Fotografie
Lerne, wie eine Kamera arbeitet, wie ein Foto entsteht und wie sich die Fotografie im Laufe der Zeit entwickelt hat. Beginnend bei der Camera Obscura bis hin zu modernen CCD-Chips: Tauche ein in die Welt der Fotografie! Neugierig geworden? Weitere spannende Informationen dazu findest du im nachfolgenden Text.
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Grundlagen zum Thema Fotografie
Fotografie
Du hast sicherlich schon hier und da Fotos mit deinem Handy oder sogar einem Fotoapparat gemacht – aber weißt du eigentlich auch, wie eine Kamera funktioniert, wie ein Bild in einem Fotoapparat entsteht und wie ein Fotoapparat aufgebaut ist?
Was ist Fotografie?
Der Name Fotografie kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet so viel wie mit Licht zeichnen. Laut Definition bezeichnet die Fotografie eine bildgebende Methode, die mithilfe von optischen Verfahren ein Lichtbild dauerhaft speichert. Als Fotografie wird gleichzeitig aber auch eine Gattung der bildenden Künste bezeichnet, die gerade in der Neuzeit immer mehr an Bedeutung gewonnen hat.
Geschichte der Fotografie
Der erste Vorläufer einer Kamera war vermutlich die sogenannte Camera obscura, die bereits im 4. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung von Aristoteles entdeckt wurde. Der Name Camera obscura kommt dabei aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie dunkle Kammer, was den Aufbau der Kamera ganz gut beschreibt. Die Camera obscura besteht nämlich nur aus einem dunklen Raum oder einem Kasten, der auf einer Seite ein kleines Loch hat. Durch dieses kann Licht in den Raum eindringen. Auf der gegenüberliegenden Seite wird das eindringende Licht anschließend seitenverkehrt und auf dem Kopf stehend auf der Wand der Kammer abgebildet. Da die Camera obscura jedoch noch keine Möglichkeit hatte, die so betrachteten Bilder zu speichern, kann hier noch nicht von der Erfindung der Fotografie gesprochen werden.
Die erste Aufzeichnung eines Bildes mit einem Fotoapparat gelang Joseph Nicéphore Niépce erst in der Zeit zwischen 1826 und 1827. Wann die Fotografie jedoch genau erfunden wurde, ist leider nicht bekannt, da das Bild erst im Jahr 1952, also nach dem Tod von Joseph Niépce im Jahr 1833, aufgefunden wurde. Der Fotoapparat von Joseph Niépce war allerdings noch nicht besonders alltagstauglich, da die Belichtungszeit für ein Bild mehrere Stunden betrug und auch Herstellung und Konservierung eines jeden Bildes mit sehr viel Aufwand verbunden waren. Über die Zeit gelang es jedoch vielen Forscherinnen und Forschern und Erfinderinnen und Erfindern, die Fotoapparate immer weiter zu entwickeln und zu verbessern.
Wie funktioniert eine Kamera?
Einfach erklärt funktioniert eine Kamera ähnlich wie ein Fernrohr. Mithilfe des Fotoapparats wird, wie in einem Fernrohr auch, eine optische Abbildung von einem Gegenstand oder einer Landschaft erzeugt. Diese wird im Fotoapparat jedoch nicht vom Auge, sondern auf einer lichtempfindlichen Schicht aufgefangen. Bei analogen Kameras wird als lichtempfindliche Schicht meist ein sogenannter Film verwendet, der das Bild chemisch speichert. In modernen Digitalkameras werden meist sogenannte CCD-Chips verwendet. Mithilfe dieser Chips wird durch das eintreffende Licht eine Spannung erzeugt, die ausgelesen werden kann. Die so erzeugten Informationen werden anschließend gespeichert.
Zusammenfassung – Fotografie
In diesem Video hast du einen kleinen Einblick bekommen, wie Fotografie heutzutage funktioniert und wie die erste Kamera funktioniert hat. Weiterhin weißt du nun auch, dass die Abbildung der Bilder auf die lichtempfindliche Schicht heutzutage über ein System aus verschiedenen Linsen erfolgt. Dabei werden in der analogen Fotografie Filme als lichtempfindliche Schicht genutzt, während in der digitalen Fotografie CCD-Chips zum Einsatz kommen.
