Highspeed-Fotografie - immer am Limit

Das Ziel der Highspeed- oder Kurzzeitfotografie ist, schnell bewegte Objekte scharf aufzunehmen. Die Schärfe des Bildes wird dabei von vielen Kriterien bestimmt, z.B. von der Fokussierung und den Abbildungsfehlern des Objektivs. Am meisten wirkt sich aber die Bewegungsunschärfe aus, gegen die es nur ein einziges wirkliches »Gegenmittel« gibt, nämlich eine möglichst kurze Belichtungszeit. Je schneller das Fotoobjekt, desto kürzer muss logischerweise auch die Belichtungszeit sein.

Aber was ist schnell? Für den einen ist es schon ein Fahrradfahrer, für den anderen erst ein Rennwagen. Aus fotografischer Sicht kommt es aber gar nicht auf die absolute Geschwindigkeit des Objekts an, wichtig ist nur die Geschwindigkeit, mit der sich das Abbild des Fotoobjekts über den Sensor bewegt. Die Skizze rechts soll das verdeutlichen. Sie zeigt Objekte mit extrem unterschiedlichen Eigengeschwindigkeiten, aber gleicher Bildgeschwindigkeit. Ein Insekt, das in 30cm Abstand mit einer Geschwindigkeit von 1m/s vorbeifliegt, ist in der Bildebene genauso schnell wie ein Formel1-Wagen, der in dreißig Meter Entfernung mit 360km/h vorbeirast. Oder wie ein Düsenjet mit Schallgeschwindigkeit in 100m Entfernung. Man könnte auch sagen, alle Objekte haben dieselbe »Winkelgeschwindigkeit«, wobei sich der Ursprung im Objektiv befindet, etwa im Abstand der Brennweite vor dem Sensor. Damit wird auch klar, warum kurzbrennweitige Objektive weniger anfällig für Bewegungsunschärfe sind als langbrennweitige – ihre Bildgeschwindigkeit ist geringer.

Welche Belichtungszeit ist nun notwendig, damit das Bild auf dem Sensor trotz Bewegung scharf wird? Dazu muß zuerst festgelegt werden, was »scharf« ist. Ein gängiges Maß dafür ist der zulässige Durchmesser des Unschärfekreises, wie er z.B. bei der Bestimmung der Schärfentiefe herangezogen wird. Üblicherweise wird er mit 1/1500 der Bilddiagonale angenommen, bei einem APS-C-Sensor also D=0,018mm. Für ein scharfes Bild darf die Bewegungsunschärfe diesen Wert nicht überschreiten. Die Belichtungszeit t ergibt sich dann aus der einfachen Beziehung Zeit gleich Weg durch Geschwindigkeit, wobei als Weg der Durchmesser des Zerstreuungskreises D und v als Geschwindigkeit des Bildes eingesetzt wird. Damit anstelle der Hilfsgröße Bildgeschwindigkeit die reale Objektgeschwindigkeit v_obj eingegeben werden kann, muß sie mit dem Abbildungsmaßstab β multipliziert werden.
Vorausgesetzt, die Bewegung erfolgt rechtwinklig zur optischen Achse, berechnet sich die notwendige Belichtungszeit nach der rechts stehenden Gleichung.

Im Falle der Biene ergibt sich mit dem Abbildungsmaßstab β=1/5 (0,2) eine Belichtungszeit t=90µs oder 1/11000s. Dieselbe Zeit erhält man auch beim Flugzeug, das zwar 300mal schneller, aber auch 300mal weiter entfernt ist und deshalb 300mal kleiner abgebildet wird.

