Hochgeöffnete Optiken limitiert durch Mikrolinsen?

[Gast_28970]

Das macht in meinen Augen einfach viel mehr Sinn, besonders da KB und Crop Kameras deutlich verschiedene Ergebnisse zeigen.

Ja, das ist eine interessante Beobachtung mit den beschnittenen Unschärfekreisen, das kann wohl nur diese Ursache haben. Aber ist das nicht eher eine Erklärung für die stärkere Vignettierung bei größeren Blendenöffnungen? Weil der Effekt der dunkleren Abbildung tritt ja ziemlich gleichmäßig über das ganze Bildfeld auf. Und die Abschattung durch den Spiegelkasten betrifft ja nur die Randbereiche. Oder ist diese Überlegung falsch?

 

[UnclePat]

Ja, das ist eine interessante Beobachtung mit den beschnittenen Unschärfekreisen, das kann wohl nur diese Ursache haben. Aber ist das nicht eher eine Erklärung für die stärkere Vignettierung bei größeren Blendenöffnungen? Weil der Effekt der dunkleren Abbildung tritt ja ziemlich gleichmäßig über das ganze Bildfeld auf. Und die Abschattung durch den Spiegelkasten betrifft ja nur die Randbereiche. Oder ist diese Überlegung falsch?

Nein, zumindest an KB-Kameras ist das korrekt. Allerdings weiss ich nicht, wie es am Crop ist.
Aber Nightshot hat ja schon gezeigt, dass es an 5DI/II eher zu vernachlaessigen ist.

 

[Gast_28970]

Ich hab die Werte jetzt noch für ein paar andere Kameras bestimmt und zusammen getragen. Gleichzeitig hab ich über das Problem noch mal scharf nach gedacht. Der extremste Winkel für Licht der theoretisch in der Bildmitte auf treten kann ist 33°.

Toll, danke! Wenn es nur geringfügig ist, dann könnte das ja damit zusammenpassen, dass eine Abschattung von etwa 3% Abweichung im mittleren Tonwertebereich passiert.

Interessant finde ich an Deiner Tabelle, dass es zwischen 5D und 5DMkII offenbar keine größeren Unterschiede gibt. Diese sind von DXO viel deutlicher ausgewiesen. Das würde nun wieder dagegen sprechen, dass die Größe der Einzelsensoren maßgeblich für den Effekt ist.

Verstehe ich das eh richtig: Du hast hier mit einem Adapter getestet, wie weit die Kamera je nach - simuliert - eingestellter Blende die Belichtung über die ISO-Empfindlichkeit korrigiert.

 

[Nightshot]

Verstehe ich das eh richtig: Du hast hier mit einem Adapter getestet, wie weit die Kamera je nach - simuliert - eingestellter Blende die Belichtung über die ISO-Empfindlichkeit korrigiert.

Das ist korrekt.

 

[n.nescio]

http://www.digitalversus.com/sony-unveils-ccd-with-dual-layer-microlenses-news-14204.html

http://43rumors.com/wp-content/uploads/2010/07/sensor1.jpg

 

[moon1883]

Interessant - ich hatte vor 3 Jahren schon mal so eine Frage aufgeworfen: Bilder bei Offenblende dunkler? Damals noch mit der 20D - vielleicht beherrschte dieses mittlerweile etwas angeältlichte Modell die ISO-Scheinkorrektur noch nicht?

 

[UnclePat]

So, nachdem nun wild spekuliert wurde, habe ich die Abschattung durch den Spiegelkasten bei einer 5DI kurzerhand gemessen.

Versuchsaufbau:
Kamera auf Stativ in etwa 1.5m Abstand zu einer LED. Ein Bild mit Fokus etwas vor der LED und ein weiteres mit Fokus etwas hinter der LED. Ich musste teilweise einen Polfilter als Graufilterersatz verwenden, da sonst der Unschaerfekreis selbst bei 1/8000s ueberbelichtet gewesen waere.

Ich habe 5 Bilder angehaengt. Bild 1 zeigt die Form des Unschaerfekreises, wenn der Fokus weit hinter der LED liegt. Das Bild der LED entsteht dann hinter dem Sensor, wodurch der Lichtkonus weit geoeffnet auf den Spiegelkasten trifft. Man sieht deutlich die Abschattung durch die obere und untere Kante des Spiegelkastens. Bei Bild 2 liegt der Fokus weit vor der LED, sodass das Licht viel staerker gebuendelt den Spiegelkasten ohne Abschattung passiert, vor dem Sensor fokussiert, wieder auffaechert und punktgespiegelt auf den Sensor trifft.
Bild 3 und 4 zeigen 2 Bilder mit Fokus ganz leicht hinter und vor der LED. Bei diesen Bildern kann man davon ausgehen, dass der maximale Inzidenzwinkel ungefaehr dem entspricht, wenn die LED sauber im Fokus ist. Das ist fuer die weitere Auswertung wichtig. Bild 5 zeigt die Form des Unschaerfekreises, wenn die LED am aeussersten linken Bildrand erscheint, und der Fokus weit hinter der LED sitzt. Wie man sieht, erfolgt keine Abschattung durch die vertikale Kante des Spiegelkastens.

