Wenn der Verschluss einer Kamera geöffnet wird und Licht den Sensor sofort erreicht (Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km / s), warum ändert die Verschlusszeit die Bildschärfe / -details? Warum werden Bilder bei kürzeren Verschlusszeiten dunkler und bei längeren Verschlusszeiten heller?
Unsere Augen sind immer geöffnet (wenn wir wach sind), aber Bilder werden nicht „überbelichtet“.
(Ich denke, das könnte eher eine Physikfrage als eine Fotofrage sein)
Warum verändert die Verschlusszeit die Bildschärfe/-details? Warum werden Bilder bei kürzeren Verschlusszeiten dunkler und bei längeren Verschlusszeiten heller?
Diese Dinge passieren, weil der Lichtsensor in der Kamera die Lichtintensität nicht sofort misst, sondern das gesamte Licht, das während der gesamten Belichtung empfangen wird. Man könnte sagen, dass der Sensor das Licht * für die Dauer der Belichtung akkumuliert oder summiert . Licht besteht aus diskreten Photonen, und je länger der Sensor belichtet wird, desto mehr Zeit haben Photonen, um auf den Sensor zu treffen.
Wenn Sie ein mentales Modell für die Funktionsweise eines Sensors haben möchten, stellen Sie sich vor, Sie stellen bei Regen einen Eimer nach draußen. Wenn die Intensität des Regens konstant bleibt, führt ein doppelt so langes Stehenlassen des Eimers dazu, dass doppelt so viel Wasser in den Eimer gelangt, richtig? Oder wenn sich die Intensität des Regens verdoppelt, würden Sie erwarten, dass sich der Eimer doppelt so schnell füllt. Dieser Eimer ist wie eine Photosite (dh ein Pixel) auf einem digitalen Sensor, und die Regentropfen sind wie Photonen. Der gesamte Sensor ist wie ein Array aus mehreren Millionen dieser Eimer, von denen jeder Regentropfen/Photonen an einer bestimmten Stelle misst.
Kürzere Verschlusszeiten bedeuten also kürzere Belichtungen, was weniger Zeit für die Bewegung der Objekte im Bild oder der Kamera selbst bedeutet. Bewegungsunschärfe tritt auf, wenn sich ein Objekt im Rahmen relativ zur Kamera bewegt, sodass Licht von einem bestimmten Punkt auf dem Objekt an mehr als einer Stelle auf dem Sensor aufgezeichnet wird. Je kürzer die Belichtung, desto weniger Bewegung gibt es und desto schärfer ist das endgültige Bild.
In ähnlicher Weise lassen längere Belichtungen mehr Zeit für die Ansammlung von Licht auf dem Sensor; Jede Photosite sammelt mehr Photonen und misst einen größeren Wert. Diese größeren Werte zusammengenommen erzeugen ein helleres Bild. Wie beim Regen wird auch die Messung an jeder Fotostelle von der Intensität beeinflusst – helleres Licht lässt den Messwert an jedem Punkt schneller ansteigen. Wenn Sie also ein helleres Bild wünschen, haben Sie zwei Möglichkeiten: Erhöhen Sie die Lichtintensität oder verwenden Sie eine längere Belichtung. Aus diesem Grund stehen Blende und Verschlusszeit in einem umgekehrten Verhältnis: Die Blende steuert die Intensität des Lichts, das auf den Sensor trifft. Wenn Sie eine kürzere Verschlusszeit verwenden möchten, ohne die Belichtungsstufe des Fotos zu beeinflussen, können Sie die Blende erhöhen, um mehr Licht hereinzulassen. wenn Sie eine längere Verschlusszeit verwenden möchten,
* Um es ganz klar zu sagen, was der Sensor wirklich macht, ist, die Wirkung des Lichts zu akkumulieren. Wenn ein Photon auf eine Fotostelle auf einem digitalen Sensor trifft, erzeugt es eine kleine elektrische Ladung; je mehr Photonen, desto größer die Ladung. Nach dem Schließen des Verschlusses misst die Kamera die gespeicherte Ladung an jeder Fotostelle. Film funktioniert ähnlich, außer dass das Licht eine chemische Reaktion auslöst, die mit mehr Licht zunimmt.
