Einführung in die Fotografie: Hintergrund: Physik
Lichtbrechung Abbildung Tiefenschärfe Farben, Temperatur und Helligkeiten Dreck und Schwebteilchen (Quellen und Bilder)
Lichtbrechung
Lichtbrechung durch Glas Lichtbrechung in der Atmosphäre Lichtbrechung unter Wasser
Lichtbrechung durch Glas
Betrachten wir einmal die Grenzfläche zwischen Luft und Glas, die Brechungsindizes dieser Materialien unterscheiden sich deutlich, d.h. im Glas bewegt sich das Licht langsamer als in der Luft.Was das für die Brechung des Lichts bedeutet wollen wir uns an der folgenden Zeichnung klar machen:
Das Licht, das in einem Winkel aauf die Grenzfläche zwischen Luft und Glas trifft, wird an dieser gebrochen, weil sich das Licht im Glas langsamer ausbreitet als in der Luft (Brechungsindex n2größer als n1heißt bei n2ist die Lichtgeschwindigkeit reduziert). Während die Lichtwelle (Die zur einfallenden Linie senkrechten Stiche sollten die Wellenmaxima darstellen) in der Luft noch ungehindert weiterwandern, können sie im Glas nur eine kürzere Strecke zurücklegen. Konstruiert man dies mit einem Zirkel sieht man, dass das Licht zum Lot hin gebrochen wird.
Diese Skizze hat allerdings einen Haken, sie berücksichtigt nicht, dass der Brechungsindex auch von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist, so dass blaues Licht stärker gebrochen wird als rotes (findige Hersteller benutzen deshalb Spezialglas mit anderen Brechungsindizes, um diesen "chromatischen" Fehler auszugleichen)
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Lichtbrechung in der Atmosphäre
Je höher man in der Atmosphäre steigt, desto dünner wir diese, d.h. auch hier ändert sich die Lichtgeschwindigkeit, und zwar so, dass es mit zunehmender Dichte der Atmosphäre abnimmt.
Nebenbei ist auch warme Luft optisch dünner als kalte, was im Endeffekt zu Lichtbrechungen führt, die wir als Fatamorgana kennen.
Das Licht, das nicht senkrecht zum Boden einfällt wird also zur Erde hin gebrochen, was dazu führt, dass wir die Sonne noch sehen, wenn sie eigentlich schon seit Minuten untergegangen ist.
Bedenken wir dabei auch, das blaues Licht stärker abgelenkt wird als das aus dem roten Teil des Spektrums, deshalb erscheint der Himmel blau und die Untergehende Sonne Rot, da das blaue Licht bereits abgelenkt wurde.
Hinzu kommt aber auch die Streuung an Wassertröpfchen und Schwebteilchen in der Atmosphäre, die das Licht zusätzlich in alle Richtungen streuen und deshalb vornehmlich für die blaue Färbung des Himmel verantwortlich sind.
Lichtbrechung unter Wasser
Zum Wasser ist jetzt eigentlich nicht mehr viel Neues zu sagen. Zu beachten wäre nur, dass Luft und Wasser andere Brechungsindizes haben, was beim Einsatz von UW-Kameras von Bedeutung ist, weil sich dadurch die Brechung der Frontlinse verändert, der Frontport des UW-Gehäuses gleicht dies in der Regel wieder aus.
Die Abbildung
Das Licht, das auf eine Linse trifft wird so gebrochen, dass jeder Lichtstrahl, der senkrecht zur Linsenhalbierenden eintrifft auf der anderen Seite durch den Brennpunkt geht, und jeder Strahl, der durch den Mittelpunkt der Linse geht bleibt unabgelenkt (Das gilt genaugenommen nur im inneren Bereich der Linse, weshalb sich findige Hersteller spezielle Linsen haben einfallen lassen, die am Rand etwas anders geformt sind, um diesen "sphärischen" Fehler zu korrigieren).
Mit dieser einfachen Konstruktion, den beiden Brennpunkten f1und f2können wir nun die Abbildung der Linse Konstruieren, wobei der Punkt in der Pfeilspitze genau dahin zu setzen ist, wo sich der Parallele Strahl, und der Strahl durch den Mittelpunkt treffen.In einem Objektiv ist die Konstruktion etwas komplizierter, weil hier wesentlich mehr Linsen eine Rolle Spielen. Die Brennweite der Linse ist hier der Abstand von der Frontlinse zum Film, der Punkt, wo wir uns das scharfe Bild wünschen (Deshalb sollte man seine Kamera auch nie in die Sonne richten, ganz zu schweigen davon, dass die Augen Schaden nehmen, wird das Licht, das parallel auf die Linse fällt in den Brennpunkt konzentriert, und der Verschluß der Kamera kann zerstört werden).