Transkript Fotografie
Hallo, das ist Aristoteles. Er war Philosoph in Griechenland vor über 2000 Jahren. Gerade hat eine Entdeckung gemacht. Wenn er ein kleines Loch in der Wand öffnet und das Licht hindurchlässt, sieht er auf der gegenüberliegenden Wand das umgekehrte Bild des Baums, der vor seinem Haus steht. Damit hat er das Prinzip der Lochkamera entdeckt. Kamera heißt daher Zimmer.
Videoüberblick zur Fotografie
Um zu verstehen wie eine moderne Kamera funktioniert, werden wir uns die Bildentstehung in der Lochkamera und den Aufbau und die Bildentstehung in einer modernen Kamera anschauen. Danach klären wir die Speicherung des Bildes und schauen uns die verschiedenen Möglichkeiten an, eine Kamera einzustellen und damit das Bild zu verändern.
Bau einer Lochkamera
Das sind die Belichtungszeit, die Blende und die Brennweite des Objektivs. Bei der Lochkamera fällt das Licht vom Objekt durch das Loch auf die gegenüberliegende Wand. Jeder Punkt des Objekts wird über einen einzelnen Strahl auf die Wand abgebildet. Eine Lochkamera kannst du dir ganz einfach selber bauen. Dafür brauchst du eine Schere, Transparentpapier, Alufolie, Papier und Klebeband. Rolle zwei Seiten Papier so zusammen, dass zwei Röhren entstehen, die ineinander passen.
Verändern der Bildgrößen
Dann nimm dir etwas vom Transparentpapier und klebe es vorne an die kleinere Röhre. Die Alufolie klebst du vor die größere Röhre und machst in die Mitte ein kleines Loch. Dann schiebst du die kleinere in die größere Röhre. Jetzt kannst du Objekte mit deiner Lochkamera betrachten. Indem du die kleinere Röhre in der größeren Röhre hin und her schiebst, kannst du Schärfe und Größe des Bildes verändern.
Die Kameralinsen
Das Bild ist umso schärfer, je weniger die Bündel der einzelnen Punkte des Objekts auseinander laufen können. Das heißt je kleiner das Loch ist. Je kleiner das Loch ist desto weniger Licht fällt aber auch hindurch und das Bild wird dunkler. In einer modernen Kamera wird dieses Problem durch Linsen gelöst.
Entstehung eines Kamerabildes
Das Licht fällt durch eine Sammellinse und wird daran gebrochen. Das Bild finden wir indem wir vom oberen Punkt des Objekts einen Parallelstrahl und einen Mittelpunktstrahl zeichnen. Das Bild ist höhen- und seitenvertauscht. Das Bild entsteht aber nur genau auf der Rückwand der Kamera, wenn der Abstand zwischen Objekt und Linse und der Abstand zwischen Linse und Rückwand im richtigen Verhältnis stehen.
Das Bild wird unscharf, wenn man den Abstand vom Objekt zur Linse ändert. Durch Veränderung der Position der Linse kann das Bild wieder scharf eingestellt werden. Bei einer alten analogen Kamera wird das Bild chemisch auf einem lichtempfindlichen Film, als negatives Abbild gespeichert. Dieser muss dann entwickelt werden.
Unterschied zur Digitalkamera
In einer Digitalkamera wird das Bild von der eingebauten Elektronik über einem Sensor ausgelesen. Die Elektronik verarbeitet diese Daten dann und speichert sie in einem vorgegebenen Format auf einer Speicherkarte. Bei beiden Kameratypen kann die Helligkeit des Bildes gesteuert werden. Eine Möglichkeit ist einzustellen, wie lange Licht auf ein Bild fällt. Je länger es belichtet wird, desto heller wird es.
Belichtungszeit und Blende
Dies wird als Belichtungszeit bezeichnet. Wie in der Lochkamera, hängt die Menge des einfallenden Lichts aber auch von der Größe der Öffnung zum inneren der Kamera ab. Diese Öffnung wird auch als Blende bezeichnet. Je kleiner die Blende ist, umso weniger Licht fällt ein. Bei einer modernen Kamera kann auch der Ausschnitt des Objekts gewählt werden, der aufgenommen werden soll.