Nein, es ist eine Frage der Fotografie, in Ordnung. Aber ich nehme an, dass du mit "Klarheit" "Schärfe" meinst, sonst macht die Frage keinen Sinn.
Wenn Ihr Objekt 30 m entfernt ist, erreicht Licht von ihm den Sensor in 100 ns (Milliardstel Sekunden). Das ist mehrere Größenordnungen schneller als die Verschlusszeit, wir können die 100 ns tatsächlich ignorieren und sagen, dass Licht sofort ankommt.
Angenommen, Sie haben eine durchschnittliche Verschlusszeit, sagen wir 1/60 Sekunde. Das bedeutet, dass von dem Moment an, in dem der Verschluss geöffnet wird, Licht vom Objekt auf den Sensor trifft, und zwar so lange, bis der Verschluss 17 ms später schließt. Jetzt sind 17 ms nicht viel, aber bei sehr schnellen Bewegungen, wie einem vorbeifahrenden Hochgeschwindigkeitszug oder Rennwagen, kann sich die Szene in dieser Zeit ändern. Bei 300 km/h bewegt sich der Zug in 1/60 Sekunde um 1,4 m. Wenn sich die Frontprojektion des Zuges beim Öffnen des Verschlusses am 1000. Pixel von links befindet, hat sie sich beim Schließen des Verschlusses möglicherweise zum 1200. Pixel von links bewegt, und Sie erhalten einen 200 Pixel breiten Streifen für alle Positionen des Zuges in zwischen.
Das nennt man Bewegungsunschärfe. Manchmal möchten Sie, dass die Bewegungsunschärfe dem Betrachter ein Gefühl für die Geschwindigkeit des Zuges vermittelt, und dann verwenden Sie längere Verschlusszeiten. Bewegt man während der Aufnahme die Kamera mit dem Objekt mit, entsteht ebenfalls Bewegungsunschärfe, allerdings in anderer Art: Der Zug wird scharf, der Hintergrund jedoch unscharf.
Sie können sich Licht als eine elektromagnetische Welle vorstellen, aber für diese Frage verwende ich ihren zweiten "Zustand" als (riesigen) Satz von Teilchen - Photonen.
Warum werden Bilder bei kürzeren Verschlusszeiten dunkler und bei kürzeren Verschlusszeiten heller?
In einem bestimmten Zeitraum passieren einige Photonen die Linse und regen Teile des Halbleiterchips (Pixel) an.
Das Erregungsniveau ist proportional zur Anzahl der einfallenden Photonen und wird durch die Helligkeit des angezeigten Pixels dargestellt. Wenn Sie die Verschlusszeit verdoppeln, halbiert sich die Belichtungszeit und die Helligkeit wird ebenfalls halbiert. Wenn Sie die Verschlusszeit halbieren, verdoppeln Sie die Belichtungszeit und verdoppeln die resultierende Helligkeit.
Warum verändert die Verschlusszeit die Bildschärfe/-details?
Während der Zeit sammelt jedes Pixel die Photonen, die es treffen. Die Kamera und die Szene sind nicht in perfekter Ruheposition. Die Hände des Fotografen zittern leicht und das Objekt in der Szene kann sich bewegen. Dadurch wird das im Chip gesammelte Licht (bewegungs-)unscharf. Die Bedeutung der Bewegungsunschärfe ist proportional zur Belichtungszeit und umgekehrt proportional zur Verschlusszeit.
Bei kürzeren Verschlusszeiten erhalten Sie dunklere Bilder; Um diesen Effekt zu kompensieren, müssen Sie die Blende öffnen und/oder die Empfindlichkeit (ISO) erhöhen.
Unsere Augen sind immer geöffnet (wenn wir wach sind), aber Bilder werden nicht „überbelichtet“.
