Sensoren und schräge Strahlen

In der Sonderbeilage mit Objektivtests der Zeitschrift Colorfoto lese ich:

Was mich verblüfft. Ich dachte immer, das Einsammeln von Strahlen der verschiedensten Einfallswinkel sei Sache des Objektivs, nicht des Sensors. Ich dachte immer, am kameraseitigen Ende liefere jedes für ein bestimmtes Format berechnete Objektiv ähnliche Projektionen ab, was die Strahlenwinkel angeht.
Von Problemen durch schräg einfallende Strahlen bei digitalen Sensoren habe ich deshalb auch nur im Zusammenhang mit älteren, analogen Objektiven gehört.

Wie ist denn das nun?


Gruß, Rontrus

Die modernen Sensoren haben Mikrolinsen vor jedem Pixel, damit das einzelne Pixel möglichst viel Licht sammeln kann. Der Öffnungswinkel unter dem diese Mikrolinsen das einfallende Licht einsammeln ist aber natürlich (wie bei jeder Linse) begrenzt. Bei lichtschwachen bzw. abgeblendeten Objektiven benötigt jede Mikrolinse nur einen relativ kleinen Öffnungswinkel um die Lichtstrahlen einzusammeln. Verwendet man aber ein sehr lichtstarkes Objektiv (gab einmal einen Thread darüber so ca. ab 1:1,4 ?) ist der Öffnungswinkel der einzelnen Mikrolinse zu klein, um die gesamte offene Blende zu erfassen.

Das hat zwar nichts nur mit Weitwinkelobjekiv zu tun. Vielleicht gibt es dazu eine andere oder ähnliche Erklärung.

Um Probleme mit allzu schraegen Strahlen zu vermeiden gibt es telezentrische Objektive.
Damit werden die Lichtstrahlen wieder halbwegs senkrecht auf den Sensor gelenkt.

Sehr intensiv diskutiert und z.T. auch gerätselt wurde darüber in diesem Thema: Hochgeöffnete Optiken limitiert durch Mikrolinsen?

Neben den Mikrolinsen des Sensors (oder genauer: der einzelnen Photosites) könnte dabei im Übrigen auch das recht komplex aufgebaute Filter-'Sandwich' vor dem Sensor eine Rolle spielen, das u.a. den "Low pass"- oder Antialias-Filter beinhaltet. Spekulation: möglicherweise werden unter ungünstig großem Winkel auftreffende Lichtstrahlen so stark abgelenkt/aufgefächert, dass sie am Ende die 'falschen' Sensorzellen treffen.

Gruß, Graukater

BadBoogeyMan schrieb:

Um Probleme mit allzu schraegen Strahlen zu vermeiden gibt es telezentrische Objektive.
Damit werden die Lichtstrahlen wieder halbwegs senkrecht auf den Sensor gelenkt.

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Kann ich dadurch meine Annahme bestätigt sehen, dass die Einfallswinkel der Strahlen, die von der Hinterlinse eines Objektivs auf den Sensor fallen, bei allen Digital-Objektiven für ein bestimmtes Format - egal ob Weitwinkel oder Tele - (annähernd?) gleich sind?

Gruß, Rontrus

Rontrus schrieb:

Kann ich dadurch meine Annahme bestätigt sehen, dass die Einfallswinkel der Strahlen, die von der Hinterlinse eines Objektivs auf den Sensor fallen, bei allen Digital-Objektiven für ein bestimmtes Format - egal ob Weitwinkel oder Tele - (annähernd?) gleich sind?

Gruß, Rontrus

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Ne, gerade nicht.
Um ein Objektiv telezentrisch zu machen ist zusätzlicher Aufwand nötig und nicht bei jedem Objektiv wird dieser gleich stark betrieben, im Zewifel schafft das ja wiedr andere Probleme. Ergo dürfte da jedes Objektiv anders sein.

stell dir vor,
1) rund um die lichtempfindliche fläche des pixels ist ein hoher wall (transistoren und verstärker für das pixelsignal), der die lichtempfindliche fläche teilbeschattet, falls die strahlen schräg einfallen. (gilt nicht oder nur teilweise für die modernsten "backlit" sensoren von sony, wo die transistoren auf der sensorrückseite sitzen)

2) darüber, zwischen den pixeln sind leiterbahnen, welche die pixel auch wiederum abschatten können, wenn das licht schräg eintrifft. (gilt nicht für die modernsten "backlit" sensoren von sony, wo die leiterbahnen auf der sensorrückseite sitzen)

3) und darüber, um
a) die lichtstrahlen nicht allzuschräg auf die pixel einstrahlen zu lassen und um
b) licht, das sonst zwischen die pixel fallen würde, auch einzufangen und zu den pixeln zu leiten,
sind die mikrolinsen angeordnet.

