Die Technik der digitalen Fotografie in Worten und Bilder.

Die digitale Kameratechnolgie. Technik Spiegelreflexkamera.

Von der Spiegelreflexkamera bis zur spiegellosen Systemkamera. Wird die digitale Zukunftskamera aus einem Mix aus einem Megapixelhype, der besseren Bild- sowie Aufnahmequalität und Lichtempfindlichkeit werden?

Die Arbeitsweise der Spiegelreflexkameras und wie ein digitales Bild entsteht, möchte ich Ihnen anhand einiger grafischer Bildbeispiele erklären. Der Sucher bzw. das Okular ist die kleine Öffnung an der Rückwand an einer digitalen SLR-Kamera (SLR = Single Lens Reflex), wodurch Sie Ihre Motive sehen. Aber wie ist es möglich das Bild durch dieses Okular zu sehen?

Alle Kameras lassen Bilder durch reflektierendes Licht entstehen. Ein Objektiv, welches am Kameragehäuse durch einen Objektivverschluss an der SLR-Kamera angebracht ist, nimmt das reflektierende Licht vom zu fotografierenden Motiv auf und leitet das erzeugte Bild zu einem Spiegel, der in der Standardstellung den Kamerachip (CCD, CMOS) oder den Negativfilm bei der analogen Fotografie verdeckt. Der Spiegel ist so angeordnet, dass dieser die Lichtstrahlen des Bildes in ein Pentaprisma weiterschickt. Im Pentaprisma wird nun das Bild so umgelenkt, dass es zum Sucherokular gelangt. Bei einer Aufnahme (drücken des Auslösers) schwingt der Spiegel nach oben und gibt den Kamerachip bzw. den Negativfilm zur Belichtung frei. Das Foto entsteht.

Hinter dem großem Hauptspiegel befindet sich ein weiterer kleiner Spiegel. Bei einer Belichtung schwingt der Hauptspiegel nach oben. Dies bedeutet, dass der hier eingezeichnete Spiegel teildurchlässig ist und nur einen Teil der Lichtstrahlen in das Pentaprisma zum Sucherokular schickt. Die restlichen Lichtstrahlen lässt der ‚Hauptspiegel‘ hindurch zum hinteren kleineren Spiegel, welcher diese Lichtstrahlen im inneren des Gehäuses Richtung Stativgewinde weiterleitet. Im Gehäuse über dem Stativgewinde befindet sich ein Messmodul zur Autofokussierung.

Da sehr viele Spiegelreflexkameras einen Live-View-Modus besitzen und der Benutzer über den eingebauten, meist schwenkbaren Monitor, das Bild in Echtzeit sehen kann, wird die Autofokussierung durch den Hauptsensor durchgeführt. Beim Start des Live-View-Modus schwenken beide Spiegel nach oben und die Lichtstrahlen treffen auf den Sensorchip.

Canon verbaut unter anderem Dual-Pixel-CMOS-AF-Technik. Hier dient der Sensorchip als Erzeuger von Bilddaten und zur Phasendetektion ‚Autofokus‘. Je weiter die Technik fortschreitet umso komplexer wird die Technik und das Innenleben einer digitalen Spiegelreflexkamera. Schön ist, das Canon, auch Konkurrenzbedingt nun mehr ein Augenmerk auf die Bildqualität ‚Bildrauschen reduzieren, Detailerhaltung‘ legt, anstelle die Megapixel unsinnig zu erhöhen.

Die digitale spiegellose Systemkamera ist fast identisch mit der digitalen Spiegelreflexkamera. Der Unterschied besteht darin, dass die Systemkamera keinen klappbaren Schwingspiegel und kein Pentaprisma besitzt. Die Lichtstrahlen „Motiv/Bildinformationen“ gelangen direkt über das Objektiv auf den elektronischen Fotosensor. Dementsprechend kann das Bild im digitalen Sucher oder am Kameradisplay nur angezeigt werden, wenn die Kamera eingeschaltet ist und mit Spannung versorgt wird.

Durch die Einsparung von Pentaprisma, Klappspiegel und der Spiegelreflexmechanik können die DSLM „Digital Single Lens Mirrorless“ kleiner und leichter hergestellt werden. Überall wo Geräusche unerwünscht sind, wie in der Tierfotografie, ist eine spiegellose Systemkamera hervorragend geeignet, da es kein Klack-Geräusch eines Spiegelschlags gibt.

