Physikalische Grenzen der Fotografie: Wenig Licht - Teil 1

Einführung | Gründe für unscharfe Fotos, Gegenmaßnahmen, und mögliche Folgen... | Zusammenfassung und Ausblick | Referenzen

In dieser Artikelserie beschreibe ich ein Beispiel, wo die Fotografie an die Grenzen der Physik stößt, nämlich wenn das Licht knapp wird. Viele Fotografen erwarten aber auch in diesem Fall, dass ihre Kamera einwandfreie Fotos liefert. Hier möchte ich versuchen zu erklären, warum das nicht möglich ist. Dabei gehe ich auch auf die Unterschiede zwischen großen und kleinen Sensoren ein, weil ich den Eindruck habe, dass viele Besitzer von Kompaktkameras zu viel von ihren Kameras erwarten, weil sie ignorieren oder nicht wissen, was dieser Unterschied bedeutet.

Dieser erste Teil dient als Einführung. Hier frage ich nach Gründen für unbefriedigende, vor allem unscharfe Fotos und diskutiert mögliche "Gegenmaßnahmen". Im zweiten und dritten Teil, die durch zusätzliche Seiten mit Testbildern ergänzt werden werden, vergleiche ich Kameras mit Sensoren unterschiedlicher Größe hinsichtlich ihres Verhalten bei unterschiedlichen ISO-Werten. Im vierten Teil stelle ich das Konzept des Lichtwertes als Maß für vorhandenes Licht vor und zeige Bildbeispiele zur Veranschaulichung. Im fünften und sechsten Teil stelle ich beispielhafte Situationen vor, in denen wenig Licht zur Verfügung steht; dabei geben ich den Lichtwert und weitere fotografische Daten an. Im siebten und letzten Teil versuche ich, die Ergebnisse zusammenzufassen.

Einführung

Im Zeitalter der digitalen Fotografie, und erst recht im Zeitalter der Handy-Fotografie, erwarten viele Besitzer von ihren Kameras und Handy-Kameras wahre Wunder. Vor allem sollen sie immer perfekt belichten und scharfstellen - und das auch, wenn das Licht knapp ist. Und das ist leider nicht möglich! Fotografie könnte man als "Malen mit Licht" bezeichnen. Dabei malt aber kein Pinsel, sondern ein elektronisches Gerät, das bestimmten physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Eine davon ist, das eine Kamera zum "Malen" ausreichend Licht benötigt. Ich möchte im folgenden keine große physikalische Abhandlung "vom Stapel" lassen, sondern nach einer Einführung in die Thematik anhand von Beispielen zeigen, dass praktisch alle Kameras Probleme mit der Bildqualität bekommen, wenn das Licht knapp wird. Doch es gibt Unterschiede zwischen verschiedenen Typen von Digitalkameras, und die sind im wesentlichen durch die Größe des in der Kamera verbauten Sensors bedingt. Als einfache Grundregel können wir uns merken: Je größer der Sensor ist, desto mehr Licht fällt auf ihn und desto besser die Bildqualität. Und daraus folgt auch, dass je größer der Sensor einer Kamera ist, desto länger kann eine gewisse Mindest-Bildqualität aufrecht erhalten werden, wenn das Licht knapper wird.

Interessanterweise stellen nicht unbedingt Nachtaufnahmen, bei denen sich helle Lichter sich von einem dunklen Hintergrund abheben oder auf denen ein leuchtender Abendhimmel zu sehen ist, ein Problem dar. Hier weiß man eigentlich, dass man etwas tun muss, um brauchbare Fotos zu erhalten: zum Beispiel die Kamera auf ein Stativ stellen oder abstützen. Eher schon stellen Aufnahmen von Himmelskörpern ein Problem dar (außer dem Mond), weil manche Kameras die benötigten langen Belichtungszeiten nicht erlauben oder weil die Ergebnisse unbrauchbar sind (vereinfacht: der Sensor wird bei langen Belichtungseiten heiß, und das Bild verrauscht). Auf diesen Anwendungsfall möchte ich hier nicht eingehen, weil er sehr speziell ist und nur einen kleinen Personenkreis betrifft.