Der Blitz als unverzichtbares Hilfsmittel

Für solche kurzen Belichtungszeiten ist ein normaler mechanischer Schlitzverschluß nicht geeignet. Aber auch ein moderner elektronischer Verschluß, der vielleicht 1/16000s schafft, führt hier nicht weiter, weil auch der hellste Sonnenschein nicht hell genug für eine korrekte Belichtung ist. Das alternative Anheben der ISO-Empfindlichkeit würde die Bildqualität verschlechtern, ganz abgesehen davon, daß die erforderlichen Belichtungszeiten meist noch wesentlich kürzer sind. Deshalb führt am Blitz kein Weg vorbei.
Das Blitzgerät muß eine kurze Blitzzeit mit möglichst hoher Energie kombinieren – zwei Anforderungen, die nur schwer gleichzeitig zu erfüllen sind. Die früher oft eingesetzten Hochspannungs-Blitzgeräte besaßen kleine Blitzkondensatoren und kompensierten die geringe Kapazität mit einer hohen Spannung von mehreren Kilovolt. Diese Geräte besaßen eine sehr kurze Blitzzeit bei hoher Energie, sind aber aus Sicherheitsgründen nahezu »ausgestorben«. Moderne Geräte besitzen hochkapazitive Blitzkondensatoren bei niedriger Spannung, ihre Blitzzeit ist deshalb sehr lang. Auf kurze Blitzzeiten kommen sie durch schlichtes Abschalten des Stromes mittels eines elektronischen Schalters.
Damit können zwar im manuellen Teilleistungsmodus sehr kurze Blitzzeiten erreicht werden, allerdings auf Kosten der Blitzenergie. Nützlich ist deshalb ein Zoom-Reflektor, mit dem sich die Lichtstärke im Telemodus ein wenig erhöhen läßt. Automatikfunktionen wie TTL, iTTL oder ähnliche sind unnötig und werden im manuellen Betrieb ohnehin abgeschaltet. Eine evtl. vorhandene Stromsparautomatik muß auch ausgeschaltet werden, damit das Gerät im entscheidenden Moment seinen Betrieb nicht einstellt.
Viele ältere Geräte, die nicht mehr mit den neuen digitalen Kameras kompatibel sind, erfüllen diese Anforderungen immer noch sehr gut. Deshalb sind Blitzgeräte aus der »analogen« Zeit eine gute und meist auch preiswerte Wahl für die Highspeed-Fotografie.
Hier eine kleine Auswahl von getesteten Geräten (manueller Teilleistungsbetrieb, kürzeste Blitzzeit, t₅₀):

Hintergrundgestaltung

Das »ewige« Problem der Blitzbeleuchtung ist der schwarze Hintergrund, hervorgerufen durch die Divergenz der Lichtstrahlen einer Punktlichtquelle. Erhöht sich die Entfernung zur Lichtquelle um das Doppelte, vergrößert sich die beleuchtete Fläche auf das Vierfache. Die Beleuchtungsstärke E sinkt also mit dem Quadrat der Entfernung. Bei doppelter Entfernung sind es schon zwei Blenden Lichtverlust, bei der 2,8fachen Entfernung drei. Nur bei parallelem Licht wie dem der Sonne ist die Beleuchtungsstärke entfernungsunabhängig (wobei das Sonnenlicht natürlich auch divergent ist, wegen der großen Entfernung der Sonne aber praktisch parallel erscheint).
Wie kann man nun den schwarzen Hintergrund abschwächen oder ganz verhindern? Durch stärkere Blitzgeräte nicht, weil sich damit nichts am quadratischen Lichtabfall ändert. Geeignet wäre ein Aufhellblitz, der näher am Hintergrund steht, oder ein sog. Hintergrundkarton, der die Entfernung begrenzt. Beide Methoden beschränken sich aber auf stationäre Aufbauten, bei der Fotografie »aus der Hand« ist das kaum möglich. Hier entscheidet der Zufall, wie fast immer in der Highspeed-Fotografie. Eine dritte Möglichkeit wäre, das Licht so weit wie möglich zu parallelisieren, z.B. mit geeigneten Reflektoren.
Insgesamt tritt der schwarze Hintergrund aber nur dann voll in Erscheinung, wenn tatsächlich in ein »schwarzes Loch« geblitzt wird. Das ist relativ selten der Fall, bei den meisten Fotos ist ein Hintergrund vorhanden und die »Schwärze« fällt weniger dramatisch aus.

