Handy-Kameras: Klein und scharf passt nicht zusammen
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.
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.