4) stell dir vo,r jetzt kommt von der hinterlinse des objektives ein lichtstrahl schräg richtung sensor. der trifft auf die mikrolinse und wird durch diese in die tiefe durch die zwischenräume der leiterbahnen und an den verstärkerwällen vorbei ins lichtepmfindliche substrat der pixel geleitet.
dort trifft der strahl erfolgreich ein, wenn der nicht allzuschräg auf die mikrolinse gefallen ist. fällt er zu schräg, wird er entweder zum nachbarpixel geleitet, oder trifft doch allzuschräg auf die pixel, sodaß diese teilbeschattet werden.

eine untersuchung von dxo und luminous landscape zeigt, daß zwar, wenn man ein objektiv weiter als blende 2.0 aufblendet, insgesamt mehr licht auf den sensor fällt, aber die randstrahlen des hochgeöffneten objektives nicht mehr bis zum pixelgrund durchkommen, was zwei effekte hat:

a) das bild wird trotz weiter geöffneter blende nicht wirklich proportional dazu besser belichtet (also lichtverlust durch abschattung als folge von zu schräg auf die mikrolinsen auftreffenden lichtstrahlen)
(die verlinkte grafik zeigt, daß die hersteller, welche objektive mit höherer lichtstärke als 2.0 anbieten, den durch diese schrägstrahlproblematik hervorgerufenen lichtverlust durch anhebung der iso in abhängigkeit der blendeneinstellung kompensieren ... http://www.luminous-landscape.com/articleImages/Slide3.jpg http://www.luminous-landscape.com/articleImages/Slide1.jpg http://www.luminous-landscape.com/articleImages/Slide2.jpg ),

und
b) die schärfentiefe nimmt bei weiterem aufblenden mangels am pixel eintreffender randstrahlen nicht mehr ab.

---> an der sony a-350 kriegt das pixel bei blende 1.4 genauso viel licht wie bei blende 2.0, d.h. ein 1.4er objektiv unterscheidet sich in der bildwirkung überhaupt nicht von einem 2.0er, außer daß man mit dem 1.4er statt mit iso 100 ohne es zu merken mit iso 200 fotografiert.

an der canon 7d sind diese effekte um ca. 10%-30% geringer als bei der sony.
an der canon 50d und nikon d200 sind diese effekte ca. 20%-50% geringer als bei der sony.

es gibt dazu von dxo (bei dxo und luminous landscapes) grafiken mit meßwerten für die verschiedenen cams.
cams mit sehr hoher pixeldichte sind von dem phänomen stärker betroffen als solche mit geringerer pixeldichte.

http://egami.blog.so-net.ne.jp/2010-11-07#english

http://www.fotos.docoer-dig.de/Sensoren/Abb_4_3_Bild_Anatomie_APS-Photodiode.jpg

http://www.photonics.com/images/spectra/features/2007/November/CameraPhone_Advasense_Fig1.jpg

http://de.wikipedia.org/wiki/Telezentrisches_Objektiv
oly setzte bei FT auf telezentrische objektive aus diesem grund und bot auch keine optiken mit höherer lichtstärke als 2.0 an, konnte aber durch diese telezentritzität aber die objektive nicht ganz so kompakt bauen wie es andernfalls möglich gewesen wäre.

lg gusti

Die Schilderungen betreffend der schräg eintreffenden Strahlen, insbesondere den schrägER eintreffenden bei offenen Blenden, sind zweifellos richtig. Trotzdem ist das zitierte Geschreibsel ganz oben FALSCH:

Dieser Effekt hängt doch überhaupt nicht davon ab, ob ein weitwinkliges Objektiv, oder ein Tele an der Kamera montiert ist.

doch, hängt bei gleichem objektivkonstruktionsprinzip vom bildwinkel ab.

stell dir die objektivhauptebene eines - aus einer einfachen linse bestehenden - objektives als schnittpunkt der strahlen vor, welche jeglichen sensorpunkt erreichen müssen. ist also eine strahlenpyramide, welche die spitze in der objektivhauptebene hat und als basis die sensorfläche.

nun ist die sensorfläche fix, aber die höhe der pyramide wird durch die brennweite des objektives bestimmt. langbrennweitige objetkive erzeugen in diesem gedankenbeispiel viel schlankere lichtpyramiden, d.h. die lichtstrahlen fallen bei langen brennweiten deutlich "rechtwinkeliger" auf den sensor als bei kurzbrennweitigen objektiven, wo die hauptebene bei einfachen objektiven, sagen wir bei einer brennweite von 10mm, ganz knapp vor dem sensor zu liegen kommt.