Für den Einsatz in der Fototechnik muß die Lichtschranke natürlich an die nachfolgende Schaltung angepaßt werden. Wer sich die Entwicklung einer speziellen Elektronik sparen will, kann auch zu fertigen Lösungen greifen. Hier wäre die deutsche Firma eltima electronic zu nennen, die mit den beiden Familien Joker2 und Jokie2 nahezu alle Einsatzgebiete abdeckt.
Das Lichtschrankensystem Joker2 kann bis zu drei Lichtschranken steuern, z.B. als Einfach- oder Kreuzlichtschranke und als Lichtgitter. Jokie2 ist eine universell einsetzbare Einzellichtschranke im Mini-Format. Mittlerweile werden die Lichtschranken durch viele Zusatzsysteme ergänzt.

Eine Alternative wäre die US-amerikanische Firma Cognisys Inc., die gemäß ihrem Motto »Capture the Hidden World« ein sehr großes Angebot für die ausgefallenen Bereiche der Fotografie besitzt. Darunter auch einen speziellen Verschluß für die Highspeed-Fotografie mit der recht kurzen Verzögerungszeit von 5,8ms sowie ein komplettes »Insect-Rig«.

Das leidige Verschluß-Problem

1988 wurde die Nikon F4 vorgestellt, damals die schnellste Profikamera auf dem Markt. Sie besaß eine Auslöseverzögerung von 43ms, das heißt, diese Zeit verging vom Druck auf den Auslöser (oder einem Signal am Fernauslösereingang) bis zur vollen Öffnung des Verschlusses. Ein Insekt, das mit der Geschwindigkeit von 1m/s durch die Lichtschranke fliegt, wäre also schon 4,3cm weitergeflogen und hätte das Bildfeld verlassen, bevor der Blitz aufleuchtet.
Seitdem hat sich die Fototechnik revolutioniert, aber bezüglich der Auslöseverzögerung hat sich so gut wie nichts getan. Auch heute, 30 Jahre nach der F4, sind selbst bei modernsten DSLRs »Totzeiten« im Bereich von 30-50ms ganz normal. Warum sich die Kamera so viel Zeit läßt, gerade auch im manuellen Modus, in dem nichts berechnet wird, bleibt das Geheimnis der Kameraentwickler. Auf jeden Fall bedeutet eine derartige Verzögerung das »Aus« für den Einsatz bei vielen fliegenden Objekten, denn die schnellste Lichtschranke nützt nichts, wenn sie in der Langsamkeit der Kamera untergeht.
In speziellen Situationen helfen zwei Methoden, mit dieser Verzögerung umzugehen. Das ist einmal die Offenblitztechnik, bei der der Verschluß vor der Aufnahme geöffnet wird und die Lichtschranke nur den Blitz auslöst. Das setzt aber völlige Dunkelheit voraus. Die andere Methode ist der Vorhalt, bei dem der Fokuspunkt um eine gewisse Distanz in Richtung der Bewegung verschoben wird. Das funktioniert bei einer relativ gleichförmigen Bewegung mit einer bekannten (und konstanten) Geschwindigkeit; bei den völlig unvorhersehbaren Flugbahnen von Insekten oder kleinen Vögeln ist der Vorhalt aber illusorisch. Hier muß die Latenzzeit von vornherein so gering wie möglich sein.

Weil ein Eingriff in die Elektronik der Kamera nicht möglich ist, bleibt als Ausweg nur, den langsamen Schlitzverschluß komplett stillzulegen und durch einen schnelleren zu ersetzen. Das ist in der Regel ein Zentralverschluß, der vor dem Objektiv oder zwischen Kamera und Objektiv angeordnet wird. Übliche Zentralverschlüsse kommen aber meist aus der Großformatfotografie und sind von Haus aus weder besonders schnell noch elektrisch auslösbar, sie müssen mit viel Aufwand erst an den beabsichtigten Zweck angepaßt werden. Dann sind Auslöseverzögerungen von weniger als 10ms erreichbar, also eine Verbesserung um den Faktor 5-10.

