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Betrachtungen zur Vignettierung

Nightshot

Moderator
Teammitglied
Themenersteller
Macht man Mosaike oder Panoramabilder ist die Vignettierung oft eine unangenehme Begleiterscheinung, die zu unschönen Helligkeitsschwankungen im Himmel führt. Dies war nun Anlass für mich ein paar Betrachtungen zur Vignettierung anzustellen. Es sind keine bahnbrechenden Erkenntnisse, aber ich glaube in diesem Zusammenhang hat man es noch nicht gesehen.

Testobjektiv war das Canon 50/1,4 an der 5D. Ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Blatt Papier wurde bei Fokuseinstellung unendlich und konstanter Belichtungszeit mit unterschiedlichen Blenden aufgenommen (jpg und Bildstil Standard). Mit einem selbst gebastelten Programm hab ich dann den Helligkeitsverlauf von der Bildmitte in eine Ecke extrahiert und in ein Diagramm gesteckt. Das Ergebnis seht ihr in Bild 1.
Da ich in der Bildmitte die Helligkeit habe und die Blende bekannt ist, kann ich als „Abfallprodukt“ aus diesem Diagramm die Transferfunktion Blende -> Helligkeitswert ermitteln (Bild 2). Es ergibt sich ein Ausschnitt aus dem Diagramm, das einem auf dpreview als Dynamikumfang verkauft wird.
Bildet man von der Transferfunktion die Umkehrfunktion, so kann man aus Bild 1 die Helligkeitswerte in echte Blendenstufen umrechnen und ist somit am Ziel angelangt (Bild 3).

Jetzt geht es ans interpretieren. Das Objektiv vignettiert in der Ecke 2,3 Blendenstufen. Ein Abblenden reduziert zwar den Helligkeitsabfall von der Bildmitte zum Bildrand, die Ecke wird absolut gesehen dadurch aber nicht heller. Ist auch nicht weiter verwunderlich, denn man blendet Licht aus dem Strahlengang aus, wie soll die Ecke nun plötzlich mehr Photonen abbekommen? Mit anderen Worten, vignettiert ein Objektiv bei Offenblende um 2 Blenden, so kann die Vignettierung frühestens zwei Stufen abgeblendet verschwunden sein. In Realität wird sogar weiteres Abblenden erforderlich sein. Die Ursachen für Vignettierung hat Mi67 kürzlich wunderbar zusammengefasst:

Mi67 schrieb:
3 Komponenten der Vignettierung spielen hierbei eine Rolle:

1. Natürliche Vignettierung: die cos-4 Regel besagt, dass für Licht, welches vom Rand des Bildfeldes in die Optik eintritt, eine verringerte Blenden-Durchtrittsfläche zur Verfügung steht. Schau mal aus einem Winkel, welcher dem Bildeck entspricht von vorne durch ein 50/1.4. Welche Form hat nun die Blende? Ist noch ein runder Lichtdurchtritt zu sehen?

2. Künstliche Vignettierung durch rationale Dimensionierung des Tubus. Würden alle Linsenquerschnitte so groß gewählt werden, dass kein Licht an den Linsenrändern verloren ginge, dann wäre ein 50/1.4 a) kaum mehr konstruierbar, b) sehr groß und schwer und c) deutlich teurer.

3. Vignettierung am Sensor-Mikrolinsendesign. Normalobjektive sind bei f/1.4 mit die lichtstärksten KB-Optiken. Die haben einen großen Öffnungswinkel des zum Sensorpixel hin konvergierenden Strahlenbüschels. Zudem liegt die Austrittspupille des 50/1.4 ungünstig nahe am Sensor. Die fehlende Telezentrizität und der große Winkel des Strahlenbüschels führen dazu, dass teile des Lichtes, welches in ein Pixel im Bildeck eindringen soll, von der Mikrolinse nicht mehr in die aktive Zone des Pixels gesammelt werden kann oder dass das Licht an der Sensoroberfläche immer noch in einem Winkel eintrifft, bei dem ein Teil des Lichtes nicht eindringen kann, sondern reflektiert wird.