Anhand der Bilder 3 und 4 habe ich die Abschattung abgeschaetzt. Bei Bild 3 mit der LED im Vordergrund ist ganz klar die Abschattung zu sehen; die Flaeche des Kreissegments habe ich als ca. 4% der Kreisflaeche bestimmt. Bei dem Bild 4 mit der LED im Hintergrund konnte ich keine klare Abschattung erkennen. Allerdings erscheint der Unschaefebereich elliptisch, mit einer Flaeche, die etwa 94% der Flaeche eines Kreises mit dem horizontalen Durchmesser entspricht.
Die Annahme, dass es keine Abschattung in der vertikalen Richtung, habe ich mit angehaengten Bild 5 bestaetigt.

Eine Abschattung von 4 bzw. 6% entspricht 0.06 bzw. 0.09 EV, was ziemlich gut mit der Grafik von Nightshot uebereinstimmt.

Moeglicherweise kann ich naechste Woche da gleiche an einer 7D testen.

 

[Gast_28970]

So, nachdem nun wild spekuliert wurde, habe ich die Abschattung durch den Spiegelkasten bei einer 5DI kurzerhand gemessen.

Großartig! Vielen Dank!

Vielleicht kann das jemand bestätigen: Ich habe in den Exif-Daten zum Bild gesehen, dass das Objektiv eine maximale Blendenöffnung von 1:1,6 (0,625) meldet (Als gewählte Blende steht 1:1,2).

 

[JeNeu]

Je mehr Auszug (Fokus Richtung NAheinstellgrenze) desto weniger Licht erreicht den Sensor.

 

[UnclePat]

Je mehr Auszug (Fokus Richtung NAheinstellgrenze) desto weniger Licht erreicht den Sensor.

Da habe ich auch schon daran gedacht. Ich wusste aber nicht, dass die effektive Blende in den EXIFs zu finden ist.

 

[Mi67]

Ich hab die Werte jetzt noch für ein paar andere Kameras bestimmt und zusammen getragen. Gleichzeitig hab ich über das Problem noch mal scharf nach gedacht. Der extremste Winkel für Licht der theoretisch in der Bildmitte auf treten kann ist 33°.

Das wären dann aber schon f/0.9. Bei f/1 bekommst Du max. 30°, bei f/1.2 max. 24.6°.
f-Zahl = 0.5*sin(alpha)

Das ist für moderne Mikrolinsen keine Hexerei mehr. Gut sie haben keine 100% Ausbeute mehr, sind aber längst gut genug um diesen Effekt nicht erklären zu können.

Die Empfindlichkeit des Mikrolinsen-bestückten KAF-10500 (in Leica M8) beträgt bei 30° ca. 80% der Empfindlichkeit bei 0°. Ob und um wie viel die Mikrolinsen anderer Kameras/Sensoren besser oder schlechter sind, ist ohne Datenblätter ohne Tests leider nicht eruierbar.

 

[Gast_194966]

f-Zahl = 0.5*sin(alpha)

Ich wäre für tan(alpha), macht aber keinen dramatischen Unterschied.


Gruß, Matthias

 

[UnclePat]

Ich wäre für tan(alpha), macht aber keinen dramatischen Unterschied.


Gruß, Matthias

Ich waere fuer 0.5*D/f=tan(alpha).

Der Rest ergibt sich, je nachdem wie man nun f-Zahl definiert. Ich wuerde N=f/D bevorzugen, so dass

N=1/(2*tan(alpha))

bzw. alpha=arctan(1/(2*N))

 

[Gast_194966]

Ich waere fuer 0.5*D/f=tan(alpha).

Der Rest ergibt sich, je nachdem wie man nun f-Zahl definiert. Ich wuerde N=f/D bevorzugen, so dass

N=1/(2*tan(alpha))

bzw. alpha=arctan(1/(2*N))

Nun ja, natürlich:

Öffnungswinkel:

f/2 -> 28°
f/1,4 -> 40°
f/1,2 -> 45°
f/1 -> 53°

Die äußeren Strahlen fallen jeweils unter dem 1/2 Winkel ein.

Das gilt aber nur nach einer ganz primitiven Daumenformel und nicht für telezentrische oder Retrofokus-Konstruktionen.

Gruß, Matthias

 

[Nightshot]

Das wären dann aber schon f/0.9. Bei f/1 bekommst Du max. 30°, bei f/1.2 max. 24.6°.

Ich hab rein geometrisch gerechnet was der Spiegelkasten in der extremsten Ecke überhaupt zulassen würde. Alle größeren Winkel als 33° würde der Spiegelkasten eh schon filtern und an den Seitenwänden blockiert er auch schon viel früher.

 

[Mi67]

Ich waere fuer 0.5*D/f=tan(alpha).
...
bzw. alpha=arctan(1/(2*N))

Die Linsengleichung gilt nur bei dünnen Linsen, bei denen der Linsendurchmesser gleichzeitig auch die Blendenöffnung ist. Nur dann gilt die Näherung, die zur "Tangens-Formel" führt.

