Wie eine Kamera funktioniert

Von WhiteWall Redaktion

Mit Fotos halten wir Erinnerungen und besondere Momente fest. Gerade im Zeitalter der Digitalkameras ist das einfacher denn je. Wir drücken auf den Auslöser, betrachten das Bild auf dem Display und schon ist die Erinnerung “im Kasten”. Doch was passiert eigentlich in der Kamera, wenn wir auf den Auslöser drücken? Wie wird aus Licht ein Bild? Und welche Ausstattungsmerkmale spielen in der Kamera eine zentrale Rolle? Wir werfen mit Ihnen einen Blick ins Innere der Kamera.

Wie aus Licht ein Bild wird

Während analoge Kameras einen eingelegten Film belichten, arbeiten digitale Kameras mit komplexen Bildsensoren. Bildsensoren bestehen aus Millionen kleiner Pixel, wobei jedem Pixel eine lichtempfindliche Fotodiode zugeordnet ist. Fotodioden wandeln Licht in elektrische Ladung um. Dabei gilt: Je mehr Licht auf die Fotodiode fällt, desto stärker ist das elektrische Signal und umgekehrt. Da für ein Foto nicht nur Helligkeits-, sondern auch Farbinformationen benötigt werden, ist der Sensor mit einem Farbfilter kombiniert, der aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau besteht. Jeder Fotodiode ist genau eine Farbe zugeordnet. Es gibt also Pixel bzw. Fotodioden, die z.B. nur grünes oder nur rotes Licht aufnehmen. Für die Anordnung der Farben wird bei den meisten Sensoren die so genannte Bayer-Matrix verwendet: Die Bayer-Matrix ist in Blöcke von je zwei grünen, einem roten und einem blauen Pixel aufgeteilt. Die in den Blöcken aufgenommenen Farben werden später im Demosaicing-Verfahren zusammengerechnet, um am Ende genau die Farben zu erzeugen, die für das aufgenommene Bild benötigt werden. Die Farbverteilung der Bayer-Matrix von 50 Prozent Grün und je 25 Prozent Blau und Rot resultiert aus der besonderen Empfindlichkeit des menschlichen Auges für Grüntöne. Mit Hilfe des Weißabgleichs wird ein eventuell auftretender Grünstich in der Bildverarbeitung durch den Prozessor ausgeglichen.

Der Autofokus

Um ein Motiv scharf abzubilden, müssen Kamera und Objektiv perfekt zusammenarbeiten. Bei spiegellosen Systemkameras wird die Schärfe über eine Kontrastmessung ermittelt, bei Spiegelreflexkameras über einen Phasendetektor. Kameras mit einem so genannten Hybrid-Autofokus können beides.

Phasendetektion

Die Phasendetektion funktioniert ähnlich wie die Schnittbildindikatoren bei analogen Spiegelreflexkameras. Diese zeigten im Sucher eine Art gegeneinander verschobenes Bild, das sich erst beim Fokussieren nahtlos zusammenfügt. Auf diese Weise konnte die Kamera Rückschlüsse auf die Entfernung zum Motiv ziehen und sehr schnell den erforderlichen Schärfepunkt finden. Nach diesem Prinzip funktioniert auch die Phasendetektion bei digitalen Spiegelreflexkameras.

Bei einer DSLR trifft das durch das Objektiv einfallende Licht zunächst auf den teildurchlässigen Hauptspiegel und wird von dort zum größten Teil in den optischen Sucher geleitet. Das restliche Licht wird über einen kleinen Subspiegel auf einen separaten Sensor zur Phasenerkennung umgelenkt. Mikrolinsen auf dem Sensor erzeugen aus dem Licht ein Doppelbild. Die Kamera analysiert nun, ob und wie stark diese Bilder gegeneinander verschoben sind. Anhand dieser Information erkennt sie, ob sich das Objekt vor oder hinter der Schärfeebene befindet und gibt diese Information an den Autofokusmotor im Objektiv weiter, damit dieser wiederum die Linsen schnell und präzise in die richtige Position bringt. Liegen die Doppelbilder bei der Phasendetektion wie bei der Schnittbildanzeige exakt übereinander, ist das Motiv scharf. Die Phasendetektion arbeitet sehr schnell, ist aber auch fehleranfällig, wenn Kamera und Objektiv nicht optimal zusammenarbeiten. Dann kann die Schärfe schon mal daneben liegen. Wer auf Nummer sicher gehen will, sollte auf die Original-Objektive des Kameraherstellers zurückgreifen. Bei Updates der Kamera-Firmware, die häufig auch Probleme mit dem Autofokus beheben, sind die Korrekturen auf die Original-Objektive zugeschnitten.