Die am Objektiv eingestellte Blende gilt für die Bildmitte, zum Rand hin nimmt die effektive Blende ab. Jetzt kann man die Helligkeit über das ganze Bild mitteln und der so bestimmten mittleren Helligkeit eine effektive Gesamtblende zuordnen, die kleiner als die Normblende ist. Man hat sich damit ein Maß für die Photonendetektionsfähigkeit geschaffen. Ich hab das mal für die beiden Canon 85/1,2 und 85/1,8 gemacht (Bild 4). Jetzt kann man eine auf den ersten Blick unsinnige Aussage treffen wie: Das 1,2er ist bei Blende 2,0 um 0,25 Blenden lichtstärker als das 1,8er. Vergleicht man beide bei 1,8 so sind es sogar 0,35 Blendenstufen.

Ich hoffe nun, euch nicht zu sehr gelangweilt zu haben...
 

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Sachen gibts (y)
Da packe ich doch mal die Weisheiten aus den 30 Jahre alten Fotobüchern aus: 2 Blendenstufen abblenden verhilft zu bester Bildqualität. Scheint nicht ganz so falsch zu sein. :D

Grüße

TORN
 
Wow. Nach längerem Studium und ansatzweisem Verständnis - und dem Verzicht, darüber nachzudenken, wieviel Zeit und Mühe dies gekostet haben mag - hab ich da noch 'ne Frage:
- auf welche Objektive beziehen sich Abb 1 & 3
- bildet der Helligkeitswert irgendein normiertes Mass ab, oder sind dies 'Nightshot-Units'
- hast Du Dir mal den Spass gemacht, auszurechnen, ab welcher Blende der gleiche relative Helligkeitsabfall von der Bildmitte zum Rand bei einem Crop-Sensor eher erreicht ist als bei der 5D bei, z.B. Blende 8?

Viele Grüße:cool:
 
Sehr schöne und verständlcihe Erläuterung, ich tacker sie gleich mal oben fest.
 
- auf welche Objektive beziehen sich Abb 1 & 3
Die Abbildungen beruhen auf dem Canon 50/1,4.
- bildet der Helligkeitswert irgendein normiertes Mass ab, oder sind dies 'Nightshot-Units'
Diese Helligkeitswerte sind schlicht die 8bit Werte, die ich aus den Bildern ausgelesen habe. Es sind die gleichen Werte von 0 bis 255, die man beispielsweise auch im Photoshop angezeigt bekommt, wenn man mit der Pipette Farben aufnimmt. Hätte ich einen andern ISO Wert gewählt oder eine andere Belichtungszeit oder eine weitere Lampe angemacht, so hätten sich andere Helligkeitswerte ergeben. Daher habe ich die Umrechnung in Blendenstufen vorgenommen (Bild 3). Das ist nun unabhängig von den genannten äußeren Umständen.
- hast Du Dir mal den Spass gemacht, auszurechnen, ab welcher Blende der gleiche relative Helligkeitsabfall von der Bildmitte zum Rand bei einem Crop-Sensor eher erreicht ist als bei der 5D bei, z.B. Blende 8?
Der Vergleich ist so direkt nicht zu machen, da sich die Profile nicht ineinander skalieren lassen. Man kann aber aus den Diagrammen leicht den Crop ablesen. Der 1,6 Crop Sensor reicht nicht bis 22mm, sondern endet bereits bei ca. 14mm. Also einfach bei 14mm abschneiden und schon hast du ein Crop Diagramm.
 
Testobjektiv war das Canon 50/1,4 an der 5D. Ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Blatt Papier wurde bei Fokuseinstellung unendlich und konstanter Belichtungszeit mit unterschiedlichen Blenden aufgenommen (jpg und Bildstil Standard). Mit einem selbst gebastelten Programm hab ich dann den Helligkeitsverlauf von der Bildmitte in eine Ecke extrahiert und in ein Diagramm gesteckt.

...
Bildet man von der Transferfunktion die Umkehrfunktion, so kann man aus Bild 1 die Helligkeitswerte in echte Blendenstufen umrechnen und ist somit am Ziel angelangt (Bild 3).
Fein gemacht! Wenn Du die Umkehrfunktion in Abb. 3 noch auf die Helligkeit im Bildzentrum normierst, dann wird der "echte Bildhöhen-abhängige Helligkeitsabfall" in Blendenstufen direkt ablesbar. Wenn das 50/1.4 über 3 Blenden vignettiert hätte, dann wäreich auch wirklich sehr verwundert gewesen.