Unsere Augen haben eine automatische Blendeneinstellung (Iris) und unser Gehirn sorgt für eine automatische ISO-Korrektur. Deshalb können unsere Augen getäuscht werden :)
Schauen Sie sich das Auge Ihres Freundes an, wenn es einen sonnigen Tag gibt, Sie werden Iris und einen kleinen schwarzen Punkt sehen. Wenn Sie es in der dunklen Nacht betrachten, sehen Sie einen kleinen Irisring und einen großen schwarzen Kreis. Die Iris passt automatisch die Lichtmenge an, die Ihre Netzhaut erreicht.
Auch die Iris hat ihre Grenzen. Wenn Ihnen nachts jemand in die Augen blitzt, sind Sie eine Weile blind – Ihre weit geöffnete Iris konnte sich nicht schnell genug schließen, um sich an den schnellen Lichtwechsel anzupassen, und Ihre Netzhaut war überbelichtet. Es dauerte dann einige Zeit, bis sich Ihre Iris wieder weit öffnete.
Die Signale, die das Gehirn von der Netzhaut erhält, werden auch in seiner Empfindlichkeit gegenüber dem einfallenden Licht und der Szene angepasst. Probieren Sie den ganzen Tag lang Skifahren mit Bernsteinbrillen aus. Nachdem Sie die Brille abgenommen haben, erscheint Ihnen ein blaues Ding grün.
Es beherbergt auch vor Ort. Hier sehen Sie einen grünen Punkt zwischen rosa. Oder kannst du nicht? Ein weiterer Trick: Lange auf das umgekehrte Bild starren und dann auf die weiße Wand schauen. Sie sehen das Originalbild.
Ihr Auge und Ihr Gehirn reduzieren automatisch ihre Empfindlichkeit je nach Belichtung und es gibt eine gewisse Verzögerung zwischen dem Lichtwechsel und der Empfindlichkeitsänderung.
Das Kameraobjektiv ist so ausgelegt, dass es ein Bild der Außenwelt auf die Oberfläche eines Abbildungschips innerhalb und auf der Rückseite der Kamera projiziert. Eine als Shutter bezeichnete mechanische Klappe verhindert jedoch, dass die bildgebenden Lichtstrahlen auf den bildgebenden Chip treffen. Zum Fotografieren wird der Verschluss kurz geöffnet und wieder geschlossen. Dieser Vorgang ermöglicht es den bilderzeugenden Lichtstrahlen, mit dem Abbildungschip in Kontakt zu treten.
Auf der Oberfläche des Imaging-Chips befinden sich Millionen von Fotostellen. Jeder empfängt während der Belichtung Lichtenergie, und diese Energie ist in Intensität und Farbe proportional zur tatsächlichen Ansicht. Wenn die Lichtstrahlen auf diese Stellen treffen, wird eine elektrische Ladung induziert. Die Ladungsmenge entspricht den Lichtintensitäten der Aussicht.
Allerdings sind die Gebühren sehr schwach und erfordern eine Software in der Kamera, um sie auf ein brauchbares Niveau zu verstärken. Die Software wandelt auch jede Ladung in einen numerischen (digitalen) Wert um. Das Ergebnis ist ein Bild, das aus einem „Malen-nach-Zahlen“-System besteht.
Da die Szenenhelligkeit eine Variable ist, ist die Belichtungsdauer einstellbar. Wenn die Aussicht schwach beleuchtet ist, wird die Belichtungszeit erhöht, um dies auszugleichen. Umgekehrt wird die Belichtungszeit verkürzt, wenn die Szene hell erleuchtet ist. Der Hauptgrund dafür, dass die Verschlusszeit in ihrer Dauer angepasst wird, besteht darin, Zeit zu geben, damit sich die Ladung an jeder Fotostelle ansammelt und überschaubar wird.
Die Lichtgeschwindigkeit ist so fantastisch schnell und die Entfernung, der Blickwinkel zur Kamera und der Abstand zwischen Objektiv und Bildsensor sind strittig.
Es geht um die Dauer der Lichtquelle, nicht um die Lichtgeschwindigkeit. Wenn ich einen Satz spreche, kann es 15 Sekunden dauern, ihn zu sagen. Das Wort reist mit Schallgeschwindigkeit zu Ihren Ohren. Wenn ich den Satz schneller sage, erreicht jedes Wort Ihre Ohren mit der gleichen Geschwindigkeit, aber die "Schärfe" oder Klarheit der Wörter ändert sich, wenn ich schneller oder langsamer werde.
