Technik

Handy-Kameras: Klein und scharf passt nicht zusammen

Licht lässt sich nicht einsperren. Was wie eine Binsen­weis­heit klingt, hat drama­tische Folgen für Kamera-Handys: Ein anschau­liches Expe­riment von teltarif.de mit einem Laser zeigt, dass Fotos um so unschärfer werden, je mehr man die Kamera verklei­nert.
Vom teltarif.de-Team zusammengestellt
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Die Kamera fehlt heut­zutage an fast keinem Mobil­telefon mehr. Zwei Merk­male stellen viele Hersteller in ihrer Werbung beson­ders gerne heraus: So wird auf die relativ geringe Größe des Geräts aufmerksam gemacht und auf eine beson­ders hohe Anzahl an Mega­pixel.

Aber es stellt sich die Frage: Inwie­weit ist es über­haupt möglich, Kameras immer kleiner und immer hoch­auflö­sender zu machen? Wo liegen hier die Grenzen?

Licht lässt sich nicht einsperren

Um zu zeigen, was passiert, wenn man eine Kamera immer weiter verklei­nert, führen wir ein klas­sisches Expe­riment durch: Ein Laser­strahl wird durch einen engen Spalt geschickt. Hinter dem Spalt steht ein Schirm (das kann aber auch eine weiße Wand sein) und wir machen bei unter­schied­lichen Einstel­lungen des Spalts jeweils ein Foto, wie der vom Laser­strahl erzeugte Fleck auf dem Schirm bzw. der Wand aussieht. Wir wollen nun beob­achten, was passiert, wenn wir diesen Spalt immer kleiner machen.

Zunächst aber ist der Spalt bzw. die Blende weit geöffnet. Der Laser­strahl kann unge­hindert hindurch scheinen. Auf dem Schirm bzw. der Wand sieht man einfach einen hellen Fleck (siehe neben­stehend Abb. 1). Die wolkige Struktur rund um den zentralen hellen Punkt kommt daher, dass Laser nicht perfekt sind und ein kleiner Teil des Lichts etwas seit­lich vom Haupt­strahl fällt. Das aller­meiste Licht ist aber wirk­lich im hellen Punkt in der Mitte gebün­delt. Und jenseits der "der-Laser-ist-nicht-perfekt"-Wolke ist alles dunkel.

Im nächsten Schritt machen wir den Spalt dünner, so dass er weniger breit ist als der Laser­strahl dick. Der Laser­strahl wird damit vom Spalt links und rechts beschnitten. Die Verwun­derung jedoch beim Blick auf den Schirm (siehe das Foto aus Abb. 2): Mitnichten ist dort der zentrale Licht­fleck links und rechts beschnitten. Im Gegen­teil, der Strahl wurde nach links und rechts aufge­weitet und beleuchtet den Schirm jetzt sogar in Berei­chen, die vorher dunkel waren!

Der Versuch, den Licht­strahl mit dem Spalt in hori­zontaler Rich­tung einzu­sperren, führte dazu, dass der Licht­strahl sich hori­zontal verbrei­tert hat. Schuld daran ist die Wellen­natur des Lichts: Wird es eng, wird die vorher gleich­mäßige Ausbrei­tung der Wellen­front gestört und es bilden sich neue Wellen in seit­licher Rich­tung.

Je enger man den Spalt stellt, desto stärker wird die Beugung, die den Licht­strahl aufweitet. Die stärksten Beugungs­effekte gibt es, wenn der Spalt kaum noch breiter ist als die Licht­wellen­länge. In Abb. 3 lässt sich gut erkennen, dass der zentrale helle Punkt komplett verschwunden ist. Statt eines einzelnen hellen Punktes gibt es nun einen hellen Streifen, der von einzelnen dunklen Punkten unter­brochen wird. Extremer könnte die Verwand­lung kaum sein, und das nur durch Verklei­nerung des Spalts, durch den das Licht fällt!

Mitt­lerweile nähert sich die Größe der Pixel auf dem Sensor moderner Kamera-Handys bereits bedenk­lich stark der Licht­wellen­länge. Wenn 2048 mal 1536 Pixel (das sind knapp 3,2 Mega­pixel) auf einen nur 4 mal 3 Milli­meter großen Chip gequetscht werden, dann sind die Pixel gerade noch 2000 Nano­meter lang. Wird der Sensor bei glei­cher Größe auf 8 Mega­pixel gestei­gert, schrumpft die Pixel­länge gar auf 1200 Nano­meter. Zum Vergleich: Die Licht­wellen­länge beträgt je nach Farbe 400 bis 700 Nano­meter.

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Lesen Sie auf der folgenden Seite, welche Konse­quenzen die beschrie­benen Beugungs­effekte für Kamera-Handys haben, obwohl deren Linsen bis zu tausend­fach größer sind als der oben betrach­tete Spalt.

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