nun, gibt es aber das retrofokuskonstruktionsprinzip, das durch dem objektiv nachgeschaltete linsengruppen hilft, daß die hauptebene des objektives weiter weg vom sensor rückt und damit die strahlen etwas rechtwinkeliger auf dem sensor eintreffen. aber bei einem 600er tele treffen sie fast senkrecht auf den sensor, wohingegen ich mir bei einem 20mm retrofokusobjektiv objektiv sehr wohl vorstelle, daß die lichtstrahlen von einem rand der objektivhinterlinse zur gegenüberliegenden sensorecke unter winkeln von 45° oder flacher auftreffen ...

lg gusti

n.nescio schrieb:

wohingegen ich mir bei einem 20mm retrofokusobjektiv objektiv sehr wohl vorstelle, daß die lichtstrahlen von einem rand der objektivhinterlinse zur gegenüberliegenden sensorecke unter winkeln von 45° oder flacher auftreffen ...

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Das sehe ich nicht so. Weitwinkelobjektive haben meist eine recht kleine bildseitigen Oeffnung (was man an der kleinen Hinterlinse erkennen kann), so dass die Randstrahlen in einem relativ gut definiertem Winkel von maximal etwa 26 Grad auftreffen (arctan(halbe Bilddiagonale/Auflagemass)), bei APS-C sogar nur etwa 17 Grad. Bei ideal telezentrischen Objektiven, sind es dagegen 0 Grad. Nun kann der Sensor-Hersteller allerdings die Mikrolinsen so ausrreichten, dass dieser Winkel zum Teil ausgeglichen wird (die Pixel werden gekippt), sagen wir auf die Haelfte des Winkels, d.h. 13 Grad.

Besonders stark tritt der Effekt allerdings besonders in den Unschaerfekreisen in Erscheinung, wenn ein extrem Lichtstarkes Objektiv verwendet wird. Und zwar aus folgendem Grund:
Die Hinterlinse des 85/1.2L z.B. ist etwa so gross, wie der Bajonettdurchmesser, sagen wir 50mm. Nun wird das Licht, dass die Hinterlinse am aeussersten linken Rand passiert im Mittelpunkt des Sensors abgebildet und trifft aber in einem Winkel von 30 Grad (arctan(25/44)) auf. Licht sollte aber idealerweise (d.h. bei einer sehr kleinen Hinterlinse) nur aus einem Winkel von ~0 Grad auftreffen.

Das Licht trifft also sehr schraeg auf, und geht teilweise verloren. Bei Punkten, die scharf abgebildet werden ist das nicht so schlimm, die Mikrolinsen verlieren nur etwas an Empfindlichkeit, was zu hoeherem Rauschen fuehrt. Werden Punkte aber als Unschaerfekreise abgebildet, kann man direkt die ungleiche Helligkeitsverteilung erkennen, was z.T. nicht sehr schoen und wenig harmonisch aussieht.

n.nescio schrieb:

doch, hängt bei gleichem objektivkonstruktionsprinzip vom bildwinkel ab.

stell dir die objektivhauptebene eines - aus einer einfachen linse bestehenden - objektives als schnittpunkt der strahlen vor, welche jeglichen sensorpunkt erreichen müssen. ist also eine strahlenpyramide, welche die spitze in der objektivhauptebene hat und als basis die sensorfläche.

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Eine Ebene als Schnittpunkt von Strahlen kann ich mir nicht vorstellen, ist geometrisch nicht richtig.

Aber die Hauptebene einer Linse gibt es schon, nur mußt Du Dir das Gedankenexperiment anders vorstellen.
Nimm ein mittiges Pixel vom Sensor. Damit man sich das auch noch besser vorstellen kann denke Dir statt eines Sensorpixels eine genausogroße Lichtquelle (z.B. eine LED mit großem Öffnungswinkel, nehmen wir einmal sie strahlt an in alle Richtungen gleich viel Licht ab). Es bildet sich ein Strahlenkegel, der von der LED als Spitze zur Hauptebene der Linse geht. Den Öffnungswinkel bestimmt der Durchmesser der Linse oder exakter gesagt die F-Zahl (Blende) der Linse. Dieser Öffnungswinkel bestimmt auch wieviel Licht von der LED durch die Linse geht (=Lichtstärke), je größer, desto mehr, der Rest geht im schwarzen Kameragehäuse verloren. Weiters ist dieser Öffnungswinkel ist bei gleicher F-Zahl unabhängig von der Brennweite gleich. Ein 600er Objektiv mit 1:1,4 hätte sehr große Einzellinsen, aber der Kegelöffnungswinkel wäre eben gleich groß wie bei einem 50/1:1,4.