Die am Objektiv eingestellte Blende gilt für die Bildmitte, zum Rand hin nimmt die effektive Blende ab. Jetzt kann man die Helligkeit über das ganze Bild mitteln und der so bestimmten mittleren Helligkeit eine effektive Gesamtblende zuordnen, die kleiner als die Normblende ist. Man hat sich damit ein Maß für die Photonendetektionsfähigkeit geschaffen. Ich hab das mal für die beiden Canon 85/1,2 und 85/1,8 gemacht (Bild 4). Jetzt kann man eine auf den ersten Blick unsinnige Aussage treffen wie: Das 1,2er ist bei Blende 2,0 um 0,25 Blenden lichtstärker als das 1,8er. Vergleicht man beide bei 1,8 so sind es sogar 0,35 Blendenstufen.
Ja, dies ist dann der Teil an künstlicher Vignettierung, der durch die großzügige Dimensionierung der Linsen und Tuben im 85/1.2 gegenüber dem 85/1.8 nicht mehr auftritt. Trotz der enormen Abmessungen ist selbst das 85/1.2 bei f/2 noch nicht völlig frei von Vignettierung. Dies zeigt eindrucksvoll, wie stark der Größen-, Gewichts- und Preisunterschied wäre, wollte man eine Vignettierung auch bei Offenblende nahezu vollständig unterbinden.
 
Wenn Du die Umkehrfunktion in Abb. 3 noch auf die Helligkeit im Bildzentrum normierst, dann wird der "echte Bildhöhen-abhängige Helligkeitsabfall" in Blendenstufen direkt ablesbar. Wenn das 50/1.4 über 3 Blenden vignettiert hätte, dann wäreich auch wirklich sehr verwundert gewesen.
Ich hab's mir leicht gemacht und in Bild 3 alle Kurven zum Nullpunkt geshifted. Ist ein echt spannendes Ergebnis, das ich so nicht erwartet hätte. Es gibt einen universalen Lichtabfall und die Blende entscheidet, ab welchem Punkt sie abbiegt. Ab Blende 7,1 wird dieser universale Verlauf verlassen und die Ausleuchtung noch homogener. Kann es sein, dass das eine sehr spezielle Eigenschaft von diesem Objektiv ist?
Die Linen für die Crop Sensoren hab ich diesmal mit eingezeichnet.
 

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Ich hab's mir leicht gemacht und in Bild 3 alle Kurven zum Nullpunkt geshifted. Ist ein echt spannendes Ergebnis, das ich so nicht erwartet hätte. Es gibt einen universalen Lichtabfall und die Blende entscheidet, ab welchem Punkt sie abbiegt. Ab Blende 7,1 wird dieser universale Verlauf verlassen und die Ausleuchtung noch homogener. Kann es sein, dass das eine sehr spezielle Eigenschaft von diesem Objektiv ist?
Die Linen für die Crop Sensoren hab ich diesmal mit eingezeichnet.
Nun ja, das einzige was man zu der Form und dem "Abbiegepunkt" der Kurvenscharen sagen kann ist, dass die Restvignettierung bei sehr kleiner Blende aus natürlicher Vignettierung (Cos-4-Regel) plus Sensorvignettierung besteht und relativ ist. Was bei offeneren Blenden hinzukommt ist eine klitzekleine Prise Sensorvignettierung und ein Löwenanteil an künstlicher Vignettierung. Diese sieht in der Tat so aus, als würde beim Abblenden in den ersten Drittelstufen nur das Bildzentrum real abgeblendet werden, während der Bildrand von Anfang an nur eine kleine wirksame Blendenöffnung abbekam, die durch Schliessen der Blendenlamellen zunächst nicht weiter verengt wird. Spannend wäre es auch, die Form der für die randnahen Strahlen wirksamen Blende zu erfassen. Dies hätte dann auch direkten Einfluss auf die Schärfentiefe. Es gibt dann im Bildzentrum eine geringere Schärfentiefe als am Bildrand. Zudem wäre vom Prinzip her am Bildrand bei unrunder Vignette die Schärfentiefe in der Raumrichtung mit kleinerem Blenden-/Vignettendurchmesser (z.B. in der Zentrifugalrichtung) größer zu erwarten als in der anderen (z.B. tangential). :D

Was kommt denn eigentlich dabei heraus, wenn Du spasseshalber berechnest, wie viel Lichtmenge bei f/1.4 denn überhaupt bei "Vollformatkamera" überhaupt noch mehr am Sensor ankommt, wenn man dies mit dem selben Objektiv und der selben Blende nur über die Bildfläche der 1,6x-Cropkameras vergleicht? Ich schätze mal, dass sich die Crop-Kamera mit ca. 39% der Bildwandlerfläche dennoch mehr als 50% des gesamten Lichtes des nur mittelprächtig gut ausgeleuchteten Areals des KB-Formates "herauspickt".
 
