Wenn der Verschluss einer Kamera geöffnet wird und das Licht sofort auf den Sensor trifft (Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km / s), warum ändert die Verschlusszeit die Bildschärfe / Detailgenauigkeit? Warum werden Bilder mit kürzeren Verschlusszeiten dunkler und mit längeren Verschlusszeiten heller?
Unsere Augen sind immer geöffnet (wenn wir wach sind), aber Bilder sind nicht "überbelichtet".
(Ich denke, dies könnte eher eine Physikfrage als eine Fotofrage sein.)
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Antworten:
Dies geschieht, 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 sammelt oder summiert . Licht besteht aus diskreten Photonen. 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 möchten, stellen Sie sich vor, Sie stellen einen Eimer draußen ab, wenn es regnet. Wenn die Intensität des Regens konstant bleibt und der Eimer doppelt so lang bleibt, wird doppelt so viel Wasser in den Eimer gelangen, oder? Oder wenn sich die Intensität des Regens verdoppelt, ist zu 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 gleicht einer Anordnung von mehreren Millionen dieser Eimer, die jeweils Regentropfen / Photonen an einer bestimmten Stelle messen.
Kürzere Verschlusszeiten bedeuten also kürzere Belichtungszeiten, was weniger Zeit für die Bewegung der Objekte im Rahmen 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 einem Punkt auf dem Sensor aufgezeichnet wird. Je kürzer die Belichtung ist, desto weniger Bewegung ist vorhanden und desto schärfer ist das endgültige Bild.
Bei längeren Belichtungszeiten kann sich mehr Licht auf dem Sensor ansammeln. Jede Photosite sammelt mehr Photonen und misst einen größeren Wert. Diese größeren Werte zusammen ergeben ein helleres Bild. Ebenso wie der Regen wird auch die Messung an jeder Fotostelle von der Intensität beeinflusst - helleres Licht lässt den Messwert an jeder Stelle schneller ansteigen. Wenn Sie also ein helleres Bild wünschen, haben Sie zwei Möglichkeiten: Erhöhen Sie die Lichtintensität oder verwenden Sie eine längere Belichtungszeit. Aus diesem Grund haben Blende und Verschlusszeit eine umgekehrte Beziehung: Die Blende steuert die Intensität des Lichts, das den Sensor erreicht. Wenn Sie eine kürzere Verschlusszeit verwenden möchten, ohne die Belichtungsstärke des Fotos zu beeinträchtigen, können Sie die Blende erhöhen, um mehr Licht hereinzulassen. Wenn Sie eine längere Verschlusszeit verwenden möchten,
* Um es wirklich klar zu sagen: Der Sensor sammelt die Wirkung des Lichts. Wenn ein Photon auf einem digitalen Sensor auf eine Fotoseite trifft, wird eine kleine elektrische Ladung erzeugt. Je mehr Photonen vorhanden sind, desto größer ist die Ladung. Nach dem Schließen des Verschlusses misst die Kamera die gespeicherte Ladung an jeder Fotoseite. Film funktioniert ähnlich, nur dass das Licht eine chemische Reaktion auslöst, die mit mehr Licht zunimmt.
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Nein, es ist eine Fotografie-Frage. Ich gehe aber davon aus, dass Sie mit "Klarheit" "Schärfe" meinen, sonst ergibt die Frage keinen Sinn.
Wenn Ihr Objekt 30 m entfernt ist, erreicht das Licht von ihm den Sensor in 100 ns (Milliardstelsekunden). Das ist einige Größenordnungen schneller als die Verschlusszeit, wir können die 100 ns sogar ignorieren und sagen, das Licht kommt sofort an.
