Blooming

Brennspiegel

Hier zischt nichts, auch wenn die Sonne ein Loch durch das kahle Geäst brennt und sich alles im Wasser abspie(ge)lt. Diese Täuschung kommt dadurch zustande, dass durch den großen Intensitätsunterschied zwischen dem von der Sonne und den umgebenden Objekten ausgehenden Licht unser visuelles System physiologisch und die Kamera technisch überfordert sind eine perfekte Abbildung zu realisieren: Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass gleich auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren (Irradiation). Dadurch entsteht dann der Eindruck, dass es auch an der entsprechenden Stelle des Netzhautbildes noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Interessanterweise führt das zu entsprechenden Wirkungen bei der Kamera (Blooming) mit der Folge, dass das Foto in etwa dasselbe zeigt, was auch das Auge sieht.

Eine Lektion der Kirschen…

Eine schöne pralle Kirsche ist wie ein Wölbspiegel, wenn man nicht allzu große Ansprüche an die Wiedergabequalität stellt. Mit etwas gutem Willen sieht man zumindest schemenhaft sein eigenes Gesicht gespiegelt (rechte Kirsche auf dem Foto).
Die Oberfläche der Kirsche reflektiert das auftreffende Sonnenlicht sowohl diffus als auch spiegelnd. Aufgrund der diffusen Reflexion, die durch Absorption des weißen Lichts und Emission des roten Anteils zustande kommt, erhält die Kirsche ihre charakteristische Farbe. Ein Teil des auftreffenden Lichts dringt jedoch gar nicht so tief in die Kirsche ein. Es wird an der glatten Oberfläche spiegelnd reflektiert. Auch wenn der Anteil des  spiegelnd reflektieren Lichts so gering ist, dass es die Gegenstände, von denen das Licht ausgeht, nur schwer zu erkennen sind, machen sie den Glanz der Kirsche aus.
Blickt man aus einem Winkelbereich auf die Kirsche, aus dem das Licht der Sonne von ihr spiegelnd ins Auge des Betrachters reflektiert wird, kann das diffus reflektierte rote Licht völlig überstrahlt werden (siehe oberer Teil der linken Kirsche). Es entsteht der kugeligen Form der Kirsche entsprechend ein fast kreisförmiger weißer Fleck dessen Ränder allmählich ins typische Rot der Kirsche übergehen. Aber nicht nur das Rot wird hier ausgelöscht. Selbst der grüne Stängel der linken Kirsche erscheint weiß. Auch unterhalb der linken Kirsche ist ein weißer Fleck auf dem grünen Blatt zu erkennen, der ebenfalls der spiegelnden Überstrahlung zu verdanken ist.
Normalerweise werden die Grenzen zwischen den Bildern verschiedener Objekte auf der Netzhaut deren unterschiedlichen Farb- und Helligkeitseindrücken entsprechend gezogen. Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren aber über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass gleich auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren. Dadurch entsteht dann der Eindruck, dass es auch an der entsprechenden Stelle des Netzhautbildes noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Wie die Abbildungen zeigen, treten ähnliche Überstrahlungen des intensiv belichteten Bereichs auch auf dem Foto auf.
Auf der rechten Kirsche sieht man ebenfalls einige helle Flecken. Sie sind jedoch von geringerer Intensität und haben einen schwach bläulichen Schimmer. Dafür sind Partien des durch die Blätter des Kirschbaumes hindurch leuchtenden blauen Himmels verantwortlich, die gerade so orientiert sind, dass ihr Licht zum Beobachter hin reflektiert wird.
Die Überstrahlung der diffusen Reflexion des roten Kirschenlichts durch die spiegelnde Reflexion darf nicht dahingehend missverstanden werden, dass die diffuse Reflexion unterbunden wird. Sie nimmt ebenfalls mit der Intensität des einfallenden Sonnenlichtes zu. Das kann man zum Beispiel daran erkennen, dass die Kirsche in den Bereichen intensiv rot erscheint, aus denen kein spiegelnd reflektiertes Sonnenlicht kommt.  Die Intensität des diffus reflektierten roten Lichts ist sogar so groß, dass die Kirsche wie eine kleine rote Laterne wirkt. Auf diese Weise werden die in der Nähe der Kirsche befindlichen grünen Blätter nicht nur von der Sonne und dem Himmel, sondern auch von der leuchtenden Kirsche angestrahlt. An einer Stelle sieht man daher das grüne Blatt rot schimmern, weil es zufällig günstig zum Beobachter hin orientiert ist. Würde dieser seinen Blickwinkel ändern, sähe vielleicht eine andere Stelle rot gefärbt aus.
Neben den Farben rot und grün ist auch noch das durch die Lücken zwischen den Blättern hindurchschimmernde Licht des blauen Himmels zu sehen.

Rätselfoto des Monats Juli 2021

Was hält die Burg zusammen?