Das Problem, das ich ansprechen möchte, betrifft typischerweise Aufnahmen in Innenräumen, ebenso Außenaufnahmen in der Morgen- oder Abenddämmmerung (man ist zum Beispiel zu spät dran mit den Aufnahmen...) oder an trüben Wintertagen, bei denen man Ergebnisse wie an einem Sommertag erzielen möchte. Bei Innenraumaufnahmen stellen wir oft enttäuscht fest, dass die Bilder zu dunkel und/oder unscharf sind und auch bei den erwähnten Arten von Außenaufnahmen stoßen wir schnell an die "Verwacklungsgrenze". Wenn wir die Bilder genauer betrachten, können sie auch "matschig", wie gemalt, oder total verrauscht aussehen (oder alles auf einmal), weil wir den ISO-Wert stark erhöht haben, um zu akzeptablen Verschlusszeiten zu gelangen. Wer dann auf seine Kamera schimpft, verlangt vielleicht zu viel von ihr oder hat die falsche Kamera für diesen Zweck dabei. Aber selbst meine besten Kameras stießen bei solchen Aufnahmen an Grenzen - zugegebenermaßen hatte ich allerdings nicht unbedingt "Lichtwunder" unter meinen Kameras... Doch ich besaß und besitze Kameras mit unterschiedlich großen Sensoren, so dass ich das Verhalten von Kameras mit großen und kleinen Sensoren zumindest ein wenig einschätzen kann, und davon will ich hier berichten.

Gründe für unscharfe Fotos, Gegenmaßnahmen, und mögliche Folgen...

Beginnen möchte ich damit, dass die Fotos unscharf sind. Fotos können aus verschiedenen Gründen unscharf sein. Im folgenden möchte ich einige Gründe dafür nennen und kurz diskutieren.

Die Entfernung ist falsch eingestellt.

Bei automatischer Fokussierung (Autofokus) kann es passieren, dass sich der Autofokus schlichtweg "vertut". Vor allem passiert das, wenn es wenig Licht zur Verfügung steht. Die Gründe, warum ein Autofokus "daneben hauen" kann, sind vielfältig und würden einen eigenen Artikel füllen. Hier halten wir einfach fest, dass dies passieren kann, und zwar wird es umso wahrscheinlicher, je weniger Licht zur Verfügung steht. Die meisten Kameras bieten deshalb ein Autofokus-Hilfslicht an, aber auch dieses löst nicht alle Probleme (z.B. weil es nicht weit genug reicht) - oder man möchte es in der gegebenen Situation nicht einsetzen, weil es zu grell ist oder zuviel Aufmerksamkeit auf sich zieht.

Manuelles Fokussieren kann natürlich erst recht "daneben" gehen, zum Beispiel, weil man sich in der Entfernung verschätzt oder das Ziel im Sucher nicht ausreichend erkennen und scharfstellen kann (das ist mir zum Beispiel bei einer Hochzeit passiert - zum Glück war ich nicht der "offizielle" Fotograf).

Lange Belichtungszeiten: Das Foto ist verwackelt, Personen sind unscharf, weil sie sich zu schnell bewegt haben.

Bei wenig Licht gelangt man schnell in der Bereich längerer Belichtungszeiten. Manche Fotografen können noch 1/30 aus der Hand halten, andere sogar ein 1/15 oder 1/8, aber irgendwann ist Schluss. Manche Kameras haben Vorrichtungen, um Verwacklungen zu verhindern oder zumindest zu vermindern (manche Firmen werben mit bis zu 5 Blendenstufen Gewinn). Nach meiner Erfahrung ist es eher ein Vermindern als ein Verhindern und deshalb auch nicht immer befriedigend - aber das kann auch an den Kameras liegen, die ich verwende und verwendet habe. Nastürlich kann man die Kamera auf ein Stativ stellen oder auf eine feste Unterlage stellen, um Verwacklungen zu vermeiden, aber beides ist nur für statische Motive geeignet (oder wenn man Bewegungsspuren einfangen möchte). Und nicht immer hat man ein Stativ dabei oder findet eine geeignete Unterlage...

Gegen Bewegungsunschärfe (Leute drehen den Kopf, bewegen Arme, Kinder laufen umher...) helfen aber auch Anti-Verwacklungs-Methoden nichts, wenn die Belichtungszeiten entsprechend lang sind. Aber nicht immer werden solche Unschärfen als störend empfunden.

Exkurs: Wie erreicht man unter diesen Bedingungen kürzere Belichtungszeiten?

Also sollte das Ziel sein, möglichst kurze Belichtungszeiten zu erreichen, die man noch "aus der Hand" halten kann und bei denen mögliche Bewegungsunschärfen gering gehalten werden. Im folgenden möchte ich drei Methoden für diesen Zweck nennen, die den meisten Fotografen sicher geläufig sind.