Angenommen, Sie haben eine durchschnittliche Verschlusszeit von beispielsweise 1/60 Sekunde. Dies bedeutet, dass ab dem Moment, in dem der Verschluss geöffnet wird, Licht vom Objekt zum Sensor gelangt, und dies so lange, bis der Verschluss 17 ms später geschlossen wird. Jetzt sind 17 ms nicht viel, aber bei sehr schnellen Bewegungen, wie bei einem vorbeifahrenden Hochgeschwindigkeitszug oder Rennwagen, kann sich die Szene in dieser Zeit ändern. Bei 300 km / ha bewegt sich der Zug in 1/60 Sekunde um 1,4 m. Befindet sich die Projektion der Front des Zuges beim Öffnen des Verschlusses auf dem 1000. Pixel von links, hat sie sich beim Schließen des Verschlusses möglicherweise auf den 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 gibt, und dann verwenden Sie langsamere Verschlusszeiten. Wenn Sie die Kamera zusammen mit dem Objekt bewegen, während Sie das Bild aufnehmen, erhalten Sie auch Bewegungsunschärfe, allerdings auf eine andere Art: Der Zug ist scharf, aber der Hintergrund zeigt Bewegungsunschärfe.
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Sie können sich Licht als elektromagnetische Welle vorstellen, aber für diese Frage verwende ich seinen zweiten "Zustand" als (gewaltige) Menge von Teilchen - Photonen.
In einem bestimmten Zeitraum passieren einige Photonen die Linse und regen Teile des Halbleiterchips (Pixel) an.
Das Anregungsniveau 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 halbiert sich ebenfalls. Wenn Sie die Verschlusszeit halbieren, verdoppeln Sie die Belichtungszeit und die resultierende Helligkeit.
Während der Zeit sammelt jedes Pixel die darauf treffenden Photonen. Die Kamera und die Szene befinden sich nicht in perfekter Ruhelage. Die Hände des Fotografen zittern leicht und das Objekt in der Szene kann sich bewegen. Dies führt dazu, dass das im Chip gesammelte Licht (bewegungs) unscharf wird. Die Bedeutung der Bewegungsunschärfe ist proportional zur Belichtungszeit und umgekehrt proportional zur Verschlusszeit.
Für kürzere Verschlusszeiten erhalten Sie dunklere Bilder. Um diesen Effekt zu kompensieren, müssen Sie die Blende öffnen und / oder die ISO-Empfindlichkeit erhöhen.
Unsere Augen haben eine automatische Blendeneinstellung (Iris) und unser Gehirn sorgt für eine automatische ISO-Korrektur. Deshalb können unsere Augen getäuscht werden :)
Schauen Sie auf das Auge Ihres Freundes, wenn es sonnigen Tag gibt, sehen Sie Iris und kleinen schwarzen Punkt. Wenn Sie es in der dunklen Nacht betrachten, werden Sie einen kleinen Irisring und einen großen schwarzen Kreis sehen. Die Iris passt die Lichtmenge, die Ihre Netzhaut erreicht, automatisch an.
Die Iris hat auch ihre Grenzen. Wenn in der Nacht jemand in Ihren Augen blitzt, sind Sie eine Weile blind - Ihre weit geöffnete Iris konnte sich nicht schnell genug schließen, um dem schnellen Lichtwechsel gerecht zu werden, und Ihre Netzhaut war überbelichtet. Es dauerte einige Zeit, bis sich Ihre Iris wieder weit öffnete.
Die Signale, die das Gehirn von der Netzhaut empfängt, sind auch in seiner Empfindlichkeit gegenüber dem einfallenden Licht und der Szene berücksichtigt. Versuchen Sie den ganzen Tag mit einer gelben Skibrille Ski zu fahren. Nachdem Sie die Schutzbrille entfernt haben, sieht ein blaues Ding für Sie grün aus.
Es beherbergt auch vor Ort. Hier sehen Sie einen grünen Punkt zwischen den rosa. Oder kannst du nicht? Ein weiterer Trick: Starren Sie lange auf das umgekehrte Bild und schauen Sie dann auf die weiße Wand. Sie sehen das Originalbild.
Ihr Auge und Ihr Gehirn verringern je nach Belichtung automatisch ihre Empfindlichkeit, und es besteht eine gewisse Verzögerung zwischen der Änderung des Lichts und der Änderung der Empfindlichkeit.
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Das Kameraobjektiv ist so konzipiert, dass es ein Bild der Außenwelt auf die Oberfläche eines Imaging-Chips im Inneren und auf der Rückseite der Kamera projiziert. Eine mechanische Tür, die als Shutter bezeichnet wird, verhindert jedoch, dass die abbildenden Lichtstrahlen auf dem Abbildungs-Chip spielen. Um ein Bild aufzunehmen, wird der Verschluss kurz geöffnet und dann geschlossen. Dieser Vorgang ermöglicht, dass die bilderzeugenden Lichtstrahlen den Abbildungschip kontaktieren.