Kontrastmessung

Da spiegellose Systemkameras (DSLMs) auf den großen, teildurchlässigen Spiegel der DSLRs verzichten, ermitteln DSLMs die Schärfe über eine Kontrastmessung. Das Prinzip ist einfach: Je schärfer das Bild, desto höher der Kontrast. Um die optimale Schärfe zu finden, fokussiert die Kamera also vor und zurück, bis sie sich für den höchsten Kontrast entschieden hat. Das kann vor allem bei schwachem Umgebungslicht etwas dauern, dafür gilt die Kontrastmessung als besonders genau, da sie direkt vom Kamerasensor vorgenommen wird und das Licht nicht wie bei der Phasendetektion von DSLRs erst über Spiegel zu einem separaten Modul geleitet werden muss.

Hybrid-Autofokus

Um die Schärfe schnell und gleichzeitig sehr genau zu finden, setzen viele Hersteller auf den sogenannten „Hybrid-Autofokus“. Dabei wird zunächst mit hoher Geschwindigkeit die ungefähre Schärfe durch Phasendetektion ermittelt. Danach greift die Kontrastmessung und übernimmt die Feinabstimmung. Der Hybrid-Autofokus einer spiegellosen Kamera besitzt kein separates Phasendetektionsmodul, sondern arbeitet mit Mikrolinsen, die auf einzelnen Pixeln des Bildsensors platziert sind.

Die Belichtungsmessung

Kennen Sie das auch, dass ein Foto einfach nicht gelingen will, weil es immer zu hell oder zu dunkel erscheint? Dann ist es hilfreich, sich mit der Funktionsweise der Belichtungsmessung Ihrer Kamera vertraut zu machen. Die Belichtungsmessung legt fest, ob das Licht im gesamten Bild oder nur in bestimmten Bildbereichen in die Messung einfließt. Entscheidend für ein gelungenes Foto ist daher die Wahl der richtigen Messmethode. Spiegelreflexkameras und spiegellose Systemkameras bieten mindestens drei davon.

Matrix/Mehrfeld

Die Matrix- oder Mehrfeldmessung ist bei den meisten Kameras standardmäßig eingestellt. Bei der Matrixmessung wird der Bildausschnitt in kleine Bereiche unterteilt und in jedem dieser Bereiche die Helligkeit analysiert. Wie stark die einzelnen Ergebnisse in die Belichtung einfließen, hängt von der analysierten Motivstruktur ab und davon, wo sich der Autofokuspunkt befindet.

Mittenbetont

Auch bei dieser Methode wird die Helligkeit über den gesamten Bildausschnitt gemessen. Bei der Belichtung selbst werden die mittleren Bereiche am stärksten gewichtet. Bei einigen Kameras kann die Größe des mittleren Bereichs eingestellt werden.

Spot

Bei der Spotmessung wird nur die Helligkeit eines relativ kleinen Bereichs gemessen. Dieser „Spot“ liegt in der Regel in der Bildmitte oder fällt mit dem aktiven Autofokuspunkt zusammen. Damit wird sichergestellt, dass die Kamera die Belichtung unabhängig von den Umgebungslichtverhältnissen optimal auf das anvisierte Motiv einstellt.

Ausführliche Informationen zur idealen Belichtung finden Sie im Kapitel “3.4. Die richtige Belichtung messen und einstellen”.

Der Verschluss

Der Verschluss einer Kamera bestimmt, wie lange der Bildsensor belichtet wird. Bei bewegten Motiven, bei denen die Bewegung quasi “eingefroren” werden soll, wird beispielsweise mit sehr kurzen Belichtungszeiten gearbeitet. Für Nachtaufnahmen ist dagegen eine lange Belichtungszeit erforderlich. Zur Steuerung der Belichtungszeit gibt es verschiedene Ansätze.

Der Schlitzverschluss

Der mechanische Schlitzverschluss stammt aus der Zeit der analogen Spiegelreflexkameras und wird auch heute noch in modernen Systemkameras verwendet. Er arbeitet mit einem ersten und einem zweiten Verschlussvorhang aus schmalen, leichten Metalllamellen. Beim Betätigen des Auslösers bewegt sich der erste Verschlussvorhang von oben nach unten und gibt den Sensor für die Belichtung frei. Der zweite Verschlussvorhang beendet die Belichtung, indem seine Lamellen ebenfalls von oben nach unten gleiten, bis sie den Sensor wieder vollständig abdecken. In welchem zeitlichen Abstand der zweite Vorhang auf den ersten folgt, wird durch die eingestellte Verschlusszeit der Kamera bestimmt. Mit den heutigen mechanischen Verschlüssen sind kurze Belichtungszeiten bis zu 1/8.000 Sekunde möglich.