Das Teleobjektiv
Hat die Sammellinse eine kleine Brennweite, wird sehr viel vom Objekt abgebildet. Solche Objektive werden als weitwinklig bezeichnet. Linsen mit sehr großer Brennweite bilden nur einen kleinen Ausschnitt ab. Man spricht dann von einem Teleobjektiv. Mit einem Teleobjektiv erscheint das Bild stark vergrößert. In den Objektiven moderner Kompaktkameras befindet sich immer ein System von mehreren Linsen. Die Brennweite des Linsensystems kann dann von der Kamera eingestellt werden, ohne die Linsen zu wechseln.
Zusammenfassung zur Fotografie
Fassen wir also noch einmal zusammen: In einer Kamera wird das Objekt durch das Objektiv die Rückseite der Kamera abgebildet. Von dort wird es chemisch oder elektronisch gespeichert. Über Blende und Belichtungszeit wird die Helligkeit des Bildes eingestellt. Mit dem Objektiv wird die Schärfe des Bildes und der abgebildete Ausschnitt eingestellt.
Übrigens funktionieren Filmkameras und die Kamera in einem Smart-Phone nach genau dem selben Prinzip. Du findest in deiner Umgebung bestimmt noch viele andere Kameras. Viel Spaß beim Entdecken, Filmen und Fotografieren.
Fotografie Übung
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Beschreibe den vereinfachten Strahlengang einer Kamera.
TippsÜberlege zuerst, wo sich Gegenstand und Bild befinden.
Der Abstand zwischen Objekt und Linse wird auch Gegenstandsweite genannt.
LösungDu siehst im Bild den vereinfachten Strahlengang. Hier wird angenommen, dass die Kamera nur eine Sammellinse besitzt. Meistens sind es jedoch mehrere Linsen, sodass man mehr Einstellmöglichkeiten hat.
Geometrisch kann man bei gegebenem Gegenstand und der Entfernung zur Linse alle nötigen Informationen über das Bild bestimmen, indem man sowohl den Mittelpunktstrahl durch die Linse als auch den Parallelstrahl, der danach durch den Brennpunkt verläuft, zeichnet. Der Schnittpunkt der beiden Strahlen ist der Punkt, an dem das Bild scharf zu erkennen ist, wenn dort der Schirm steht bzw. sich an dieser Stelle die Sensoren der Kamera befinden.
Eigentlich müsste man diese Strahlen auch für den unteren Punkt vom Fernsehturm zeichnen, um herauszufinden, wohin dieser abgebildet wird. Kannst du dir denken, warum dies in diesem Fall nicht nötig ist? Wenn nicht, zeichne die Strahlen ein.
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Gib wieder, wie man eine Lochkamera selber bauen kann.
TippsBeginne mit den benötigten Materialien.
Nutze die Aufgabe als Anleitung und bastel deine eigene Lochkamera.
LösungWir beginnen mit den benötigten Materialien. Das sind alles Dinge, die du bei dir zu hause finden kannst. Um das Loch zu stechen eignet sich eine Nadel.
Baue mit dieser Anleitung deine eigene Kamera.
Um eine stabilere Kamera zu bauen, kannst du anstelle des eingerollten Papiers auch Papprollen nutzen, die die richtigen Größen besitzen.
Bei dieser Kamera ist es so, dass du das Bild auf dem Pergamentpapier betrachten kannst.
Du kannst aber auch eine Kamera bauen, die komplett abgedunkelt ist. In diese kannst du dann in einem dunklen Raum ein Stück chemisches Fotopapier einlegen. Dieses wird dann beim Öffnen des Loches belichtet. Das Fotopapier müsste im Anschluss im Entwicklerbad und im Fixierungsbad entwickelt werden. Erst nach diesen Schritten ist das Bild nicht mehr lichtempfindlich.
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Erkläre die Einstellmöglichkeiten der Kamera.
TippsVerbinde zuerst die Begriffe, die dir etwas sagen.
LösungBereits bei einer Lochkamera hat man mehrere Einstellmöglichkeiten. Dazu gehören Gegenstandsweite und Bildweite. Durch die Lochgröße kann die Lichtmenge verändert werden, die auf das Bild fällt, wobei ein größeres Loch gleichzeitig die Schärfe verringert, sofern keine Linse verwendet wird.