Auf der Oberfläche des Imaging-Chips befinden sich Millionen von Fotostellen. Jeder erhält während der Belichtung Lichtenergie und diese Energie ist in Intensität und Farbe proportional zur tatsächlichen Aussicht. Während die Lichtstrahlen an diesen Stellen spielen, wird eine elektrische Ladung induziert. Die Ladungsmenge entspricht den Lichtintensitäten der Aussicht.
Trotzdem sind die Ladungen sehr schwach und erfordern eine Software in der Kamera, die sie auf ein brauchbares Niveau verstärkt. Die Software wandelt außerdem jede Ladung in einen numerischen (digitalen) Wert um. Das Ergebnis ist ein Bild, das aus einem System „Malen nach Zahlen“ besteht.
Da die Szenenhelligkeit variabel ist, ist die Belichtungsdauer einstellbar. Wenn die Aussicht schwach beleuchtet ist, wird die Belichtungszeit zum Ausgleich verlängert. Wenn die Szene hingegen hell beleuchtet ist, wird die Belichtungszeit verkürzt. Der Hauptgrund, warum die Verschlusszeit in ihrer Dauer angepasst wird, besteht darin, dass sich die Zeit für die Aufladung an jedem Fotoort ansammelt und überschaubar wird.
Die Lichtgeschwindigkeit ist so unglaublich schnell und die Entfernung, der Blick zur Kamera und der Abstand zwischen Objektiv und Bildsensor sind umstritten.
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Es geht um die Dauer der Lichtquelle, nicht um die Lichtgeschwindigkeit. Wenn ich einen Satz spreche, kann das 15 Sekunden dauern. Das Wort wandert mit Schallgeschwindigkeit zu Ihren Ohren. Wenn ich den Satz schneller sage, kommt jedes Wort mit der gleichen Geschwindigkeit in Ihre Ohren, aber die "Schärfe" oder Klarheit der Wörter ändert sich, wenn ich beschleunige oder verlangsame.
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Die tatsächliche Lichtgeschwindigkeit spielt keine Rolle. Die Tatsache, dass es nicht augenblicklich ist, ist sehr wichtig. Obwohl sich das Licht sehr schnell ausbreitet, trifft das Licht des Motivs oder der Szene nicht alle gleichzeitig auf den Sensor oder Film. Das Licht gelangt vom Motiv in einem über einen bestimmten Zeitraum verteilten Energiestrom zur Kamera. Für die Zeit, in der der Verschluss geöffnet ist, wird dieser Lichtstrom in einem Foto aufgezeichnet. Wenn sich die Szene im Verlauf der Belichtung ändert, ändert sich auch die Form des Lichtstroms, der die Kamera während der Belichtung erreicht.
In der Physik wird häufig ein Ausdruck verwendet, um die Art und Weise zu beschreiben, in der Licht gleichzeitig Eigenschaften sowohl der Wellenenergie als auch der Teilchenenergie zeigt: die Dualität des Lichts . Zum Zweck der Fotografie behandeln wir Licht normalerweise als einen Strom von Photonen, die von der Szene auf den Sensor (oder Film) fließen. Wenn sie auf den Sensor treffen, werden sie in jeder Pixelmulde, auf die ein Photon trifft, in Elektronen umgewandelt. Beim Auftreffen auf den Film führt ihre Energie zu chemischen Reaktionen auf die Körner der Chemikalien in der Filmemulsion.
Die Verschlusszeit bestimmt, wie lange der Photonenstrom aus der Szene auf den Sensor treffen darf. Wenn sich die Position in der Szene während der Belichtungsdauer ändert, bewegt sich das Licht des Teils der Szene, der sich bewegt hat, über die Oberfläche des Sensors und fällt auf verschiedene Pixel. Wenn die Kamera selbst die Quelle der Bewegung ist, verschiebt sich die gesamte Szene und jeder Punkt in der Szene fällt auf verschiedene 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 stärker ist die Unschärfe bei gleicher Bewegungsgeschwindigkeit.