Ein echter Durchbruch in der Verschlußtechnik gelang aber bereits 1976 der deutschen Firma Rollei mit der Vorstellung der Rolleiflex SLX. Diese vollelektronische Mittelformat-Kamera war ihrer Zeit um ein Jahrzehnt voraus, wobei sich das größte Highlight im Objektiv versteckte – der Hochleistungs-Zentralverschluß. Sein Prinzip war denkbar einfach – eine Spule, die auf einem extrastarken Permanentmagneten verschiebbar angeordnet ist. Je nach Stromfluß bewegt sie sich in die eine oder andere Richtung und öffnet bzw. schließt dabei die Verschlußlamellen. Daher auch die Bezeichnung Linearantrieb.
Schon in der ersten Ausführung PQ (Professional Quality) erreichte der Verschluß eine kürzeste Belichtungszeit von 1/500s. Kaum weniger revolutionär war aber die extrem schnelle Ansprechzeit von 4ms bis zur vollen Öffnung. Etwa 15 Jahre später erschien eine weiterentwickelte Version, die PQS genannt wurde (Professional Quality Speed). Seine Verschlußlamellen bestanden aus hauchdünnen Karbonplättchen, die dank ihrer geringen Masse extrem beschleunigt werden konnten. Dafür sorgte der Linearantrieb, der über 100W »auf die Spule« brachte. Im Ergebnis halbierte sich die kürzeste Belichtungszeit auf 1/1000s und die Ansprechzeit auf 2ms. Damit war der PQS-Verschluß weltweit der schnellste Zentralverschluß, der in »normalen« Kameras eingesetzt wurde. Ein weiterer Vorteil neben der enormen Geschwindigkeit war die vollautomatische Arbeitsweise. Der Verschluß muß weder manuell gespannt noch ausgelöst werden, alles funktioniert elektrisch/elektronisch per µC.
Erstaunlicherweise war dieser HighTech-Verschluß kein besonderes Thema in der Rollei-Werbung, obwohl man sich gerade damit von allen anderen Herstellern abhob. Trotzdem gab es Fotografen, die das enorme Potential dieser Technik sehr frühzeitig erkannten und ausnutzten, z.B. Fritz Rauschenbach. Mit der Rolleiflex 6008, einer Lichtschranke und mehreren Kurzzeitblitzgeräten gelangen ihm Fotos von fliegenden Insekten und springenden Fröschen, die sich in nichts von denen Stephen Daltons unterschieden. 

Mittlerweile ist der PQS-Verschluß nicht mehr der einzige elektrisch/elektronisch gesteuerte Zen­tralverschluß. Die US-amerikanische Firma Cognisys hat einen eigenen Verschluß entwickelt, der mit 5,5ms Ansprechzeit aber eher mit dem PQ-Verschluß zu vergleichen ist. Mit dem VS14 bietet die amerikanische Firma Uniblitz einen Verschluß an, der ebenfalls auf 1ms Offnungszeit kommt, aber nur 14mm freien Durchmesser besitzt.   

Die Herausforderung – ein PQS-Objektiv an einer DSLR

Die oben beschriebene Anlage ist mit ihrem fixierten Abbildungsmaßstab von ca. 0,45 hervorragend geeignet für kleine Insekten. Schon bei größeren Schmetterlingen kommt sie aber an ihre Grenzen, denn ein Objekt, das breiter als 6cm ist, »füllt« den APS-C-Sensor bereits völlig aus. 
Eine Scharfstellung auf größere Distanzen wird durch die Auszugsverlängerung des Verschlusses verhindert. Hier hätte eine spiegellose Kamera durch ihr viel kleineres Auflagemaß zwar Vorteile, aber ein Großteil des gewonnenen Raumes würde durch einen Schneckentrieb wieder aufgebraucht.

