Beugungsbegrenzung bei der Digitalkamera

Die Auflösung eines Objektivs ist beugungsbegrenzt von der Blende abhängig.

In dem Bild sieht man kleine Ausschnitte (ca. 100 Pixel breit) eines Fotos, dass mit einem 50mm Objektiv aus 5m Entfernung von einem Laptop Bildschirm aufgenommen wurde. Man sieht deutliche Unschärfe bei den größeren Blendenzahlen (22). Die niedrigere Qualität bei der Blende 1,8 liegt an anderen Abbildungsfehlern.

Aufgrund der Beugungsbegrenzung kann man den Durchmesser eines Bildpunktes d=2,44·λ·B, bei der Blendenzahl B und der Wellenlänge λ, bestimmen. Mit einem typischen Wert λ=555nm erhält man d=B·1,3 μm. Die typische Pixelgröße heutiger digitaler Spiegelreflexkameras liegt bei ca. 5μm, so dass man schon bei Blende 4 die theoretische Grenze erreicht. Digitale Kompaktkameras haben teilweise deutlich kleinere Pixelgrößen, da sie mit kleineren Bildsensoren arbeiten.

ISS Foto, der 2. Versuch

Diesmal wurde ein einfaches Teleskop verwendet, um die ISS zu fotografieren. Mit etwas Nachschärfen sind einige Details zu erkennen.

Mit einem einfachen 200€ Spiegelteleskop wurde die ISS fotografiert. Rechts das Originalfoto, links nachgeschärft.
Mit einem einfachen 200€ Spiegelteleskop wurde die ISS fotografiert. Rechts das Originalfoto, links nachgeschärft.

Nachdem beim 1. Versuch die ISS nur zu erahnen war, wurde jetzt ein einfaches Teleskop mit 1m Brennweite verwendet, und der Sensor der Digitalkamera direkt in den Fokus justiert. Das Originalfoto rechts zeigt die mangelhafte Qualität des Spiegels, das Nachschärfen mit GIMP brachte aber dennoch einige Details hervor. Die Spiegelmängel scheinen eine Gaußverteilung aufzuweisen. Unten ist vermutlich das angedockte Spaceshuttle zu sehen. Zu dem Zeitpunkt gab es Außenarbeiten von zwei Astronauten, aber um die Astronauten zu sehen, braucht man doch ein erheblich besseres Teleskop.

Streuung des Licht an der Atmosphäre

Abendhimmel zeigt die unterschiedliche Streuung von unterschiedlichen Wellenlängen.

Unterschiedliche Wellenlängen werden unterschiedlich gestreut

Ein Blick auf den Abendhimmel zeigt alle Himmelsfarben, vom Abendrot bis zum Blau des Himmels. Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Streuung von unterschiedlichen Wellenlängen. Kurze Wellenlängen werden stark gestreut, daher überwiegt das blaue Licht oben am Himmel (in großem Winkel von der Lichtquelle). Direkt über dem Horizont überwiegt aus dem selben Grund das rote Licht, da das blaue Licht aus der „Strahlrichtung“ gestreut wird.

Polarisiertes Licht in der Natur

Es ist mehr Licht polarisiert, als man denkt
Es ist mehr Licht polarisiert, als man denkt: Links horizontal polarisiert, rechts vertikal.

Die 20 regelmäßigen Leser werden vermutlich etwas von der Polarisation gelangweilt, aber der große Unterschied zwischen horizontal und vertikal polarisiertem Licht bei einem normalen Blick war mir nicht bewusst. Die Sonne stand bereits tief, und ca. 90° links von der Aufnahmerichtung. Das Sonnenlicht, dass an dem Dunst (einfach) gestreut wird, wird daher um ungefähr 90° gestreut. In diesem Fall kann die Polarisationsrichtung nur senkrecht zu Einfalls- und Ausfallsstrahl stehen, also in dem Bild beinahe vertikal. Beide Bilder wurden mit der selben Blende und Belichtungszeit im Abstand von einigen Sekunden aufgenommen. Um eine Idee davon zu bekommen, wo polarisiertes Licht in dem Bild vorkommt, habe ich mit GIMP den Unterschied bestimmt. Bei den feinen Strukturen im Baum sind vermutlich die Blätter nicht genau an der selben Stelle geblieben, so dass die Helligkeit dort eventuell Artefakte sind.

Polarisation durch Spannungen im Geodreieck

Die Drehung der Polarisationsrichtung polarisierten Lichtes, dass durch ein Geodreieck scheint.

Die Drehung der Polarisationsrichtung des polarisierten Lichtes, dass durch ein Geodreieck scheint.
Die Drehung der Polarisationsrichtung polarisierten Lichtes, dass durch ein Geodreieck scheint.

In den letzten Wochen wurde hier schon mehrere Fotos mit Polarisationsfilter gezeigt. Da mit einem LCD Bildschirm eine schöne großflächige Quelle polarisierten Lichtes zur Verfügung steht und mit 3D Brillen (die einen die meisten Kinos mit nach Hause nehmen lassen, wenn man fragt) billige Polarisationsfilter, kann man viele Experimente preisgünstig realisieren. Für dieses Foto wurde ein Geodreieck auf einen weißen Bereich eines LCD Bildschirms gelegt und durch ein Polarisationsfilter fotografiert. Das Polarisationsfilter wurde so gedreht, dass es das Licht des Bildschirms nicht durchlässt. Das Geodreieck dreht die Polarisationsrichtung so, dass wieder ein Teil des Lichtes durchgelassen wird. Die Drehung ist offensichtlich von der Farbe des Lichtes abhängig und wird durch mechanische Spannungen im Kunststoff verursacht, die beim Spritzgießen entstehen.

In 3D Brillen steckt eine ganze Menge Physik

Moderne 3D Brillen bestehen aus Zirkular-Polarisationsfiltern. Diese Filter haben auf der einen Seite ein normales lineares Polarisationsfilter und auf der anderen Seite eine λ/4 Platte.

In der "falschen" Richtung sieht man (auf dem LCD Display), dass die 3D Brillen linear polarisiert sind.
In der „falschen“ Richtung sieht man (auf dem LCD Display), dass die 3D Brillen linear polarisiertes Licht blockieren.

Moderne 3D Brillen bestehen aus Zirkular-Polarisationsfiltern. Diese Filter haben auf der einen Seite ein normales lineares Polarisationsfilter und auf der anderen Seite eine λ/4 Platte. Daher verhalten sich beide Gläser der Brille in dem linear polarisierten Licht des LCD Bildschirm gleich, wenn die Seite mit dem linearen Polarisationsfilter in Richtung des Bildschirms zeigt. Für einen 3D Effekt wären die Brillen so natürlich nicht geeignet, da hierbei jedes Auge ein anderes Bild „sehen“ soll. Im nächsten Bild erzeugt die „falsch“ herum gehaltene Brille am großen Pferd zirkular polarisiertes Licht, beide Gläser in unterschiedlicher Drehrichtung. Das Licht des unteren Brillenglases wird von der vorderen Brille blockiert, das des oberen Brillenglases durchgelassen.

Die Brille wird im 3D Kino zirkular polarisiert verwendet.
Die Brille wird im 3D Kino zirkular polarisiert verwendet.

In dem aktuellen Wikipedia Artikel werden diese 3D Brillen übrigens  noch nicht behandelt. Vielleicht findet sich jemand, der diese Brillen in dem Wikipedia Artikel ergänzt! In jedem Fall lohnt es sich beim nächsten Kinobesuch mit den Brillen ein wenig zu experimentieren.