Die permanente Versorgung der elektronischen Komponenten belastet den Akku und verringert somit die Laufzeit. Der elektronische Sucher kann eine spürbare Verzögerung, Verdunkelung und einen fehlerhaften Kontrast wiedergeben. In Situationen mit wenig Licht oder bei schneller Action arbeitet eine Systemkamera eventuell nicht so präzise, wie die Spiegelreflexkamera. Diese genannten Nachteile werden in Zukunft mit Sicherheit immer weiter schrumpfen und schwinden, denn die spiegellose Systemkamera wird früher oder später die digitale Spiegelreflexkamera ablösen.

Elektronische Komponenten CMOS und CCD auf dem Vormarsch.

Ein elektronisches Bauteil Namens Fotosensor (CMOS, CCD) hat in der digitalen Fotografie den Platz des Negativfilms eingenommen.

Die Sensoren gibt es in unterschiedlichen Größen. Man spricht von einem Vollformatsensor, wenn der Fotosensor die gleiche Größe hat wie einst das Negativ von 36 x 24 mm. Die meisten Fotosensoren sind jedoch kleiner und haben somit eine Brennweitenverlängerung. Dieser Verlängerungsfaktor, auch mit Crop bezeichnet (1,3 / 1,6), verlängert nicht wirklich die Brennweite, sondern verkürzt den Bildwinkel. Für einen Fotografen, der im Telebereich fotografiert, ist der Cropfaktor eine Bereicherung, da ein 300mm Teleobjektiv sich bei einem Verlängerungsfaktor von 1,6 in ein 480mm Teleobjektiv verwandelt. Für den Natur- und Tierfotografen ist dies ein willkommener Bildwinkelgewinn.

Doch der Verlängerungsfaktor hat auch seine Schattenseiten, denn mit einem Crop von 1,6 sollte man immer bedenken, dass sich die Belichtungszeit ebenfalls um den Faktor 1,6 verlängern sollte. Somit ist die Standardformel „Belichtungszeit = 1/Brennweite“ hinfällig. Was für den einen Fotografen von Vorteil, ist für den anderen von Nachteil. Der Weitwinkelbereich wird nämlich ebenfalls bei den kleineren Fotosensoren um den Cropfaktor verlängert, somit entsteht ein Bildwinkelverlust. Ein Weitwinkelobjektiv von 20mm Brennweite mutiert bei einem Verlängerungsfaktor von 1,6 zu einem 32mm Objektiv. Für einen Fotografen der ausschließlich im Weitwinkelbereich fotografiert, ist ein Fotosensor mit Verlängerungsfaktor keine akzeptable Lösung.

Mittlerweile besitzen die sogenannten Crop-Spiegelreflexkameras, auch mittlerweile als APS-C bekannt, nicht nur ein ursprüngliches EF-Bajonett für alle Standardobjektive, sondern einige haben auch gleichzeitig ein EF-S-Bajonett. An diesem speziellen Bajonettverschluss können die eigens entwickelten EF-S-Objektive angeflanscht werden. So entspricht ein EF-S 16-135mm Objektiv tatsächlich dieser Brennweite. Es gibt nur wenige dieser speziellen Objektive und auch nicht so lichtstark und mit hochvergüteten Gläsern. Ob sich dieser EF-S-Trend rentiert oder wieder mit der Zeit ausstirbt, bleibt abzuwarten.

Die Fotosensoren haben einen lichtempfindlichen Bereich, welcher aus Silizium besteht und in Pixel aufgeteilt ist. Trifft Licht auf den Fotosensor werden Elektronen erzeugt, die wiederum in Spannungen gewandelt werden. Bis das Bild entsteht müssen die Spannungen in Daten von verschiedenen elektronischen Bauteilen umgewandelt werden. Beim CMOS ist die hauptsächliche Verarbeitung in den Sensor integriert, wobei beim CCD die überwiegende Verarbeitung außerhalb des Sensors erfolgt. Die Megapixel-Angabe bei einer Digitalkamera besagt wie viel Millionen Pixel sich auf dem Fotosensor befinden. Diese Zahl steht auch gleichzeitig für die Auflösung der Bildpunkte. Für Ausdrucke in DIN A4 sind Sie mit einer 5 Megapixel-Kamera auf der sicheren Seite. 