Anzumerken wäre noch, dass die Brechung in Wirklichkeit an den Grenzflächen zwischen Luft und Glas stattfindet, siehe dazu: Lichtbrechung durch Glas
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Tiefenschärfe
Tiefenschärfe bezeichnet den räumlichen Bereich in dem das abgebildete Objekt scharf dargestellt wird, er ist vom Objektiv und der eingestelten Blende abhängig.
Dabei gilt generell, dass Teleobjektive einen geringeren Schärfetiefebereich haben als Weitwinkel, außerdem nimmt die Schärfentiefe zu, je weiter die Blende geschlossen wird (größere Blendzahl).
Die Blende in der Kamera wirkt wie eine Lochkamera, das Licht muss sie auf dem Weg zum Film passieren und je kleiner das Loch ist, desto kleiner ist auch der Fleck auf dem Film wo das Licht auftrifft.
Aber im Gegensatz zur Lichbündelung durch die Linse ist der Einfluss der Blende weniger von der Entfernung abhängig, sodass bei kleiner Blende ein größerer Bereich vor und hinter der Schärfeebene (dem Bereich, auf den man tatsächlich scharfgestellt hat) scharf abgebildet wird.
Farben, Temperatur und Helligkeiten
Farben
Tatsächlich ist die Einteilung des Lichts in Farben relativ willkürlich, zum einen kann unser Auge nur drei Spektralbereiche unterscheiden, zum anderen ist das Licht eine elektromagnetische Welle, die durch ihre Frequenz und Wellenlänge charakterisiert wird, letzteres ist kontinuierlich, ersteres viel diskreter als unsere Fähigkeit die Farben zu unterscheiden (aber auf die Physiologie, will ich hier nicht eingehen).
Die Farbe des Lichts ist also festgelegt über die Wellenlänge, bzw. die Frequenz. Licht mit langer Wellenlänge und niedriger Frequenz wird von uns als rot wahrgenommen, wohingegen Licht kurzer Wellenlänge und hoher Frequenz blau gesehen wird. Davor und dahinter liegen dann noch Infrarot und Ultraviolett und dazwischen all die anderen Farben, die wir im Spektrum zu sehen vermögen, z.B. in einem Regenbogen.
Die meisten Lampen, die wir benutzen können das Spektrum der Sonne nicht reproduzieren, je nach Gas oder Glühdraht zeigen sie eine anderes charakteristisches Spektrum.
Temperatur
Einem einzelnen Photon kann man keine Temperatur zuordnen, allerdings strahlen heiße Körper Licht mit einer charakteristischen Temperaturverteilung ab, aus der man einen Rückschluß auf die Temperatur des Körpers ziehen kann.
Je höher die Temperatur, desto stärker wird das Spektrum in den blauen Bereich des Spektrums verschoben (das widerspricht dem menschlichen Seheindruck, nach dem rote Töne als warm empfunden werden und blaue als kalt).
Aus diesem Grund unterscheidet man Tageslichtfilme und Kunstlichfilme, welche die unterschiedlichen Lichtverhältnisse in ihrer Spektralen empfindlichkeit berücksichtigen. Deshalb geben Kunstlichtfilme Tageslichtsituationen mit einem starken Blaustich wieder und umgekehrt wird Kunstlicht von Tageslichtfilmen als sehr gelb-braun wiedergegeben.
Die Farbtemperatur wird in Kelvin gemessen, dabei entspricht Tageslicht etwa 5500 K (die Oberflächtentemperatur der Sonne) und Fotolampen sind oft auf 3200 K ausgelegt.
Helligkeit
Die Helligkeit ist in erster Linie mit der Lichtmenge gleichzusetzen, die uns erreicht, in Bezug auf den Menschen ist hier anzumerken, dass wir die Helligkeitsverteilung logarithmisch sehen, das heißt, nimmt die Lichtmenge auf ein Zehntel ab, haben wir nur den Eindruck einer halbierten Helligkeit (deshalb können wir im Dunkeln viel besser sehen, als unsere Kamera).
Dreck und Schwebteilchen
Dieser Abschnitt spielt in erster Linie unter Wasser eine Rolle. Schwebteilchen, wie Sand und Algen im Wasser streuen das Licht erheblich, so dass uns zum einen weniger Lichtmenge für unsere Aufnahmen zur Verfügung steht, zum anderen können uns diese Schwebteilchen aber beim blitzen zum Verhängnis werden, wenn sie das Licht reflektieren, so dass man auf dem Foto schließlich einen Schleier sieht. Bei trübem Wasser muss der Blitz als so hoch wie möglich über der Kamera stehen, oder den Fisch von oben Beleuchten.