Grundlagen der fotografischen Sensitometrie

Grundlagen der Sensitometrie

Die Sensitometrie ist die Lehre und Messung der Eigenschaften eines fotografischen Films. Diese Eigenschaften werden in numerischer und grafischer Form dargestellt, um zu beschreiben, wie der Film auf Lichtmenge, Beleuchtungsart, Belichtungsgrad, Entwicklertyp und Entwicklungsgrad reagiert. All diese Faktoren spielen zusammen. Die sensitometrische Methode besteht aus den folgenden Schritten:

1. Belichtung der Emulsion mit einer kontrollierten Belichtungsreihe (mithilfe eines Geräts namens Sensitometer), um im Film eine Serie von Belichtungen mit abnehmender Intensität zu erzeugen.
2. Verarbeitung der Emulsion nach den gewünschten Vorgaben unter standardisierten Bedingungen. Dies erzeugt eine Graustufenskala, die als sensitometrischer Keil oder Streifen bezeichnet wird, bei dem die Dichte um einen konstanten Faktor zunimmt.
3. Messung der erreichten Dichte oder Schwärzung (mithilfe eines Geräts namens Densitometer).

Transparenz, Opazität und Dichte

Die Dichte eines Materials an einem Punkt wird gemessen, indem man Licht darauf richtet und misst, wie viel davon durchgelassen wird. Um dies zu verstehen, werden die folgenden Begriffe in Bezug auf das Bild auf einem fotografischen Film erklärt:

• Transparenz (T) ist das Verhältnis zwischen dem durchgelassenen Licht (Lt) und dem einfallenden Licht (Li). Die Formel lautet: T = Lt / Li. Der maximale Wert ist 1 und der minimale Wert ist 0. Sie wird in der Regel in Prozent angegeben.
• Opazität (O) ist der Kehrwert der Transparenz und drückt die Lichtmenge aus, die vom Bild absorbiert wird. Die Formel lautet: O = 1 / T = Li / Lt. Der minimale Wert ist 1 (die maximale Opazität eines Bildmaterials kann einen Wert von etwa 10.000 erreichen).
• Dichte (D) ist der Logarithmus zur Basis 10 der Opazität. Die Formel lautet: D = log₁₀(O). Logarithmische Werte werden verwendet, um die Arbeit mit den großen Zahlen der Opazität handhabbar zu machen. Bei einer arithmetischen Skala müsste man mit Differenzen von Zehntausenden arbeiten.

Die Rolle des Logarithmus

In der Mathematik ist der Logarithmus eine Methode, um eine Zahl zu reduzieren und sie in eine andere, kleinere umzuwandeln, wobei die Reduzierung umso größer ist, je größer die Zahl ist. Er ist definiert als der Exponent, mit dem eine Basis potenziert werden muss, um die gegebene Zahl zu erhalten: logₐ(x) = b bedeutet aᵇ = x. Der in der Sensitometrie am häufigsten verwendete Logarithmuswert ist 0,3, da dies der Logarithmus von 2 ist (was dem Logarithmus einer Blendenstufe entspricht). Zum Beispiel beträgt der Belichtungsunterschied von einer Blendenstufe (doppelte Lichtmenge) in Logarithmen ausgedrückt 0,3 (log(2) ≈ 0,3). Ein Unterschied von 7 Blendenstufen (128-mal mehr Licht) entspricht 2,1 (log(128) ≈ 2,1). Die minimal mögliche Dichte ist 0, was dem Logarithmus von 1 (der geringstmöglichen Opazität) entspricht. Ein Material kann niemals eine Dichte von weniger als 0 haben.

Die Kennlinie eines Films

Die Kennlinie ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Belichtung (Exposition) und der daraus resultierenden Dichte eines Materials nach der Entwicklung darstellt. Auf der horizontalen Achse werden die Belichtungswerte (in logarithmischer Form) aufgetragen, die der Film erhalten hat, und auf der vertikalen Achse die vom Densitometer gemessenen Dichtewerte. Bei Farbfilmen werden drei Kurven für die drei Grundfarben dargestellt, um die Farbergebnisse zu vergleichen.