Wird hingegen eine Linse verwendet, dann ändert sich durch die Blendenöffnung der Bereich auf die Bildtiefe bezogen, in der das Bild scharf ist. Dadurch kann man den Effekt erzielen, dass ein Gegenstand im Vordergrund scharf und im Hintergrund unscharf ist.
Auch die Belichtungszeit regelt natürlich die Lichtmenge. Je länger das Loch geöffnet ist, desto mehr Lichtstrahlen fallen auf das Negativ. Optimale Belichtungszeiten kann man berechnen.
Die Brennweite ermöglicht es, den Ausschnitt des Bildes zu verändern. Man unterscheidet zwischen dem Weitwinkelobjektiv, das eine sehr kurze Brennweite hat und dem Teleobjektiv mit großer Brennweite. Jede Linse hat eine ganz bestimmte Brennweite, daher werden in Kameras meistens mehrer Linsen verwendet, deren Abstand zueinander verändert werden kann. Dadurch lässt sich die Brennweite des Linsensystems ändern.
Die Bildweite muss so gewählt werden, dass das abzubildende Objekt scharf gestellt ist. Man nennt diesen Vorgang Fokussierung.
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Gib an, wie ein Dia in einen Diaprojektor eingelegt werden muss, damit das Wort richtig gelesen werden kann.
TippsEin Diaprojektor funktioniert prinzipiell genau wie eine einfache Kamera, nur dass der Strahlengang genau umgekehrt ist.
Erinnere dich daran, wie sich Bild und Gegenstand unterscheiden.
LösungEin Diaprojektor funktioniert prinzipiell genau wie eine einfache Kamera, nur dass der Strahlengang genau umgekehrt ist.
Bei dem Bild einer Kamera ist oben und unten vertauscht, links und rechts sowie vorne und hinten.
Für die Schrift ist es egal, ob vorne und hinten vertauscht sind, aber sie steht auf dem Kopf und ist spiegelverkehrt, also links und rechts sind vertauscht.
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Gib an, welche Kameraeinstellung man nachts verwenden sollte, damit man etwas auf dem Bild erkennen kann.
TippsErinnere dich an die Bauteile einer Kamera und ihre Funktionsweise.
Wie sieht der Strahlengang aus?
Was beeinflusst die Lichtmenge, die auf das Negativ oder die Sensoren fällt?
LösungBereits bei einer Lochkamera hat man mehrere Einstellmöglichkeiten.
Dazu gehören Gegenstandsweite und Bildweite. Durch die Lochgröße kann die Lichtmenge verändert werden, die auf das Bild fällt, wobei ein größeres Loch gleichzeitig die Schärfe verringert, sofern keine Linse verwendet wird.
Auch die Belichtungszeit regelt natürlich die Lichtmenge. Je länger das Loch geöffnet ist, desto mehr Lichtstrahlen fallen auf das Negativ. Optimale Belichtungszeiten kann man berechnen.
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Berechne die benötigte Gegenstandsweite, wenn du den 370 m hohen Fernsehturm auf einem 10 cm hohen Bild festhalten möchtest und Linse und Bild einen Abstand von b = 3 cm haben.
TippsForme das Abbildungsgesetz nach der gesuchten Größe um:
Rechne in m oder cm aber verwende nur eine der beiden Einheiten.
LösungGegeben: $G=370\,\text{m}, \qquad B=0,1 \,\text{m}, \qquad b=0,03 \,\text{m}$
Gesucht: g
Rechnung:
$\begin{align} \frac g b&= \frac G B && |\cdot b\\ g&= \frac G B \cdot b&& |\text{einsetzen}\\ g&=\frac{370\,\text{m}}{0,1\,\text{m}}\cdot 0,03\,\text{m}=111\,\text{m} \end{align}$
Du siehst also, dass eine kleinere Bildweite mit darauf abgestimmten Linsen ermöglicht, mit einer viel kleineren Gegenstandsweite auszukommen. Das ermöglicht dir beispielsweise ein Selfie mit dem Handy aufzunehmen.
Moderne Kameras arbeiten aber mit sehr vielen Linsen, darunter auch Zerstreuungslinsen. Auf diese Weise kompliziert sich zwar die Rechnung, jedoch kann man dadurch noch kompaktere Kameras mit großem optischen Zoom bauen, die zudem Weitwinkelbilder aufnehmen können.
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