Bei sehr kurzen Verschlusszeiten bewegt sich der zweite Verschlussvorhang bereits nach unten, bevor der erste überhaupt unten angekommen ist. Man kann sich das so vorstellen, dass nicht der gesamte Sensor belichtet wird, sondern nur ein schmaler Schlitz, der sich von oben nach unten bewegt. Da ein solcher Schlitz bei Blitzaufnahmen zu Problemen führen kann, findet sich in den technischen Daten aller Kameras eine sogenannte Blitzsynchronzeit. Diese wird oft mit 1/250 Sekunde angegeben. Die Blitzsynchronzeit ist die kürzeste Zeit, in der der Verschluss gerade noch vollständig geöffnet ist. Bei 1/320 Sekunde würde der zweite Verschlussvorhang bereits von oben nach unten gleiten, bevor der erste Verschlussvorhang das untere Ende des Sensors erreicht hat, was dazu führen würde, dass ein Teil des oberen Bildbereichs trotz Blitz abgedunkelt würde.

Der elektronische Verschluss

Der elektronische Verschluss hat einen wesentlichen Vorteil. Im Gegensatz zur mechanischen Variante kommt er ohne bewegliche Teile aus und arbeitet daher sowohl geräuschlos als auch ohne Vibrationen, die bei langen Belichtungszeiten zu Verwacklungen im Bild führen können. Vereinfacht kann man sich den Ablauf des elektronischen Verschlusses bei den heute in fast allen Consumer-Digitalkameras eingesetzten CMOS-Sensoren wie folgt vorstellen: Solange Licht auf den Sensor fällt, wird es an den Fotodioden kontinuierlich in elektrische Ladung umgewandelt. Um die Aufnahme zu starten, wird die Ladung an jeder Fotodiode kurz auf Null zurückgesetzt. Dieser „Neustart“ entspricht dem ersten Verschlussvorhang. Am Ende der Belichtungszeit wird der Sensor beim herkömmlichen elektronischen Verschluss zeilenweise von oben nach unten ausgelesen. Dieser Moment kann mit dem zweiten Verschlussvorhang verglichen werden.

Die elektronische Belichtung erfolgt sehr schnell und ermöglicht dadurch sehr kurze Verschlusszeiten, die mit einem mechanischen Verschluss nicht realisierbar wären. Die Canon EOS R3 erlaubt beispielsweise Verschlusszeiten von bis zu 1/64.000 Sekunde. Ein Nachteil des herkömmlichen elektronischen Verschlusses tritt jedoch dann auf, wenn sich entweder das Motiv oder der Fotograf die Kamera bewegt. Da der Sensor zeilenweise ausgelesen wird, kann es passieren, dass sich das Motiv in den weiter unten ausgelesenen Zeilen bereits in einer anderen Position befindet als zu Beginn des Auslesens in den ersten Zeilen. Dies kann zu Verzerrungen führen, die auch als „Rolling Shutter“ bezeichnet werden. Man erkennt diesen Effekt z.B. daran, dass die Rotorblätter eines Ventilators im Bild leicht verzerrt erscheinen.

Eine Kombination aus beiden Methoden

Bei modernen Digitalkameras können beide Verschlussmethoden kombiniert werden. Dabei wird der erste Verschluss elektronisch ausgelöst. Der Vorteil: Es entstehen weder Geräusche noch Vibrationen. Für den zweiten Verschluss fahren dann die Lamellen des mechanischen Verschlusses nach unten.

Global Shutter

Mit der Sony Alpha 9 III hat der japanische Hersteller die erste Consumer-Digitalkamera mit einem so genannten Global Shutter vorgestellt. Dabei handelt es sich um einen elektronischen Verschluss, bei dem die Fotodioden des Sensors nicht zeilenweise, sondern alle gleichzeitig ausgelesen werden. Damit vermeidet der Global Shutter den Rolling-Shutter-Effekt, der bei herkömmlichen elektronischen Verschlüssen auftritt. Sonys Global-Shutter-Sensor im Kleinbildformat ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten von bis zu 1/80.000 Sekunde und empfiehlt sich damit vor allem für verzerrungsfreie Sport- und Actionaufnahmen mit kurzen Verschlusszeiten. Darüber hinaus sind sogar Blitzlichtaufnahmen mit 1/80.000 Sekunde möglich. Dies war bisher nur bei analogen oder extrem teuren digitalen Mittelformatkameras möglich, deren elektronischer Verschluss im Objektiv verbaut ist.

