Geisterfleck

Geisterflecke auf einem staubigen Dachboden (Blitzlichtaufnahme). Brennweite 7 Millimeter, Sensordiagonale 12,7 Millimeter, Blendenzahl 2,4

Geisterfleck im Bruchwald (Tageslichtaufnahme)

Geisterflecke sind diffus erscheinende, leuchtende, mehr oder weniger kreisrunde Scheiben in fotografischen Aufnahmen. Im englischsprachigen Raum werden diese Flecke häufig als Orbs bezeichnet. In esoterischen Kreisen werden sie als paranormale Erscheinungen angesehen. Es handelt sich nicht um einen Abbildungsfehler des abbildenden Systems, sondern häufig um ein Unschärfen-Artefakt, meist bei Aufnahmen mit Blitzlicht.

Beschreibung

Das Licht des Blitzes wird von Teilchen, die zwischen Bildmotiv und Kamera schweben, gestreut und teilweise zurückgeworfen. Infolge der durch die Nähe und den Fokus bedingten Unschärfe entstehen hierbei grob scheibenförmige Lichtbilder. Die Abbildung der Teilchen ist hierbei um einiges größer als das Teilchen selbst. Die Form orientiert sich hierbei an der Form der jeweiligen Blende. Bei der eigentlichen Ursache für diese Streuzentren handelt es sich häufig um Staub, der Effekt kann aber auch durch Schneeflocken, Regentropfen oder andere mehr oder weniger punktförmige Reflexionsflächen hervorgerufen werden.

Die bei digitalen Kompaktkameras format- und brennweitenbedingte größere Schärfentiefe ermöglicht häufig Bilder, die diese Teilchen noch hinreichend scharf abbilden. In der analogen Fotografie sind die Streuzentren der Geisterflecke aufgrund der geringeren Schärfentiefe meist nicht oder kaum erkennbar.

Folgende Beobachtungen sind für Geisterflecken typisch:

• Je näher sich die Streuzentren vor der Kamera befinden beziehungsweise je unschärfer die Abbildung ist, desto größer werden die Streuscheiben.
• Die Größe der Geisterflecke wird umso kleiner, je kleiner die Blende der Kamera eingestellt wird, entsprechend der damit verbundenen Schärfe beziehungsweise Schärfentiefe.
• Die Helligkeit der Geisterflecke ist, eine Handregel, bei quasi-punktförmigen Streuzentren weitgehend unabhängig vom Abstand, da das hellere Streulicht von näheren Streuzentren insgesamt auf eine größere, unscharf abgebildete Fläche verteilt wird. Dies widerspricht der üblichen Berechnung, wonach die Helligkeit der von mit Blitzlicht bestrahlten Objekte quadratisch mit deren Entfernung abnimmt.
• Bei einer Verdopplung der Brennweite werden bei gleichem Abstand des Streuzentrums und bei gleicher Blende die Durchmesser der Geisterflecke viermal so groß.
• Bei Aufnahmen ohne Blitzlicht sind die Streuzentren in der Regel nicht erkennbar, da Blitzlicht die häufigste Ursache darstellt. Längere Belichtungszeiten ohne künstliche Beleuchtung reduzieren die Wahrscheinlichkeit, wobei allerdings auch andere Lichtquellen als Ursache sekundär in Frage kommen, wie zum Beispiel Lampen, die Sonne, et cetera.
• Das Auftreten von Geisterflecken kann durch die Verwendung von Streulichtblenden nicht vermindert werden.