Verwenden eines Blitzes

Viele Kameras haben einen (meistens) kleinen und schwachen Blitz eingebaut. Dieser Blitz reicht aus, um wenige Personen oder Objekte in der Nähe ausreichend auszuleuchten. Er reicht weder aus, Fotos in einem Stadion zu machen (obwohl man da immer Blitzlichtgewitter von den Rängen sieht - aber eigentlich ist es dort hell genug), große Innenräume wie Kirchen oder Hallen auszuleuchten oder eine größere Gruppe von Personen zu fotografieren. Das Blitzlicht fällt sehr schnell ab, so dass vorne alles hell, oft sogar überstrahlt, und hinten alles dunkel aussieht.

Das Thema "Blitz" füllt ganze Bücherschränke, und ich möchte deshalb an dieser Stelle nichts weiter dazu schreiben - außer dass ich nur dann blitze, wenn es gar nicht anders geht. Mir gefällt einfach der Bildeindruck nicht, den man mit kleinen eingebauten Blitzen erhält, und mehr Aufwand möchte ich nicht treiben. Es bleibt aber festzuhalten, dass ein Blitz Bewegungen "einfrieren" und auch Verwacklungen weitgehend verhindern kann. Ich habe allerdings auch Digitalkameras gefunden, die den Blitz mit langen Belichtungszeiten kombinierten, so dass dem Blitzbild ein unscharfes Bild überlagert war. Es zeigte sich, dass diese Kameras im Automatikmodus einen Blitzmodus wählten, bei dem die Belichtungszeit so lang gewählt wird, dass auch der Hintergrund mit abgebildet wurde. Besser wäre sicherlich, automatisch einen "normalen" Blitzmodus auszuwählen...

Verwendung lichtstarker Ojektive

Dies ist sicher die Methode, Belichtungszeiten zu verkürzen, mit den wenigsten "Nebenwirkungen" - außer dass die Schärfentiefe bei großen Blendenöffnung sehr klein werden kann (für Details siehe ...) und dass lichtstarke Optiken oft groß, schwer und teuer sind.

Hinzu kommt, dass die eigene Kamera vielleicht leider keine lichstarke Optik eingebaut hat, und das ist nun einmal diejenige, die zur Verfügung steht. So geht es mir zum Beispiel mit meiner Leica X Vario, die eine Anfangsöffnung von 1:3.5 bei 28 mm hat und im Telebereich sogar auf 1:6.4 (bei 70 mm) abfällt. Da tut man sich schon schwerer bei Innenaufnahmen in dunklen Innenräumen, zum Beispiel beim Fotografieren von weiter entfernten Details in Kirchen...

Erhöhung der ISO-Zahl

Nun bin ich an dem Punkt angelangt, der wohl am engsten mit dem Thema "Sensorgröße" verbunden ist. Praktisch alle Kameras bieten eine "Auto"-Einstellung für die Lichtempfindlichkeit, bei der die Kamera die ISO-Zahl automatisch wählt (manchmal kann man Ober- und Untergrenzen vorgeben). Viele Hobby-Fotografen verwenden nur diese Einstellung (ich tat dies früher auch), und wenn man bestimmte Automatik-Einstellungen von Kameras verwendet (z.B. "intelligente" Automatiken), kann man daran auch gar nichts ändern. Man kann höchstens einen anderen Automatik-Modus wählen, der mehr Eingriffsmöglichkeiten bietet.

Wenn die Kamera jedoch erlaubt, die ISO-Einstellung in einem bestimmten Bereich zu ändern, ist dies natürlich DIE Schraube, an der man zunächst dreht (bei DSLR- und Systemkameras kann man natürlich auch erst einmal das Objektiv wechseln, sofern ein lichtstarkes Objektiv zur Verfügung steht).

Leider gilt auch für diese "Schraube" der alte Lehrsatz: "Keine Wirkung ohne Nebenwirkung!" Das möchte ich im folgenden verdeutlichen. Hier möchte ich noch abschließend festhalten, dass innerhalb eines gewissen Bereiches das Erhöhen der ISO-Zahl eine gute Möglichkeit ist, zu kürzeren Belichtungszeiten zu gelangen und damit das Verwackeln und Bewegungunschärfe wirksam zu verhindern - oder wenigstens zu vermindern.

"Matschige", "wie gemalte" oder sonstwie unscharfe Bilder...