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Die Sonne brennt sich durch das Geäst

Nur im Winter sehe ich von unserem Haus aus die Sonne an dieser Stelle. Denn nur im Winter lassen die im Sommer dicht belaubten Bäume die Sonne hindurch. Und wie sie die Sonne durchlassen! Selbst da, wo die Bäume die Sonne streifenweise verdecken sollten, ist es sonnenhell. Die Sonne brennt sich gewissermaßen einen Weg durch das Holz, auch wenn dieses dadurch nicht verbrennt.
Grund ist ein physiologischer bzw. auf dem Foto ein aufnahmetechnischer Effekt. Physiologisch spricht man von Irradiation. Die Bezeichnung dieser Täuschung des Gesichtssinns stammt von Hermann von Helmholtz, der das Phänomen auf die Streuung von Licht im Auge zurückführt, wodurch eine helle Lichtquelle im Gesichtsfeld  einen größeren Bereich auf der Netzhaut reizen kann als eine ansonsten gleiche, aber dunklere Lichtquelle.
Man beobachtet die Irradiation besonders auffällig bei dunkler Nacht an der Lichtgestalt der Mondsichel, welche einer Scheibe von größerem Halbmesser anzugehören scheint als der Rest des Mondes.
Die Ursache dafür, dass die Kamera einen ähnlichen Eindruck wie den der Irradiation vermittelt,  liegt daran, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) des Sensors nur eine begrenzte durch das einfallende Licht hervorgerufene elektrische Ladung aufnehmen können. Bei zu starker Belichtung eines Bildelements wird die überschüssige Ladung an Nachbarelemente abgegeben, die dann so aussehen, als wären sie direkt erhellt worden. Je nach der Beleuchtungsstärke können diese Elemente ihrerseits die Ladung weitergeben usw. wodurch insgesamt der sogenannte „Blooming-Effekt“ hervorgerufen wird.

Ein Flur als Lichtleiter

In einem Flur der naturwissenschaftlichen Fakultät einer altehrwürdigen Universität schoss es mir plötzlich durch den Kopf, ich befände mich im Innern eines Lichtleiters. Der Teil des Gebäudes entpuppte sich als überdimensionales Modell eines durch die moderne physikalische Technik hervorgebrachten elektronischen Bauteils.
Das durch eine Tür eingekoppelte Licht wurde auf dem glatten Boden zur ebenfalls spiegelglatten Decke reflektiert und von dort wieder zurück auf den Boden. Aber da stand ich und wurde von dem Lichtstrom geblendet. Ich musste mich etwas außerhalb des hauptsächlichen Lichtstroms stellen, damit die Chips meiner Kamera nicht zu stark überbelichtet würden und dieses Foto gelingen konnte. Weiterlesen →

Im Jahr des Lichts (28) – Die Kerzenflamme und ihre Spiegelbilder

Auch am 3. Advent widmen wir uns einer Kerzenflamme. Eine Kerze brennt in einem rotgetönten Glas. Mehrere „Flammen“ zeugen davon auf mehr oder weniger direkte Weise. Obwohl man die weiße Kerze und die Originalflamme durch das Glas hindurch sehen kann, schauen sie durch das getönte Glas betrachtet unterschiedlich verändert aus. Die Kerze hat einen rötlichen Teint angenommen, die Flamme ist nach wie vor weiß. Ist sie dann noch original oder nur noch originell? Ich würde sagen, originell, denn auch das Licht der Flamme wurde durch das Glas gefiltert. Grund für die scheinbare Wirkungslosigkeit des Rotfilters ist ein Wahrnehmungseffekt, der mutatis mutandis auch für die Kamera gilt. Die Originalflamme ist vergleichsweise intensiv. Da sich die Pupillen- bzw. die Blendenöffnung der Kamera nicht nur auf die helle Flamme, sondern auch auf die wesentlich dunkleren Gegenstände in der Umgebung einstellt, werden die Rezeptoren so stark angeregt, dass die vergleichsweise schwache Rottönung des Glases im Vergleich zum dominierenden Weiß der brennenden Flamme keinen merklichen Einfluss mehr hat auf die Farbwahrnehmung (Irradiation, Blooming). Man erkennt auch im Vergleich zur gespiegelten weißen Flamme, dass jede Strukturierung in Form von dunkleren Partien überstrahlt wird. Beim wesentlich schwächeren Streulicht der Kerze macht sich hingegen die Rotfilterfunktion des Glases deutlich bemerkbar. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Dezember 2014

Woher kommt das Rot?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Kunstwerke durch Kontaktarmut

Der Mond übertreibt

Wenn man den jungen Mond betrachtet und auch noch das Glück hat, das aschfahle Licht zu sehen, hat man oft den Eindruck, dass die schmale Sichel, also der direkt von der Sonne beschienene Teil des Monds mit sehr grobem Strich gezeichnet ist und über den Rand eines runden Gebildes hinwegreicht. Dieser Eindruck ist eine optische Täuschung, der nicht nur unser visuelles Wahrnehmungssystem, sondern auch die fotografische Technik erliegt.
Normalerweise werden die gesehenen Gegenstände den Gesetzen der geometrischen Optik entsprechend auf der Netzhaut des Auges farb- und helligkeitsgetreu abgebildet. Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren aber gegebenenfalls über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren. Dadurch entsteht der Eindruck, dass es auch dort noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Dieser physiologische Effekt wird auch als Überstrahlung oder Irradiation (Hermann von Helmholtz) bezeichnet. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats August 2014

Was gibt es physikalisch Interessantes zu sehen und wie kommt es zustande?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Der Blick durch ein Flugzeugfenster