Theoretischer Hintergrund

Zusammenhang zwischen Zersteuungskreisdurchmesser Z in der Bildebene (violett), Durchmesser D der Eintrittspupillen (schwarz), Brennweite f (blaue Strahlen für Objekt im Unendlichen) und Bildweite b (grüne Strahlen für Objekt bei endlicher Gegenstandsweite)

Die Größe eines Geisterflecks kann sehr einfach abgeschätzt werden, wenn die Kamera auf unendlich fokussiert ist; die Gegenstandsweite von punktförmig abgebildeten Objekten ist dann ebenfalls unendlich. Der Durchmesser Z des Zerstreuungskreises von einem aus dem Endlichen abgebildeten Punkt ergibt sich mit Hilfe der Linsengleichung und dem geometrischen Verhältnis

$\frac{Z}{b - f} = \frac{D}{b}$, wobei f die eingestellte Brennweite, D die Größe der Eintrittspupille und b die Bildweite sind,

dann zu:

$Z = \frac{f^2}{k \cdot x}$, wobei k die eingestellte Blendenzahl und x der Abstand eines unscharf abgebildeten Punktes sind.

Eine punktförmige Lichtquelle in einem Abstand x vor der Hauptebene des abbildenden Objektivs wird also als leuchtende Scheibe mit einem Durchmesser Z abgebildet, deren Durchmesser umgekehrt proportional zum Abstand des Streuzentrums ist - bei zehnmal größerem Abstand des Streuzentrums wird der Gesiterfleck unter sonst gleichbleibenden Bedingungen also zehnmal kleiner.

Der Durchmesser der entsprechenden Geisterflecke nimmt quadratisch mit der verwendeten Brennweite und linear mit sich vergrößernder Blende (kleinere Blendenzahl) zu. Unter sonst gleichbleibenden Bedingungen werden Geisterflecke bei doppelter Brennweite viermal so groß und bei halber Blendenzahl (doppeltem Blendendurchmesser) doppelt so groß.

• 

  Geisterflecke durch Regen (weitwinklige Aufnahme, Brennweite 7 Millimeter, Sensordiagonale 14,1 Millimeter, Blende 2)

• 

  Geisterflecke durch Regen (herangezoomte Aufnahme, Brennweite 21 Millimeter, Sensordiagonale 14,1 Millimeter, Blende 2,7)

Abstandsgesetz

Die Durchmesser der Geisterflecke nimmt also umgekehrt proportional zum Abstand von den Streuzentren zu. Demzufolge nimmt die Fläche der Geisterflecke, also auch die Fläche, auf die sich die Lichtmenge von einem Streuzentrum verteilt, umgekehrt quadratisch zum Abstand von den Streuzentren zu. Auf der anderen Seite nimmt nach dem Abstandsgesetz die Beleuchtungsstärke der Streuzentren quadratisch mit dem Abstand des Blitzlichtes vom Streuzentrum ab. Diese beiden Effekte kompensieren sich, so dass alle Geisterflecke mit Streuzentren gleicher Größe im Bild die gleiche Helligkeit haben; weiter entfernte Streuzentren werden mit ihrer gesamten Lichtmenge zwar als kleinere Geisterflecke mit entsprechend höherer Leuchtdichte abgebildet, werden vom Blitzlicht aber auch im gleichen Maße weniger stark beleuchtet.

Beispielrechnungen

Kleine Kamera

Eine kleine Digitalkamera mit einer Bildsensorgröße von einem halben Zoll (dies entspricht einer Bildsensordiagonale von etwa 12,7 Millimetern) nimmt bei einer eingestellten Blendenzahl von 2,4 und einer Brennweite von 7 Millimetern mit aktiviertem Blitzlicht ein Bild auf, während in zirka 40 Millimetern Abstand vor dem Objektiv ein Staubkorn schwebt (vergleiche Bild oben rechts). Dieses wird auf dem Bildsensor mit einem Durchmesser von

$Z_1 = \frac{(7\,\mathrm{mm})^2}{2{,}4 \cdot 40\,\mathrm{mm}} = {0{,}5\,\mathrm{mm}}$

abgebildet. Dieser Durchmesser entspricht relativ betrachtet 4 Prozent der Sensordiagonalen. Daher nimmt der entstehende Geisterfleck 4 Prozent der Bilddiagonalen ein und ist bei ausreichender Helligkeit im Bild deutlich als Scheibchen erkennbar.