Zuletzt bearbeitet:
Zudem wäre vom Prinzip her am Bildrand bei unrunder Vignette die Schärfentiefe in der Raumrichtung mit kleinerem Blenden-/Vignettendurchmesser (z.B. in der Zentrifugalrichtung) größer zu erwarten als in der anderen (z.B. tangential).
Dann kommt es zum Katzenaugeneffekt. Hier gibt es ein schönes Bild davon: http://www.pinnipedia.org/optics/vignetting.html
Was kommt denn eigentlich dabei heraus, wenn Du spasseshalber berechnest, wie viel Lichtmenge bei f/1.4 denn überhaupt bei "Vollformatkamera" überhaupt noch mehr am Sensor ankommt, wenn man dies mit dem selben Objektiv und der selben Blende nur über die Bildfläche der 1,6x-Cropkameras vergleicht?
War gar nicht mal so leicht. Nehmen wir mal an, es gibt keine Vignettierung, dann kommt bei Blende 1,4 genau 100% Licht an. Jetzt schalten wir die Vignettierung ein, dann kommt bei "Vollformat" nur noch 52,4% an. Machen wir nun einen 1,6 Crop Sensor daraus, so sammelt er noch 29,5% des Lichtes. Deine Schätzung war also sehr gut. Der Crop Sensor hat zwar nur 39% der Fläche, schnappt sich aber 56,3% vom möglichen Licht.
 
Ist ein echt spannendes Ergebnis, das ich so nicht erwartet hätte. Es gibt einen universalen Lichtabfall und die Blende entscheidet, ab welchem Punkt sie abbiegt. Ab Blende 7,1 wird dieser universale Verlauf verlassen und die Ausleuchtung noch homogener. Kann es sein, dass das eine sehr spezielle Eigenschaft von diesem Objektiv ist?
Ich würde eher sagen, dass es der ganz typische Kurvenverlauf für eine künstliche Vignettierung ist, bei dem der "Katzenaugeneffekt", den Du ja schon per Link erklärt hattest, bei weiter geschlossener Blende erst in zunehmend größeren Bildhöhen einsetzt.
 
Sehe ich das falsch, oder bedeutet das jetzt wirklich, dass das es bei VF-DSLRs ein vom Sensor erzeugtes Vignettierungsproblem gibt ein Märchen ist? (Oder zumindest heftig übertrieben wurde.)
 
Sehe ich das falsch, oder bedeutet das jetzt wirklich, dass das es bei VF-DSLRs ein vom Sensor erzeugtes Vignettierungsproblem gibt ein Märchen ist? (Oder zumindest heftig übertrieben wurde.)
Ja, das bedeutet es - zumindest innerhalb relativ weiter Limits. Eine starke Sensor-bedingte Vignettierung kommt dann zustande, wenn der Sensor nicht über Mikrolinsen/Mikroprismen verfügt oder wenn die Schräge des Einfallswinkels mit dem Design der Mikrolinsen/Mikroprismen ("microlens shift", numerische Apertur der Mikrolinsen") harmoniert.

In den von Kodak verfügbaren Datenblättern aktueller Sensoren ist ein Auftreffwinkel von 30° Abweichung von der optischen Achse noch mit relativ geringer Einschränkung der Sensitivität verbunden. Bedenkt man im Fall von DSLRs die Tiefe des Spiegelkastens bzw. das Auflagemass und die Position sowie Durchmesser der Rückelemente, so kann man grob abschätzen, welche Winkel im ungünstigsten Fall auftreten können. Hierbei wird klar, dass lediglich bei ungünstiger Lage der Austrittspupille von doppel-Gauss Normalobjektiven und schwach retrofokalen Weitwinkeln und extrem hoher Öffnung der Objektive bei Offenblende und großer Sensordiagonale ("Vollformat") ein relevanter Anteil des in die Bildecken fallenden Lichtes tatsächlich nicht in den Sensor eindringen kann.