Welche weiteren Gründe kann es für unbefriedigende Fotos geben? Wenn wir einmal davon ausgehen, dass die Frontlinse des Objektivs sauber war, fallen mir die folgenden zwei Gründe ein. Im weiteren werde ich mich aber nur mit dem zweiten beschäftigen.

Schlechtes oder schlecht justiertes Objektiv

Objektive einfacher Kameras sind generell unschärfer als teure Objektive oder fest verbaute Objektive an teuren Kameras. Zum Beispiel kann ich am Bildschirm den Unterschied zwischen Fotos, die mit der Ricoh CX4 mit kleinem Sensor gemacht wurden, und solchen, die mit meinen APS-C-Kameras gemacht wurden, deutlich sehen, obwohl der Bildschirm weniger Pixel als die Fotos hat, die alle diese Kameras machen. Kaum zu erkennen am Bildschirm ist dagegen der Unterschied zwischen Fotos meiner APS-C-Kameras und Fotos der Sony RX100 mit 1"-Sensor meiner Frau. Insgesamt kommen aber noch weitere Faktoren hinzu. Zum Beispiel zeigten die Ricoh Kompaktkameras meiner Frau manchmal unscharfe Bereiche an den Seiten oder in den Ecken, die störend wirkten (die Objektive waren schlecht zentriert; die Kameras gingen deshalb auch in die Reparatur). Dies ist ein Beispiel für mangelnde Qualitätskontrolle.

Spitzenkameras und Objektive sind nicht unbedingt in der Mitte schärfer als andere, aber gleichmäßig scharf über das gesamte Bildfeld ohne allzu großen Schärfeabfall in den Ecken (alle Objektive sind in den Ecken unschärfer als in der Mitte). Die Schärfe des Objektivs der Sony RX100 meiner Frau läßt zum Beispiel in den Ecken deutlich nach; mit dem Objektiv meiner Leica X Vario bin ich dagegen zufrieden, auch wenn es in den Ecken ein bisschen schwächer ist. Inzwischen korrigieren übrigens viele Kamerahersteller solche Objektivschwächen elektronisch nach - nicht immer zum Guten...

Objektive sind ein weites Feld. Hier wollte ich nur andeuten, dass auch das Objektiv einer Kamera ein Grund für unbefriedigende Fotos sein kann - und das, wie beschrieben, aus einer Reihe von Gründen. Bei fest verbauten Objektiven hat man leider nur die Option, die Kamera als Ganzes zu wechseln und nicht nur das Objektiv...

Hohe ISO-Werte: Rauschen oder Pinselei...

Nun komme ich endlich zum Thema "Nebenwirkungen höherer ISO-Werte"! Früher gab es Filmemulsionen mit unterschiedlichen ISO (ASA/DIN)-Werten, um die verschiedenen Bedürfnisse von Fotografen abzudecken. Auch hier galt schon, dass höher empfindliche Filme nicht mit der Qualität niedrig-empfindlicher Filme mithalten konnten, sie waren körniger und härter.

Die ISO-Einstellung ist im Grunde eine "Verstärkungsregelung": Hat man weniger Licht, dreht man eben die Verstärkung hoch. Von Audio-Verstärkern weiß man, dass dies zu erhöhtem Rauschen führt - und bei Kameras ist das nicht anders: man erhält mehr Bild- und Farbrauschen. Letzendlich werden die Fotos dadurch "körniger" (Bildrauschen) und auch "bunter" (Farbrauschen). Wie reagieren Kamera-Hersteller darauf?

Nun, sie reagieren darauf mit ausgeklügelten Algorithmen (Rechenverfahren), die vermutlich fast so geheim sind wie die Rezepturen der Alchemisten im Mittelalter. Und in der Tat gibt es beachtliche Unterschiede in der Art und Weise, wie verschiedene Kamerahersteller und Hersteller von Fotobearbeitungsprogrammen damit umgehen. Das zeigt sich zum Beispiel bei vergleichenden Kameratests wie auf dpreview.com.

Grundsätzlich gibt es zwei Herangehensweisen der Kamerahersteller: Die einen packen das Rauschen nur schwach an (und werden in Tests oft dafür kritisiert...), aber in den Fotos bleiben mehr Details erhalten - und Nachbearbeiter können mit den Fotos mehr anfangen und aus ihnen herausholen. Die anderen "bügeln" das Rauschen möglichst großzügig weg und geben den Fotos damit ein aquarell-artiges Aussehen, so dass sie wie "gemalt" wirken, wenn man sie stark vergrößert. Das geschieht mal mehr, mal weniger stark und fängt bei manchen Firmen bei niedrigeren ISO-Werten an als bei anderen. Bei solchen Fotos läßt sich im Nachherein leider nicht mehr viel retten...