Jetzt gehen wir beim Gedankenexperiment weiter und setzen der LED eine kleine Sammellinse (entsprechend der Mikrolinse des Sensors) davor. Dann erhalten wir ähnlich wie bei einer Taschenlampe einen schmalen Strahlwinkel eine mit einer schmalen Keule, wie eine Spotlampe.
Jetzt leuchtet diese Spot-LED die Linse nicht mehr gesamt aus wenn der Durchmesser größer wird. Das muß man immer ins Verhältnis zur Brennweite setzen, daher die F-Zahl oder Blende. Ab einem gewissen Durchmesser kann man die Linse noch so gr0ß machen, es kommt nicht mehr Licht von der Spot-LED durch.
Nun der letzte gedankliche Schritt, alle einzelnen Lichtstrahlen in Ihrer Richtung genau umkehren und die LEDs durch Sensorpixel erstezen, dann haben wir die Verhältnisse wie in der Kamera. Dem Licht ist es nämlich egal in welcher Richtung es durch die Linse geht.

Damit will ich sagen, das die Brennweite auf die Schrägheit der Strahlen keinen Einfluß hat, sondern nur die F-Zahl.

Der von Dir erwähnte Bildwinkel hat mit obigem gar nichts zu tun. Den stellen ich mir aus dem Winkel zwischen 2 Fäden, die ich von der Objektivmitte zum äußerst linken und rechten Rand meines Motivs spanne.

Ich hoffe ich habe das halbwegs verständlich ausgedrückt und man kann sich das auch so vorstellen.

danke.
doch, kann dir schon folgen (läuft aber auf ähnliches hinaus, daß sich der winkel mit veränderter brennweite ändert, falls der linsendurchmesser/eintrittspupillendurchmesser gleich bleibt.)
nur, daß in deinem beispiel die pixel nur von denjenigen strahlen getroffen werden, welche in den öffnungswinkel der mikrolinsen "passen".

dein gedankenexperiment ist näher an der tatsächlichen technischen lösung bzw. den phasikalischen verhältnissen.
jetzt mußt nur noch checken, ob der öffnungswinkel der mikrolinsen ausreicht, um jeden punkt der ein/austrittspupille des objektives durch lichtstrahlen zu erreichten. wenn nicht, dann treten diese lichtverlusteffekte auf. und das ist der fall, wenn die blende und damit die pupille zu weit offen ist.

diene vorstellung betreffs bildwinkel ist auch meine, wobei, wenn du dein objektiv einfach durch eine einzige linse ersetzt vorstellst, dann kreuzen sich deine fäden in der hauptebene und laufen weiter bis auf die ecken des sensors. deshalb heißt der bildwinkel und nicht gegenstandswinkel

lg gusti

Hallo

Ein Objektiv hat IMHO die Aufgabe die Strahlen so zu bündeln und lenken, damit sie optimal auf den Sensor/film fallen,

Bei Wikipedia gibts ne schöne Abbildung dazu:
http://de.wikipedia.org/w/index.php...itt_objektiv.png&filetimestamp=20060308150900

Ich bin mir nicht sicher ob die "Fachzeitschrift" da korrekt recherchiert hat ;-)

VG Chris

chris0000 schrieb:

Ein Objektiv hat IMHO die Aufgabe die Strahlen so zu bündeln und lenken, damit sie optimal auf den Sensor/film fallen,

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Selbstverständlich.
Nur haben verschiedene Hersteller auch verschiedene Vorstellungen, was "optimal" sein könnte.
Oder genauer gesagt bei der Bewertung, welcher Fehler schwerwiegender ist und besser korrigiert werden sollte als ein anderer.

Zitat von chris0000
"Ein Objektiv hat IMHO die Aufgabe die Strahlen so zu bündeln und lenken, damit sie optimal auf den Sensor/film fallen, ..."
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für menschen praktikable technische lösungen sind fast immer diejenigen, welche kompromisse beinhalten.

lg gusti

spielt das Auflagemaß auch eine Rolle ? Also ist z.B. ein f1.8er bei ansonstengleicher konstruktion am Nex Bajonett lichtschwächer als ein 1,8er am Apsc Nikonbajonett ? Und ist es auch aufwendiger für das e-mount telezentische Objektive zu bauen ?