Der Megapixel-Hype geht weiter und was sich so marketingmäßig gut verkauft, muss weiter angekurbelt werden. 20, 30, 50 und mehr Megapixel hören sich doch fantastisch an, was aber der Laie nicht weiß sind die enormen Nachteile, die sich durch die hohe Anzahl der Megapixel ergibt. Ein Fotosensor gleicher Größe mit verdoppelter Megapixelzahl kann ein gutes und scharfes Bild aufnehmen, allerdings macht der Fotosensor nicht allein das Bild, sondern das angeflanschte Objektiv muss den Fotosensor auch mit der entsprechenden Lichtintensivität/Lichtmenge/Lichtqualität versorgen.

Qualitative Objektive.

Durch die steigende Pixelzahl des Fotosensors steigt auch die Anforderung an das Objektiv. Für die digitalen Spiegelreflexkameras gibt es digital geeichte Objektive. Bei diesen höherwertigen Objektiven wurde der Strahlengang für den Fotosensor optimiert. Canons High-Tech-Objektive sind mit einem „L“ gekennzeichnet und bieten ausgezeichnete Kontraste sowie eine ausgeprägte Schärfe. Die Fotosensoren reagieren sehr sensibel auf schräg einfallende Strahlenbündel, und so entstehen Artefakten und Farbinterferenzen. Im Weitwinkelbereich können geneigte Strahlenbündel die kamerainterne Bildbearbeitung wie Rauschunterdrückung und Scharfzeichnung stören.

Die meisten Fotosensoren sind kleiner als das 24x36mm Kleinbildformat „Vollformat“. Die Qualitätsverluste werden meist bei APS-C „Crop-Kameras“ nicht sichtbar, da die Randstrahlen durch den kleineren Sensor beschnitten werden. Die guten Kleinbild-Objektive, welche mit 6,25 Mikrometer auflösen, können weiterhin an den DSLR-Kameras genutzt werden. Die Problematiken, die sich ergeben sind, eine schlechte Bildqualität, da die Kamerasensoren mittlerweile so hoch auflösen.

Ein älteres EF-Kleinbild-Zoom-Objektiv und 50mm Objektiv aus dem Jahre 2005 wurden getestet an einer Canon EOS 10D (gutes Bild/perfektes Bild), Canon EOS 80D (befriedigendes Bild/gutes Bild), sowie an einer Canon EOS 5D Mark IV (ausreichendes und gutes Bildergebnis) und kann immer noch verwendet werden, wenn man mit den Qualitätseinbußen leben kann. Am besten seine älteren Objektive mal an den digitalen Body anflanschen und ausprobieren. Im schlimmsten Fall funktioniert der Autofokus nicht „Scharfstellung versagt“, oder das Bildergebnis ist unzureichend.

Bei den Objektiven von Canon ist mittlerweile der ultraschall-getriebene-Fokussiermotor USM (Ultra-Sonic-Motor) zum Standard geworden. Dieser steuert den Autofokus zur Scharfeinstellung mit Hochgeschwindigkeit, fast geräuschlos und präzise ins Ziel. Die IS-Technologie (Image-Stabilizer) kommt bei einigen Canon-Objektiven zum Einsatz. Durch den optischen Bildstabilisator (Image-Stabilizer) werden Objektiverschütterungen kompensiert und es ermöglicht längere Belichtungszeiten ohne Bildverwacklungen.

Speicherkarten.

Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Speicherkarten. Angefangen bei der CompactFlash Typ 1 bis hin zur XD-Picture Card. Die Kamerahersteller konnten sich bis heute auf kein Standard Speicherprodukt einigen und so kocht jeder sein eigenes Süppchen.

Die Speicherkarten sind so schnelllebig, dass man irgendwann den Überblick verliert. Die SD Karte (Secure Digital Memory) wurde im Jahre 2001 für bis zu 4 Gigabyte entwickelt, dann kam SDHC (SD High Capacity) von 4GB bis 32GB Speicherplatz, nun war das aber immer noch zu gering, da die Kameras immer höher auflösen und mittlerweile auch Videos aufnehmen können, also musste 2009 eine neue SDXC-Speicherkarte (SD eXtended Capacity) her von 64 Gigabyte bis 2 Terabyte und auch das wird bei den derzeitigen 4K Videoaufnahmen nicht das Ende der Fahnenstange sein.