Die Kennlinie hat eine typische S-Form und besteht aus drei Teilen: dem Fuß, dem geraden Teil und der Schulter. Diese Form entsteht, weil arithmetische Daten logarithmisch komprimiert werden und der Film sehr dunkle und sehr helle Bereiche nicht auf die gleiche Weise wiedergibt wie die Mitteltöne. Die Fähigkeit des Films, Details in extrem dunklen Motivbereichen aufzuzeichnen, wird als Schattendurchzeichnung bezeichnet und im Fuß der Kurve dargestellt. Seine Fähigkeit, Details in hellen Motivbereichen aufzuzeichnen, nennt man Lichterzeichnung und wird durch die Schulter der Kurve ausgedrückt. Aus der Kennlinie können viele nützliche Informationen über die Emulsion extrahiert werden, von denen die folgenden Begriffe vereinfacht hervorgehoben werden.

Auswertung der Kennlinie

Filmempfindlichkeit

Der Wert der Filmempfindlichkeit (Exposure Index) ist ein bei der Herstellung festgelegter Faktor, der das Verhältnis zwischen dem Belichtungsgrad und dem resultierenden Effekt ausdrückt. Sie ist einer der Faktoren zur Bestimmung der Belichtung und kann als Kehrwert der für eine bestimmte Dichte erforderlichen Belichtung definiert werden. Je höher die Empfindlichkeit, desto weniger Licht und/oder eine kürzere Belichtungszeit wird benötigt. Zur Bestimmung der Filmempfindlichkeit gelten heute die internationalen ISO-Normen. Die ISO-Norm vereint die beiden am weitesten verbreiteten Skalen:

• Das ASA-System (amerikanisch) verwendet eine arithmetische Skala (z. B. 12, 25, 50, 100, 200, 400). Eine Verdopplung der Zahl bedeutet eine Verdopplung der Empfindlichkeit.
• Das DIN-System (deutsch) basiert auf einer logarithmischen Skala, bei der eine Erhöhung um 3 die Empfindlichkeit verdoppelt (z. B. 12°, 15°, 18°, 21°, 24°, 27°).

Somit entspricht 100 ASA = 21° DIN, was als ISO 100/21° angegeben wird. Die Filmempfindlichkeit hängt mit der Größe der Silberhalogenidkristalle (dem Korn) zusammen: empfindlichere Filme haben in der Regel ein größeres Korn. In der Fotografie basiert die Belichtung auf dem Faktor 2. Eine Änderung der Kameraeinstellungen um einen vollen Blendenwert (z. B. von 100 ASA auf 200 ASA) halbiert oder verdoppelt die Lichtmenge.

Kontrast und Belichtungsspielraum

Der Belichtungsspielraum (Latitude) ist der Bereich der Belichtungsänderungen, der vorgenommen werden kann, ohne die Bildqualität wesentlich zu beeinträchtigen. Er gibt die Fehlertoleranz bei der Belichtung an, innerhalb derer noch korrekte Ergebnisse erzielt werden können. Der sensitometrische Kontrast ist der Unterschied zwischen der maximalen und minimalen Dichte im Bereich der korrekten Belichtung, also im geraden Abschnitt der Kurve (der Tonwertumfang). Allgemein gilt: Je steiler die Kennlinie, desto höher der Kontrast und desto geringer der Belichtungsspielraum. Der Entwicklungsgrad, insbesondere die Entwicklungszeit, beeinflusst die Steilheit der Kurve. Daher zeigt der Kontrast eines Bildes die kombinierte Wirkung der Emulsionseigenschaften und des Entwicklungsgrades.

Gamma-Wert

Um den Kontrast zu messen, wird unter anderem der Gamma-Wert (γ) der Emulsion verwendet. Der Gamma-Wert wird durch den trigonometrischen Tangens des Winkels gemessen, den der gerade Abschnitt der Kennlinie mit der logarithmischen Belichtungsachse (der horizontalen Achse) bildet. Je höher der Kontrast des Negativs, desto größer ist der Gamma-Wert und umgekehrt.