Ab wann man nun davon sprechen kann, dass einem ein Foto aufgrund des Rauschens oder der Maßnahmen gegen das Rauschen nicht mehr gefällt, ist sicherlich eine sehr persönliche Sache. Oft liest man, dass die Fotos einer Kamera XYZ bei hohen ISO-Werten noch für Web-Bilder geeignet sind, aber nicht mehr für den Druck. Dies ist ein Beispiel für viele das zeigt, dass die Frage, ob die Bildqualität noch akzeptabel ist, mit der Verwendung des Fotos zusammenhängt. Wenn ich Fotos auf Konferenzen gemacht habe, war die Qualität eher zweitrangig, weil ich die Fotos vornehmlich für den Gebrauch auf Web-Seiten gemacht habe. Anders sieht es zum Beispiel bei Fotos auf Familienfeiern aus, die man später drucken und verschenken möchte.

Nebenbei: Moire-Filter als Ursache für unschärfere Bilder

Typischerweise verwenden Kameras Sensoren mit einem sogenannten Moire-Filter (oder Anti-Aliasing-Filter, kurz auch AA-Filter genannt). Dieser soll die Entstehung von Moire bei bestimmten regelmäßigen Mustern (z.B. Nylonstrümpfe) verhindern, macht aber das Bild etwas unschärfer als wenn kein Filter verwendet wird. In den letzten Jahren sind Hersteller vermehrt dazu übergegangen, Kameras ohne solches Filter anzubieten (oder gar zwei Varianten, eine mit und eine ohne Filter). Unterschiede sieht man allerdings nur auf der Pixelebene, also wenn man Bilder in 100%-Vergrößerung betrachtet. Ich möchte diesen Punkt nicht weiter diskutieren, aber kurz erwähnen. Im zweiten und dritten Teil stelle ich auch Bilder einer Kamera (Ricoh GR) ohne ein solches Filter vor.

Zusammenfassung und Ausblick

Wenn das Licht knapp wird, zeigen sich die Grenzen auch von Digitalkameras. Unscharfen und verwackelten Bildern kann man zwar gegensteuern, aber nur in gewissen Grenzen - Blitzeinsatz, lichtstarke Optiken und Erhöhen des ISO-Werts sind denkbare Maßnahmen. Die ersten beiden Maßnahmen sind jedoch nicht immer einsetzbar. So bietet sich das Erhöhen des ISO-Wertes geradezu als "Königsweg" an. Wenn man den ISO-Wert erhöht, stößt man allerdings früher oder später auf nicht mehr akzeptable Bildergebnisse. Als allgemeine Merkregel (keine Regel ohne Ausnahme!) gilt: je kleiner der Sensor, umso früher. Und, wie ich zeigte, hängt auch von der späteren Verwendung eines Fotos ab, ob seine technische Qualität noch als akzeptabel angesehen werden kann oder nicht.

Im zweiten und dritten Teil der Serie vergleiche ich Kameras mit Sensoren unterschiedlicher Größe bei verschiedenen ISO-Werten. Wenig Licht heißt typischerweise, dass man zu höheren ISO-Werten greifen muss. Dieser "Königsweg" stößt jedoch, wie schon beschrieben, vor allem bei Kameras mit kleinen Sensoren, an seine Grenzen - und das sollen die gezeigten Beispiele anschaulich belegen.

Im vierten Teil versuche ich genauer zu fassen, was wenig Licht bedeutet, und stelle des Konzept des Lichtwertes als Maß für die Helligkeit vor. Dieses Konzept soll uns in den nachfolgenden Artikeln begleiten.

Im fünften und sechsten Teil der Serie stelle ich beispielhafte Situationen vor, in denen typischerweise wenig Licht vorhanden ist - und wo ich das auch so erlebt habe und mit Fotobeispielen belegen kann. Dabei gebe ich auch die Lichtwerte und weitere fotografische Daten an. Teilweise habe ich dabei Kameras unterschiedlicher Sensorgrößen verwendet, so dass ich direkt den Unterschied zwischen diesen zeigen kann.

Im siebten und letzten Teil versuche ich meine Ergebnisse zusammenzufassen und zu Schlußfolgerungen zu gelangen.

Referenzen

Elmar Baumann: Lichtwert, Lichtwert-Diagramm (www.elmar-baumann.de/fotografie/fragen/lichtwert.html)