Bei den Speicherkarten steht immer die Lesegeschwindigkeit auf dem Produkt (zum Beispiel 95MB/s), das bringt aber einem Fotografen gar nichts, denn die Schreibgeschwindigkeit für schnelle Serienbild- oder Videoaufnahmen ist entscheidend. Die Schreibgeschwindigkeit wird mit einem kleinen Kreis und einer Zahl angegeben, zum Beispiel Class 10 (10 MB/s).  Oder einem U in dem eine Zahl steht wie 1 oder 3 oder es ist eine V10, V60 oder V90 Speicherkarte. Bei dem ganzen Chaos kann man nicht mehr durchblicken. Das Wichtigste bei den Karten ist die Schreibgeschwindigkeit und als erstes sollte man diese bei seiner Kamera ausfindig machen. Wenn die DSLR nur mit maximal 30 MB/s schreiben kann, ist es trotzdem möglich eine V90 Karte zu benutzen.

SD-Speicherkarte als Zweitkarte und CF-Speicherkarten.

Veralteter Artikel und immer noch aktuell: Die Secure-Digital Speicherkarte (SD-Card) wird in den meisten kompakten Digitalkameras eingesetzt. Mittlerweile findet die SD-Speicherkarte auch Einsatz in den DSLR/DSLM Kameras als Erst- oder sogar als Zweitkarte. Die Baugröße der SD-Card entspricht 24 x 32 x 2,1mm (Breite x Länge x Höhe), kann Daten bis zu 300 MB/s aufnehmen und wird in den Speichergrößen bis zu 512 GB vertrieben.

Das beste Speicherprodukt worauf auch Canon setzt, ist der Speichertyp Compactflash Typ 1-2 und die SD-Speicherkarte. Die Compactflash-Technologie wird von einigen führenden Digitalkamera-Anbietern favorisiert. Grund dafür ist die Robustheit und das Preis- Leistungsverhältnis. Größere Temperaturschwankungen machen dieser Karte nichts aus. Einige Hersteller werben mit einer Temperaturbeständigkeit von -25 bis zu +85 Grad Celsius. Diese Compactflash-Speicherkarte gilt als unverwüstlich. Der CF Typ I braucht für die Speicherung keinen konstanten Strom und basiert auf einen Flash-Speicher, somit sind Defekte durch bewegliche Bauteile ausgeschlossen.

Die CF I Speicherkarte hat eine Baugröße von 42,8 x 36,4 x 3,3mm (Breite x Länge x Höhe). Die CF II hat eine Baugröße von 42,8 x 36,4 x 5,0mm und ist in Speichergrößen bis 512GB erhältlich. Die Speicherkarten des CF Typ1 können bis zu 12MB/s beschrieben werden (Stand 09/05). Die Compact Flash Typ II haben eine Schreibgeschwindigkeit bis zu 600MB/s. Eine Angabe auf einer Speicherkarte von 1000x wird folgendermaßen umgerechnet: Wert x 150KB/s = Lesegeschwindigkeit. Bei einer Angabe von 1000x = 150MB/s.

Externe Blitzgeräte sind leistungsstark.

Die Blitzleistung der eingebauten Blitzgeräte ist meist zu schwach, um weit entfernte Objekte lichtstark auszuleuchten und die Einstellungen des Blitzgerätes sind sehr begrenzt. Ein weiteres Problem, welches mit den eingebauten Blitzgeräten häufig verursacht wird, ist der „Rote Augen“ Effekt. Die eingebauten Blitzgeräte haben den Vorteil, dass kein zusätzliches Gewicht von bis zu 800g, welches der externe Blitz mitbringt, mittransportiert werden muss. Die Stromversorgung des internen Blitzgerätes geschieht über die kamerainterne Batterie im Vergleich zu den externen Blitzgeräten, wo eine separate Stromquelle notwendig ist. Für den ambitionierten und professionellen Fotografen ist ein externes Blitzgerät eine fantastische Entwicklung, da die Ausleuchtungsmöglichkeiten auf hohem Niveau geschehen können.

Die externen Blitzgeräte besitzen eine eigene Stromversorgung. Je nach Typ werden unterschiedliche Batterien eingesetzt. Bei den Canon Blitzgeräten können Hochleistungs-Batterie-Packs eingesetzt werden. Die Kondensatoren des Blitzes werden über die interne Blitzgeräte-Stromversorgung sowie über die externe Kamera-Stromversorgung aufgeladen.

Wenn Sie den Blitz einschalten, müssen Sie sich gedulden, da die Kondensatoren, bevor Sie blitzen können, erst aufgeladen werden. Diese Ladezeit hängt ganz von der Batterieleistung ab. Umso schwächer die Batterien werden, umso länger dauert der Ladevorgang der Kondensatoren. Der Ladevorgang macht sich je nach Herstellertyp mit einem leichten fiepen bemerkbar.

Blitzleistung und die Leitzahl LZ.