Der Bildstabilisator (IBIS)

Verwacklungen treten bei Fotos vor allem dann auf, wenn das Umgebungslicht sehr schwach ist - also dann, wenn der Verschluss der Kamera relativ lange geöffnet bleiben muss, um ein ausreichend helles Bild zu erhalten. Das wirksamste Mittel gegen Verwacklungen ist ein Stativ, das die Kamera während der Belichtung stabilisiert. Doch nur wenige Fotografinnen und Fotografen haben Lust, dieses sperrige Hilfsmittel ständig mit sich herumzuschleppen. An dieser Stelle kommt die Bildstabilisierung ins Spiel.

Bei Spiegelreflexkameras wird die Bildstabilisierung ausschließlich im Objektiv eingesetzt. Dabei werden einzelne Linsen in vertikaler und horizontaler Richtung bewegt, um Verwacklungen während der Belichtung entgegenzuwirken. Bei vielen modernen spiegellosen Systemkameras gehen die Hersteller einen Schritt weiter und rüsten auch die Kamerasensoren mit einer Bildstabilisierung aus. Sony, Panasonic sowie Olympus waren die ersten Hersteller mit einem so genannten IBIS-System („In Body Camera Stabilization“). Inzwischen haben andere Hersteller nachgezogen.

Das Prinzip ist immer das gleiche: Bei der sensorgestützten Stabilisierung wird der Sensor der Kamera von elektrischen Magneten in Position gehalten. Werden Vibrationen oder Bewegungen gemessen, gleicht die Kamera diese durch eine entsprechende Verschiebung des Sensors aus. Moderne IBIS-Systeme stabilisieren das Bild in fünf Achsen. Dabei kompensieren sie sowohl das vertikale als auch das horizontale Wackeln, das Kippen, das Schwenken sowie das Drehen um die optische Achse. Einige Anbieter bieten zudem einen Hybrid-Autofokus an. Dabei arbeiten die Bildstabilisierungseinheiten im Kamerasensor und im Objektiv zusammen und ermöglichen Freihandaufnahmen mit vergleichsweise langen Belichtungszeiten. Mit der OM System OM-1 Mark II können beispielsweise bis zu 8,5 Blendenstufen längere Belichtungszeiten aus der Hand fotografiert werden, als dies ohne Stabilisierung möglich wäre.

Die Bildverarbeitung

Nach dem Auslösen der Kamera wird das Licht am Kamerasensor in elektrische Signale umgewandelt, die an den Bildprozessor der Kamera weitergeleitet werden. Dort wird das Bild verarbeitet. Je nachdem, welches Bildformat in der Kamera eingestellt ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Wird im RAW-Modus fotografiert, speichert die Kamera alle verfügbaren Daten in einer Datei und verzichtet auf eine kamerainterne Verarbeitung. Man spricht daher auch von einem Rohdatenformat. RAW-Bilder können anschließend mit einer speziellen RAW-Konverter-Software beliebig bearbeitet werden.

Möchten Sie Ihre Bilder dagegen direkt in der Kamera bearbeiten, um sie als fertige und platzsparende JPEGs mit anderen zu teilen, müssen Sie vorher einige Einstellungen an der Kamera für die Entwicklung vornehmen. Wichtig dabei: Beim Fotografieren im JPEG-Format findet die Nachbearbeitung bereits vor dem Schreiben auf die Speicherkarte statt und lässt sich nicht mehr rückgängig machen. Wer die softwarebasierte, interne Bearbeitung in der Kamera nicht der Automatik überlassen möchte, kann manuell eingreifen. Weißabgleich, Rauschunterdrückung oder auch Objektivkorrekturen sind meist über einen eigenen Eintrag im Menü erreichbar. Für Korrekturfunktionen wie Farbstil, Kontrast, Schärfe oder auch Sättigung gibt es in der Regel eigene Presets, die bei Bedarf individuell verändert werden können. Darüber hinaus bieten viele Hersteller auch künstlerische Effektfilter an. Bei Fujifilm kann mit der Filmsimulation auch der Look alter Analogfilme simuliert werden.

Fazit

In der faszinierenden Welt der Fotografie ist die Kamera das Werkzeug, das unsere Erinnerungen einfängt und Momente für die Ewigkeit festhält. Die Technik hinter der Kamera ist komplex, aber sie ermöglicht es uns, unsere kreativen Visionen festzuhalten und mit anderen zu teilen. Indem wir das Zusammenspiel von Licht, Sensor und Mechanik verstehen, können wir unsere fotografischen Fähigkeiten weiterentwickeln und noch beeindruckendere Bilder schaffen. Wir stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, um Ihre Bilder zu vollenden.