Die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet, ist unerheblich. Die Tatsache, dass es nicht augenblicklich ist, ist sehr wichtig. Obwohl sich Licht sehr schnell ausbreitet, trifft das Licht des Motivs oder der Szene nicht gleichzeitig auf den Sensor oder Film. Licht erreicht die Kamera vom Motiv in einem Energiestrom, der über einen bestimmten Zeitraum verteilt wird. Für die Zeit, in der der Verschluss geöffnet ist, wird dieser Lichtstrom fotografisch festgehalten. Ändert sich die Szene im Laufe der Belichtung, ändert sich auch die Form des Lichtstrahls, der während der Belichtung die Kamera erreicht.
In der Physik wird oft ein Ausdruck verwendet, um zu beschreiben, wie Licht gleichzeitig Eigenschaften von Wellenenergie und Teilchenenergie zeigt: die Dualität des Lichts . Zum Zwecke der Fotografie behandeln wir Licht normalerweise als einen Strom von Photonen, die von der Szene auf den Sensor (oder Film) fließen. Beim Auftreffen auf den Sensor werden sie in jeder Pixelmulde, die ein Photon trifft, in Elektronen umgewandelt. Wenn sie auf den Film auftreffen, führt ihre Energie zu chemischen Reaktionen mit den Chemikalienkörnern in der Emulsion des Films.
Warum verändert die Verschlusszeit die Bildschärfe/-details?
Die Verschlusszeit bestimmt, wie lange der Photonenstrom von der Szene auf den Sensor treffen darf. Wenn Dinge während der Belichtungsdauer ihre Position in der Szene ändern, bewegt sich das Licht von dem Teil der Szene, der sich bewegt hat, über die Oberfläche des Sensors und fällt auf andere Pixel. Wenn die Kamera selbst die Quelle der Bewegung ist, verschiebt sich die gesamte Szene und jeder Punkt in der Szene fällt auf unterschiedliche Pixel auf dem Sensor. Unabhängig von der Quelle der Bewegung ist das Ergebnis unscharf , da das Licht von einem einzelnen Punkt in der Szene auf mehrere Pixel verteilt wird. Je länger der Verschluss offen gehalten wird, desto größer ist die Unschärfe bei gleicher Bewegungsgeschwindigkeit.
Auf der anderen Seite derselben Medaille gilt: Je länger der Verschluss offen gehalten wird, desto mehr Licht wird auf dem Foto eingefangen. Je mehr Licht vom Sensor eingefangen wird, desto höher ist der Anteil der vom Sensor aus dem Licht der Szene gesammelten Elektronen (wir nennen dieses Signal ) zu den von der Elektronik der Kamera erzeugten Elektronen, die ebenfalls zusammen mit aufgezeichnet werden der Strom von den Sensorpixeln. Diese Streuelektronen nennen wir Rauschen. Lesegeräusche werden von der Elektronik der Kamera erzeugt. Foto-(Schuss-)Rauschen wird durch die zufällige Natur des Lichts aufgrund der Dualität des Lichts erzeugt. Diese Photonenteilchen bewegen sich entlang eines wellenförmigen Weges, der durch die Wellenlänge jedes Lichtbits definiert ist. Je mehr Signal (Licht) wir im Verhältnis zum Rauschen haben, desto mehr Details können wir in unserem Foto erzeugen. Dies wird als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet .
Eine kürzere Verschlusszeit minimiert also den Bewegungseffekt, kann aber aufgrund eines schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses zu Detailverlust führen. Eine längere Verschlusszeit erhöht das Signal-Rausch-Verhältnis, kann aber zu Detailverlust durch Bewegungsunschärfe führen.
Warum werden Bilder bei kürzeren Verschlusszeiten dunkler und bei längeren Verschlusszeiten heller?