Relativ stark vignettieren am Sensor hingegen solche Objektive, deren Sensor-seitiger Strahlengang sehr starke Abweichungen von der optischen Achse aufweist, also z.B. doppel-Gauss Weitwinkel oder schwach retrofokal ausgeführte Superweitwinkelobjektive von Meßsucherkamerasystemen.
 
Der Vergleich ist gut, ich bin mir aber nicht sicher ob diese geringen Unterschiede auch real sind. Ich muss mal weiter ausholen.

Diese Vergleichsbilder wurden in jpg gemacht, d.h. die Helligkeitswerte auf dem Sensor werden mit einer Gammafunkton interpretiert und nach jpg gewandelt. Canon verwendet keine reine Gammafunkton, sondern nimmt etwas komplizierteren Verlauf. Die Funktion kann man sich in meinem ersten Beitrag (Bild2) ansehen. Es ist jetzt nicht gesagt, dass die 350D und die 400D die gleiche Funktion verwenden.
Die Auswertung der Bilder erfolgte mit der Software Imatest, bei einem gewählten Gammawert von 0,5. Zum einen beschreibt dieser Gammawert den S-förmigen Funktionsverlauf nur unzureichend und zum anderen wissen wir eben nicht, ob der bei beiden Kameras gleich ist. Für einen echten Vergleich bräuchten wir zwei Bilder in RAW, die durch den gleichen Konverter laufen.
 
In den von Kodak verfügbaren Datenblättern aktueller Sensoren ist ein Auftreffwinkel von 30° Abweichung von der optischen Achse noch mit relativ geringer Einschränkung der Sensitivität verbunden...

Dann lesen wir unterschiedliche Datenblätter.

Schauen wir uns mal den aktuellen Kodak Sensor im Kleinbild an, dann wirds dort schon ab 15° horizontal richtig böse...

http://www.kodak.com/ezpres/busines.../en/datasheet/interline/KAI-16000LongSpec.pdf
 
Dann lesen wir unterschiedliche Datenblätter.
Schauen wir uns mal den aktuellen Kodak Sensor im Kleinbild an, dann wirds dort schon ab 15° horizontal richtig böse...
http://www.kodak.com/ezpres/busines.../en/datasheet/interline/KAI-16000LongSpec.pdf
Interline-CCD-Sensoren für DSLRs sind mittlerweile doch eher unüblich. Der von Dir genannte Sensor ist auch meines Wissens auch in keiner DSLR verbaut worden.

Schau´mal lieber in die Datenblätter der full frame CCDs der KAF-Serie, z.B. dem Sensor der Leica M8 oder die 22 MP- bzw. 39 MP-Sensoren für digitales Mittelformat.
 
Zuletzt bearbeitet:
Hallo,
vielleicht passt meine Frage zu dem dargestellten Chart, bin mir aber nicht sicher...

Also.
ich habe das Sigma 24-70 auf einer EOS 400 D, sprich vollformattaugliches Objektive mit nicht-vollformatigen Kamera.

Objektiv hat 82 mm

Ich habe aber aus analogen Zeiten noch einen kompletten Satz an Filtern mit 72 mm (Grau-, Schutz-, Pol und Grauverlauffilter).

Idee: Step-down benutzen und Geld sparen

Durch den Step-down kann es zur Vignettierung kommen, ist mir klar. Die Frage ist jetzt, ob es zur Vignettierung kommt, wenn 24-70 bei Offenblende an 400 D angeschlossen ist.

Kann man das irgendwie ausrechnen, an dem Diagramm ablesen oder nur ausprobieren?

Lieben Gruß
Michael





Ich hab's mir leicht gemacht und in Bild 3 alle Kurven zum Nullpunkt geshifted. Ist ein echt spannendes Ergebnis, das ich so nicht erwartet hätte. Es gibt einen universalen Lichtabfall und die Blende entscheidet, ab welchem Punkt sie abbiegt. Ab Blende 7,1 wird dieser universale Verlauf verlassen und die Ausleuchtung noch homogener. Kann es sein, dass das eine sehr spezielle Eigenschaft von diesem Objektiv ist?
Die Linen für die Crop Sensoren hab ich diesmal mit eingezeichnet.
 
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