Beugungsunschärfe

Als Beugungsunschärfe bezeichnet man die Schärfeminderung optischer Abbildungen durch Beugung von Licht an Blenden von Fotografie-, Teleskop- und Mikroskop-Objektiven.

Ursache

Abb. 1: Die Intensität des diffraktiven Lichtes hinter einer kreisförmigen Blende

Durch die Einschränkung der Wellenfront beim Durchgang durch optische Geräte wird Licht gebeugt. Bei Lochblenden entstehen dabei sogenannte Beugungsscheibchen. Die Größe der Beugungsscheibchen nimmt mit der kleiner werdenden Blendenöffnung zu. Die Lichtverteilung des diffraktiven Lichtes folgt dabei bei homogen ausgeleuchteten Kreisblenden der Funktion $f(x) = \bigg(\frac{J_1(ax)}{ax}\bigg)^2$,

wobei J₁ die Bessel-Funktion erster Ordnung erster Gattung ist (siehe Abb. 1).

Beugung ist bei jeder Blendenöffnung vorhanden. Störend ist sie allerdings i.A. nur bei kleinen Blenden (hohe Blendenzahl). Ursache der Beugung ist die fehlende Konkurrenz alternativer Ausbreitungswege des Lichts. Diese lässt dem Licht mehr Freiheiten, sich doch nicht geradlinig auszubreiten. Die Ursache für die Beugung ist nicht das Vorhandensein von Kanten und Linsenfassungen, sondern das Fehlen des Lichts hinter diesen. Die häufig in der populärwissenschaftlichen Literatur zu findende Darstellung, dass Grenzflächen die Ursache der Beugung sind, würde zu ganz anderen Eigenschaften der Beugung führen.

Förderliche Blende

Die Schärfentiefe nimmt bei einer gegebenen Brennweite grundsätzlich mit dem Schließen der Blende zu. Bei einigen Motiven, insbesondere in der Makrofotografie, benötigt man eine möglichst hohe Schärfentiefe, um das Objekt vollständig scharf abgebildet zu erhalten. Dies wird durch starkes Abblenden, das heißt durch die Wahl einer kleinen Blendenöffnung erreicht. Dann treten allerdings die Effekte der Beugungsunschärfe auf, die den möglichen Gewinn an Schärfentiefe wieder kompensieren. In vielen Fällen ist daher ein Kompromiss zwischen Schärfentiefe und Beugungsunschärfe erforderlich. Dieser Kompromiss wird auch förderliche Blende oder optimale Blende genannt.

Kritische Blende

Siehe Hauptartikel kritische Blende

Die kritische Blende ist die Blendeneinstellung, die das höchste Auflösungsvermögen einer Aufnahme ermöglicht. Sie ist für den Rand eines Sensors (wegen der dort stärkeren Aberrationen) zahlenmäßig größer als für die Mitte des Sensors. Sie ist ein Kompromiss aus Beugungsunschärfe und Aberrationsunschärfe.

Auswirkungen in der Fotografie

Die Winkelauflösung der Beugungsunschärfe ist von der realen Größe D der Blendenöffnung abhängig und nicht von der Blendenzahl f/D. Allerdings steigt mit der Brennweite f auch die geforderte Winkelauflösung, so dass für ein Bild einer gewissen Schärfe die Blendenzahl f/D die entscheidende Größe ist.

Je kleiner die Blende (größer die Blendenzahl f/D) ist, desto größer ist der durch die Beugungsschärfe entstehende Fleck. Für eine maximal zulässige Größe dieses Fleckes ergibt sich damit eine maximal sinnvolle Blendenzahl. Die maximal zulässige Größe des Fleckes kann man entweder durch die Größe des lichtempfindlichen Bereichs festlegen (z. B. Bilddiagonale/3000) oder durch die Auflösung des lichtempfindlichen Bereiches (Halbleitersensoren: Pixelgröße, Filmmaterial: Auflösungsvermögen des Films).

Kameras mit sehr kleinen Sensoren (die im Wesentlichen durch Halbleitersensoren erst sinnvoll geworden sind) haben eine sehr hohe Auflösung, die maximal sinnvolle Blendenzahl ist dort daher sehr niedrig und liegt teilweise im Bereich zwischen 4 und 8. Bei Großformatkameras sind zum Teil Blendenwerte von f/64 noch sinnvolle Arbeitsblenden.

Bildbeispiele

Bildausschnitte aus einer Aufnahmeserie eines Objektes mit verschiedenen Blenden. Mit zunehmender Blendenzahl nimmt die Bildschärfe sichtbar ab.

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  f/2.8, Schärfebereich sehr klein

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  f/4.0, Schärfebereich wird größer

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  f/8.0, Schärfebereich groß

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  f/16, Beugungsunschärfe fängt an

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  f/22, deutliche Beugungsunschärfe

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  f/32, Beugungsunschärfe wird groß

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  focus stack, komplett scharf

Literatur

• K. Kraus: Photogrammetrie, Band 1, Walter de Gruyter, 2004, S.68 ISBN 3-110-17708-0
• G. Olberg: Wissenschaftliche Tierphotographie, Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1960

Weblinks

• Die Beugungsunschärfe