Je länger der Verschluss geöffnet ist, desto mehr Licht wird auf dem Foto eingefangen. Je mehr Licht vom Sensor erfasst wird, desto höher ist der Anteil der vom Sensor gesammelten Elektronen am Licht der Szene (wir nennen dieses Signal ) an den von der Elektronik der Kamera erzeugten Elektronen, mit denen auch aufgezeichnet wird der Strom von den Sensorpixeln. Diese Streuelektronen nennen wir Rauschen. Lesegeräusche werden von der Elektronik der Kamera erzeugt. Fotorauschen wird durch die Zufälligkeit des Lichts aufgrund der Dualität des Lichts erzeugt. Diese Photonenteilchen bewegen sich entlang eines wellenförmigen Pfades, der durch die Wellenlänge jedes Lichtbits definiert ist. Je mehr Signal (Licht) wir proportional 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 jedoch zu Detailverlusten aufgrund von Bewegungsunschärfe führen.
Je länger der Verschluss geöffnet bleibt, desto mehr Licht wird auf dem Foto erfasst. Dies ist das Gleiche wie das Ein- und Ausschalten eines Wasserhahns, während Sie eine Tasse unter den Zapfen halten. 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.
Wieder fällt das Licht in einem kontinuierlichen Strom auf unsere Augen, nicht in einem einzigen Moment. Das gesamte Licht, das unsere Netzhaut im Laufe eines Tages, eines Jahres oder unseres gesamten Lebens sammelt, wird nicht in einem einzigen Augenblick auf unser Gehirn übertragen! 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. Als solche gibt es zwei Komponenten, die in Bezug auf ein Foto gemessen werden müssen: Feldstärke und Zeitdauer. Die Feldstärke misst, wie stark das Licht in einem bestimmten Bereich ist. Die Zeitdauer misst, wie lange diese Feldstärke beibehalten wird.
Es ist genauso wie jede andere Energieform. Wenn man eine konstante Kraft gegen einen Körper ausüben würde, würde der Körper beschleunigen. Je länger diese Kraft angewendet wird, desto länger wird der Körper beschleunigen und desto schneller würde sich der Körper relativ zu seinem Anfangszustand bewegen.
Ein fotografischer Film sammelt Informationen über die Energie, die in Form von Licht auf ihn fällt. Je länger der Verschluss geöffnet bleibt, desto mehr Informationen werden gesammelt. Wenn ein Verschluss doppelt so lange geöffnet bleibt, werden doppelt so viele Informationen von diesem Licht erfasst, vorausgesetzt, die Lichtstärke ist konstant.
Das Problem in der Fotografie ist, dass das Licht oft nicht konstant ist. Wenn sich die Dinge in der Welt vor der Kamera bewegen, ändert sich die Feldstärke des Lichts über einen bestimmten Punkt des Films oder des Sensors. Solange der Verschluss geöffnet ist, sammelt er weiterhin Informationen über das Licht, das auf jeden Punkt des Films oder Sensors fällt. Wenn sich in der Ansicht der Kamera etwas bewegt, werden die Informationen zu allen Positionen aufgezeichnet, die sie während des Öffnens des Verschlusses durchlaufen hat. Anstatt auf der gleichen Stelle auf dem Film oder Sensor aufgezeichnet zu werden, wird das Bild des sich bewegenden Objekts über den Bereich verteilt, über den es sich bewegt. Dies führt zu Unschärfe. Auch wenn sich nichts vor der Kamera bewegt, passiert dasselbe, wenn sich die Kamera selbst bewegt.
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Es geht nicht wirklich um die Lichtgeschwindigkeit, es geht um die Lichtmenge
Es ist auch der gleiche Grund, warum es dunkler wird, wenn die Sonne untergeht; Die Lichtgeschwindigkeit ist in diesem Fall nicht wirklich relevant
Nun, in der Fotografie ist das nicht anders !!
In einer sehr dunklen Szene kann die Anzahl der Photonen so gering sein, dass die Pixel selbst bei längeren Belichtungszeiten kaum Photonen sammeln
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Es gibt zu viel zu sagen, wenn Sie Details wünschen, müssen Sie über Objektive lernen, siehe diese:
https://www.youtube.com/watch?v=1YIvvXxsR5Y
Um Ihre Frage zu beantworten, verhindert die kürzere Verschlusszeit 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 es verursachen.
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