahr - auch wenn es eigentlich leichte Unschärfe aufweist. Die Situation ändert sich, wenn der Betrachter den Betrachtungsabstand verringert.

Er kann dann mehr Details auflösen und daher ehemals als scharf vermutete Teile des Bildes als unscharf wahrnehmen.

Der Schärfeeindruck wird zudem auch durch den Pixelabstand des Sensors (das heißt den Abstand der einzelnen Pixel im Sensor) beziehungsweise der Körnung des Films bestimmt. Bei geringem Betrachtungsabstand können eventuell die Pixel oder die Körnung vom Auge selbst aufgelöst werden. Allerdings können Zerstreuungskreise kleiner als der Pixelabstand oder die Körnung auch nicht kleiner oder schärfer erscheinen als diese Grundstrukturen des Bildes.

Ein Beispiel: Ein Photo mit einer Pixelzahl von 10 MP hat etwa eine Bilddiagonale von rund 4500 Pixeln. Wird es mit einem Betrachtungsabstand angesehen, bei dem man gerade das ganze Bild überblicken kann, so ist die Auflösung aufgrund der Pixelzahl also 3-mal größer als das Auflösungsvermögen des Auges. Das Bild kann durchaus unscharf sein; übersteigt die Unschärfe jedoch nicht mehr als 3 Pixel, so würde das Bild immer noch als scharf erscheinen (4500 / 3 = 1500 = das Auflösungsvermögen).

Wenn die Zerstreuungskreise also eine gewisse Größe nicht überschreiten, werden sie vom Menschen als Punkte aufgefasst und erscheinen scharf. Es gibt in der Photographie gewisse Techniken, die Größe der Zerstreuungskreise zu reduzieren oder zu erhöhen, um bewusst Unschärfe aufzubauen oder zu reduzieren. Während man Bilder in der Nachbearbeitung mit Filtern immer nahezu beliebig unscharf werden lassen kann, kann man sie allerdings nur in begrenzten Umfange nachschärfen, wodurch aber natürlich auch nicht mehr Details dargestellt werden können, als in der unscharfen Originalaufnahme aufgelöst wurden, die erscheinen nur mit größerem Kontrast.

Somit erscheint ein gewisser Teil vor und hinter der Schärfeebene als scharf und es entsteht auf dem Bild ein für den Menschen scharfer Bereich. Diesen Bereich nennt man Schärfentiefe (früher auch irreführend teilweise Tiefenschärfe). Er kann unendlich sein (das gesamte Bild erscheint scharf), mäßig oder klein sein. Manchmal ist der Bereich der Schärfentiefe auch nur wenige Millimeter groß, das heißt das Bild ist nur in einem sehr kleinen Bereich scharf - alles davor und dahinter wirkt unscharf. In der Makro- oder Mikrophotographie schrumpft die Schärfentiefe in der Regel sogar auf Bruchteile von Millimetern. Dabei ist zudem zu beachten, dass zwei benachbarte Objekte nicht unterscheidbar sind, wenn sie dichter zusammenstehen als die halbe Wellenlänge des zur Betrachtung verwendeten Lichtes.

Es wird einem also mit sichtbarem Licht nicht gelingen, Details aufzulösen, die deutlich kleiner als 200 Nanometer sind, egal mit welcher Vergrößerung das Bild aufgenommen wurde.

Auf die Schärfe des Bildes haben auch noch andere Faktoren einen Einfluß - die Auflösung des Objektivs und Beugungseffekte bei kleiner Blendenöffnung sind zwei weitere wichtige Faktoren.