Große Kamera

Bei einer größeren Kamera mit einer Bildgröße im Kleinbildformat beträgt die Bilddiagonale 43,3 Millimeter. Um eine Aufnahme mit dem gleichen Bildwinkel aufzunehmen wie bei der oben beschriebenen kleinen Digitalkamera, wird eine Brennweite von 24 Millimetern benötigt. Bei der gleichen Blendenzahl von 2,4 und dem gleichen Abstand eines Staubkorns vor dem Objektiv von 40 Millimetern ergibt sich ein Zerstreungskreisdurchmesser von:

$Z_2 = \frac{(24\,\mathrm{mm})^2}{2{,}4 \cdot 40\,\mathrm{mm}} = 6\,\mathrm{mm}$

Dies entspricht relativ betrachtet 14 Prozent der Bilddiagonalen.

Vergleich

Die relativen Flächen der beiden betrachteten Zerstreuungskreise A_rel,1 und A_rel,2 verhalten sich jedoch wie die Quadrate der relativen Durchmesser Z_rel,1 und Z_rel,2, also wie:

$\frac{A_{\mathrm{rel}, 1}}{A_{\mathrm{rel}, 2}} = \frac{Z_{\mathrm{rel}, 1}^2}{Z_{\mathrm{rel}, 2}^2} = \frac{4%^2}{14%^2} = 0{,}08$

Demzufolge beträgt auch die Helligkeit innerhalb des Zerstreuungskreises bei der größeren Kamera nur 8 Prozent derjenigen bei der kleinen Digitalkamera. Dies ist unter Umständen jedoch zu dunkel, um in der Aufnahme überhaupt noch erkannt zu werden. Umgekehrt ausgedrückt ist die Helligkeit des Geisterflecks bei der kleinen Digitalkamera etwa zwölfmal größer als bei größeren Kamera, so dass dieser in den Aufnahmen der kleinen Digitalkamera viel deutlicher erkannt werden kann.

Beispielbilder

Beispiele von Geisterflecken, die durch fest oder flüssige, beleuchtete Streuzentren hervorgerufen wurden:

• 

  Geisterfleck durch Staub

• 

  Geisterflecke durch Staub

• 

  Dichter Kohlestaub

• 

  In der Luft schwebender Kohlestaub

• 

  Geisterflecke im Wald

• 

  Geisterflecke durch Regen mit Komaschweif

• 

  Vergrößerung der rechten oberen Ecke aus der vorhergehenden Aufnahme mit sichtbarer chromatischer Aberration

Anwendung

Das Wissen um die Mechanismen bei der Entstehung von Geisterflecken ermöglicht eine künstlerische Verwendung, etwa durch verschiedene Blendenformen oder künstliche Erzeugung. Linsenreflexionen und Unschärfen punktförmiger Lichtquellen beziehungsweise der Sonne bilden ähnliche Fragmente und Bildartefakte (siehe auch: Bokeh).

Literatur

• Gary E. Schwartz & Katherine Creath (2005): Anomalous Orbic "Spirit" Photographs? A Conventional Optical Explanation, in: Journal of Scientific Exploration, Vol. 19, No. 3, pp. 343–258. PDF online
• Klaus Heinemann & Dr. Míceál Ledwith (2007): "The Orb Project" ISBN 1582701822, ISBN 978-1582701820 deutscher Titel (August 2008) : „Das Orb Projekt – Auf der Suche nach Energiephänomenen mit Digitalfotografie“
• Ed Vos (2010): "Orbs und andere Lichtphänomene" ISBN 978-3-89060-551-7, Neue Erde GmbH

Weblinks

 Commons: Geisterflecke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Depth of Field (englischer Fachartikel zum Thema Schärfentiefe, u.a. mit dem Kapitel „Flashlight and ghosts“)
• The Orb Zone - Orbs explained (englische Webseite zum Thema Orbs)
• Das Geheimnis der Orbs; Der Tagesspiegel, 23. September 2008
• Physikalische Erklärung „Orbs sind ganz normal“; Focus Online