Denn je länger der Verschluss offen gehalten wird, desto mehr Licht wird auf dem Foto eingefangen. Es ist dasselbe, als würde man einen Wasserhahn auf- und zudrehen, während man eine Tasse unter den Zapfhahn hält. Je länger der Wasserhahn offen gehalten wird, desto mehr Wasser sammelt sich in der Tasse. Je länger der Verschluss offen gehalten wird, desto mehr Lichtteilchen (Photonen) werden vom Sensor (oder Film) gesammelt.
Unsere Augen sind immer geöffnet (wenn wir wach sind), aber Bilder werden nicht „überbelichtet“.
Auch hier trifft das Licht in einem kontinuierlichen Strom auf unsere Augen, nicht in einem einzigen Augenblick. Das gesamte Licht, das unsere Netzhaut im Laufe eines Tages, eines Jahres oder unseres gesamten Lebens sammelt, wird nicht in einem einzigen Augenblick an unser Gehirn weitergeleitet! Das elektrochemische Signal von unseren Augen zu unserem Gehirn ändert sich ständig, wenn sich die Szene vor unseren Augen ändert.
(Hinweis: Das Folgende wurde geschrieben, bevor die obige Frage in ihrer aktuellen Form erheblich überarbeitet wurde.)
Licht ist elektromagnetische Energie. Somit müssen bei einem Foto zwei Komponenten gemessen werden: Feldstärke und Zeitdauer. Die Feldstärke misst, wie stark das Licht über einem bestimmten Bereich ist. Die Zeitdauer misst, wie lange diese Feldstärke aufrechterhalten wird.
Es ist genauso wie jede andere Form von Energie. Wenn man eine konstante Kraft auf einen Körper ausüben würde, würde der Körper beschleunigen. Je länger diese Kraft ausgeübt wird, desto länger wird der Körper beschleunigen und desto schneller würde sich der Körper relativ zu seinem Anfangszustand bewegen.
Ein Stück fotografischer Film sammelt Informationen über die Energie, die in Form von Licht darauf fällt. Je länger der Verschluss geöffnet bleibt, desto mehr Informationen werden gesammelt. Wenn ein Verschluss doppelt so lange offen gelassen wird, sammelt er doppelt so viele Informationen von diesem Licht, vorausgesetzt, die Stärke des Lichts ist konstant.
Das Problem in der Fotografie ist, dass das Licht oft nicht konstant ist. Wenn sich Dinge in der Welt vor der Kamera bewegen, ändert sich die Feldstärke des Lichts über einem bestimmten Punkt des Films oder Sensors. Solange der Verschluss geöffnet ist, sammelt er weiterhin Informationen über das Licht, das auf jeden Punkt des Films oder Sensors fällt. Bewegt sich etwas im Blickfeld der Kamera, werden die Informationen über alle durchlaufenen Positionen während der Verschlusszeit aufgezeichnet. Anstatt an derselben Stelle auf dem Film oder Sensor aufgezeichnet zu werden, wird das Bild des sich bewegenden Motivs über den Bereich verteilt, über den es sich bewegt. Dies führt zu Unschärfe. Selbst wenn sich nichts vor der Kamera bewegt, passiert dasselbe, wenn sich die Kamera selbst bewegt.
Es geht nicht wirklich um die Lichtgeschwindigkeit, sondern um die Lichtmenge, die zählt
Aus demselben Grund wird es auch dunkler, wenn die Sonne untergeht; Lichtgeschwindigkeit ist in diesem Fall nicht wirklich relevant
Nun, es ist in der Fotografie nicht anders!!
In einer sehr dunklen Szene könnte die Anzahl der Photonen so gering sein, dass die Pixel selbst bei längeren Belichtungen kaum Photonen sammeln würden
Es gibt zu viel zu sagen, wenn Sie Details wünschen, müssen Sie etwas über Objektive lernen, siehe hier:
https://www.youtube.com/watch?v=1YIvvXxsR5Y
Um Ihre Frage zu beantworten: Die kürzere Verschlusszeit verhindert das Verschmieren von Pixeln auf Ihrem Sensor, was zu besseren Details und Klarheit führt. Es ist nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern das Einfrieren von Bewegungen, die sie verursacht.
Michael C