Durch die Faktoren Blendenwert, Belichtungszeit, ISO-Empfindlichkeit, Messmodi und Objektentfernung errechnet die Elektronik die Blitzleistung, welche nötig ist, um das Objekt perfekt auszuleuchten. Durch manuelles Eingreifen in die Blitzsteuerung können gewollt überbelichtete Bilder (High-Key-Aufnahmen) oder unterbelichtete Bilder (Low-Key-Aufnahmen) erstellt werden.

Die Blitzleistung wird als eine Leitzahl wiedergegeben und ist abhängig vom Leuchtwinkel. Die Leitzahl (LZ) bezieht sich ausschließlich auf die ISO-Empfindlichkeit 100. Ein Blitzgerät mit einer Leitzahl von 55 bezieht sich auf den größten Leuchtwinkel. Dies bedeutet, bei einer eingestellten Brennweite von 28mm würde ein Blitzgerät eine geringere Blitzleistung (LZ 30) als bei einer größeren Brennweite von z.B. 100mm (LZ55) haben. Die Blitzdistanz wird bei den meisten modernen Blitzgeräten angezeigt. Sollte dies nicht der Fall sein, kann die Blitzdistanz mit folgender Formel berechnet werden.

Blitzdistanz = Leitzahl / Arbeitsblende.

Die Weitwinkelstreuscheibe und indirektes blitzen.

Bei einigen Blitzgeräten ist eine Weitwinkel-Streuscheibe integriert. Diese kann durch Herausziehen vor das eigentliche Reflektorfeld des Blitzgerätes gesetzt werden. Bei dem Canon Speedlite 550EX erreicht die Streuscheibe einen Leuchtwinkel, welcher für den Einsatz eines 17mm Weitwinkelobjektivs gedacht ist. Die Streuscheibe kann auch dazu verwendet werden, um bei der Porträtfotografie Spitzlichter in den Augen der Person zu erzeugen. Dabei wird der Blitzreflektor um 90Grad nach oben geneigt. Die Weitwinkel-Streuscheibe wird so weit herausgezogen, dass sie sich nicht auf den Reflektor legt.

Rote Augen können auch bei einem externen Blitz entstehen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich das Blitzlicht auf derselben Ebene wie die Objektivachse befindet. Um den „Rote Augen“ Effekt zu vermeiden empfiehlt es sich indirekt zu blitzen. Dies bedeutet das das Blitzgerät vom zu fotografierendem Objekt weggeschwenkt wird. Um eine noch gute Ausleuchtung zu erhalten sollte das Blitzgerät gegen eine weiße Decke gerichtet werden. Das indirekte Blitzen erzeugt eine weiche und relativ gleichmäßig schattenarme Ausleuchtung. Um Farbstiche zu vermeiden sollte die Fläche weiß oder neutralgrau sein, gegen die geblitzt wird.

Blitz Synchronisation.

Bei sich bewegenden Objekten wirkt das Bild natürlicher, wenn der Blitz mit den zweiten Verschlussvorhang synchronisiert wird. Normalerweise blitzen alle herkömmlichen Kameras auf den ersten Verschlussvorhang. Bei der Aufnahme löst der Blitz gleichzeitig mit dem Öffnen der Lamellen am Objektiv aus. Bei einer kurzen Verschlusszeit birgt dies keinerlei Probleme, da das Bild eingefroren wirkt. Bei dem ersten Bild wurde auf den ersten Verschlussvorhang geblitzt. Da nach dem Blitzen die Wassertropfen allerdings immer noch belichtet wurden (Langzeitbelichtung) sind die kleineren Wassertropfen nur noch als eine Wasserspur zu erkennen. Bei dem zweiten Bild wurde auf den zweiten Verschlussvorhang geblitzt und so kann man trotz Wasserspur die kleineren Wassertröpfchen recht gut erkennen.

Bei einem sich schnell bewegenden Objekt oder einer längeren Belichtung kann es hilfreich sein auf den zweiten Verschlussvorhang zu blitzen. Diese Funktion, soweit vorhanden, wird am Blitzgerät eingestellt. Bei der Aufnahme geschieht folgendes. Die Lamellen des Objektivs öffnen sich und der Film/Chip wird belichtet. Erst beim Schließen der Lamellen löst der Blitz aus.

Kurzzeitsynchronisation, Blitz-Belichtungsspeicherung, Stroboskopblitze, Blitz-Belichtungskorrektur und entfesseltes Blitzen sind nur einige weitere technische Möglichkeiten eines externen Blitzgerätes.