Die bessere Lösung ist deshalb ein Original-Objektiv mit eingebautem Zentralverschluß, das sich von Haus aus bis unendlich fokussieren läßt. Solche Objektive sind von Rollei, Zeiss und Schneider in vielen Brennweiten erhältlich. Der Nachteil ist, daß sie groß, schwer und meist sehr teuer sind. Da es auch keinen fertigen Adapter PQS-auf-Nikon/Canon/Sony usw. gibt, bleibt wieder nur der Selbstbau.
Wie dick der Adapter werden muß, läßt sich leicht berechnen: Auflagemaß Rollei minus Auflagemaß Nikon. Unglücklicherweise besitzt Nikon eines der größten Auflagemaße, so daß der Nikon-Adapter besonders flach ausfällt. In der Realität 74,95mm-46,5mm=28,45mm. Damit kann dann bis Unendlich fokussiert werden. Natürlich dürfte es eher selten vorkommen, daß die Lichtschranke einen Kilometer entfernt steht, praktisch sollte deshalb eine Scharfstellung von 5-10m reichen. Aber hier ging es ums Prinzip.

Praktisch muß das PQS-Objektiv mit einem Nikon-Bajonett verheiratet werden, wobei der o.g. Abstand zwischen den Auflageflächen eingehalten werden muß. Die »einfache« Lösung ist, den Adapter zu verwenden, den Rollei speziell für seine Studiokamera XAct hergestellt hat. Aber der ist kaum noch zu bekommen. Statt dieses Adapters, bei dem die Bajonettkontakte schon über ein Kabel nach außen geführt wurden, kann auch ein PQS-Zwischenring zweckentfremdet werden, was allerdings eine erhebliche Arbeit bedeutet. Bleibt als letztes noch der Rollei-Umkehradapter, der nur selten für viel Geld zu erhalten ist. Insgesamt ein sehr hoher Aufwand, sowohl konstruktiv als auch mechanisch. Und finanziell sowieso, denn bei der PQS-Technik ist alles teuer.

Die Ansteuerelektronik muß sich diesmal aber nicht nur um den Verschluß kümmern,  sondern auch um die Blende. Die notwendige Powerstufe wurde in weiser Voraussicht schon auf der Rückseite der Elektronik für die tragbare Lichtschranke vorgesehen, so daß nur die Bauteile nachbestückt und die Software erweitert werden mußte.

Als Ergebnis erhält man einen Adapter, der »gerade so« noch an die Kamera paßt. Er könnte nun mit jedem Original-PQ/PQS-Objektiv bestückt werden, wie z.B. dem Zeiss Makro-Planar 4/120 HFT PQS, eines der erstrebenswertesten »Schätzchen«. Per Schneckentrieb kann es von 0,8m bis unendlich fokussiert werden und eignet sich damit nicht nur für Insekten, sondern auch für Vögel und Fledermäuse. Mittels Auszugsverlängerung kann es bis ABM 2:1 verwendet werden. Damit geht natürlich das Fokussieren bis Unendlich verloren, aber man kann nicht alles haben.

Eine ganz andere Variante wäre, den Zentralverschluß nicht zwischen Objektiv und Kamera anzuordnen, sondern vor dem Objektiv. Damit kann jedes Systemobjektiv an die Kamera angesetzt werden, das wie ein echtes PQS-Objektiv auf jede Entfernung fokussiert werden kann. Je größer aber die Frontlinse bzw. der Sensor, desto größer auch die Gefahr von Vignettierungen. Bei der Anordnung im Bild rechts befindet sich der Verschluß mit seiner lichten Öffnung von 24mm vor der Frontlinse eines AF Micro-Nikkor 200mm 1:4 D mit ca. 50mm Durchmesser. Mit dem DX-Sensor der D7000 treten aber noch keine störenden Abschattungen in den Ecken auf. 
Kurze Brennweiten eignen sich im Makrobereich u. U. weniger, weil der Abstand zwischen Verschluß-Vorderseite und dem Objekt je nach Abbildungsmaßstab zu klein werden kann.