Bei "dicken Linsen", also insbesondere bei hoch geöffneten Linsensystemen, fährt man besser, wenn man die numerische Apertur (NA = sin(Einfallswinkel)) auf Gegenstands- und Bildseite mitsamt der Lage der beiden Hauptebenen betrachtet. Dabei wird in unserem Fall besonders die hintere Hauptebene wichtig. Bei unendlicher Gegenstandsweite gilt dabei der von mir weiter oben genannte Zusammenhang.

Dementsprechend komme nicht nur ich, sondern auch eine Optik-Berechnungssoftware darauf, dass bei einem Objektiv mit Öffnungsverhältnis von 1:1 (also fiktive Blende mit 50 mm Durchmesser an einem Punkt, der der hinteren Hauptebene entspricht) eine Bildseitige NA von 0,5, entsprechend 30° max. Einfallswinkel (auch Akzeptanzwinkel genannt) besteht. Bei f/2 bekommt man eine Bildseiten-NA von 0,25 usw. ...

Hat man finite Konjugate (also Gegenstand in endlicher Weite), dann ist der Zusammenhang zwischen den Objekt- und Bild-seitigen Aperturen auch über den Abbildungsmaßstab herstellbar. Hier ist klar, das der Abbildungsmaßstab proportional zum Verhältnis der Objekt- und Bild-seitigen numerischen Aperturen skaliert.

 

[Mi67]

Ich hab rein geometrisch gerechnet was der Spiegelkasten in der extremsten Ecke überhaupt zulassen würde. Alle größeren Winkel als 33° würde der Spiegelkasten eh schon filtern und an den Seitenwänden blockiert er auch schon viel früher.

OK, also einfach mal ausgemessen. Dann ist klar, dass und warum Deine Werte etwas größer sind, als die Winkel, die von hoch geöffneten Objektiven angeliefert werden. Wie stark der Spiegelkasten verschiedener Kameras vignettieren kann, wird von den Kameradesignern entsprechend durchgerechnet. Früher gab es in den Kameraspezifikationen noch Angaben zur Freigabe (bzw. Vignetten-Freiheit) von Spiegelkästen, wobei dies als "nicht vignettierend bis 600/4" oder ähnlich angegeben wurde. Womöglich wäre ein 200/1.8 oder ein 85/1.2 noch viel kritischer gewesen, aber man verlegte sich bei den Specs immer auf die Tele(zentrischeren)-Brennweiten.

Ein 50/1.2 ist vielleicht sogar wirklich weniger krabbelig in Sachen Vignette, weil es evtl. weniger telezentrisch arbeitet, als ein 400/2.8. Dafür ist aber in zunehmender Bildhöhe schon der Zentralstrahl schon gegenüber der Sensornormalen verkippt, wodurch Teile des gesamten Strahlenbüschels nochmals schrägere Winkel annehmen könnten.

 

[UnclePat]

Bei "dicken Linsen", also insbesondere bei hoch geöffneten Linsensystemen, fährt man besser, wenn man die numerische Apertur (NA = sin(Einfallswinkel)) auf Gegenstands- und Bildseite mitsamt der Lage der beiden Hauptebenen betrachtet. Dabei wird in unserem Fall besonders die hintere Hauptebene wichtig. Bei unendlicher Gegenstandsweite gilt dabei der von mir weiter oben genannte Zusammenhang.

Ok, danke. Du hast natuerlich recht, dass ich nur mit idealen duennen Linsen gearbeitet habe. Die Eigenheiten von "dicken" und vor allem unsymmetrischen Linsen sind mir bekannt, allerdings habe ich nicht gedacht, dass es sich auf eine so einfache Beziehung reduziert.
Haette mich auch ehrlicherweise gewundert, wenn du so einen Schnitzer gehabt haettest.

 

[Mi67]

Ok, danke.

Gut soweit.

Nun zum nächsten: Um Licht des bei hoch geöffneten Objektiven breit einstrahlenden Strahlenbüschels auch in die Photosite des Sensors zu bekommen, darf die numerische Apertur der Mikrolinse nicht viel geringer sein, als jene der Optik. Die vornehme Aufgabe der Mikrolinse besteht in 2 Dingen:

1. Licht, welches andernfalls auf Leiterbahnen treffen würde, in die "active site", also die lichtempfindliche Teilfläche eines Pixels zu dirigieren.
Schema: http://www.jiscdigitalmedia.ac.uk/images/microlens_big.gif

2. Sehr schräg einfallendes Licht durch den Brechungsindex der Linse zur Optischen Achse hin zu brechen, damit beim folgenden Übergang in das optisch sehr dichte Silizium die reflektieren Anteile möglichst klein gehalten werden können. Diese Aufgabe wird zumindest auf den ersten Blick rein durch den Brechungsindex des Materials erfüllt.

Es lassen sich hierbei kaum beide Aufgaben gleichzeitig optimieren, denn eine hohe NA hilft zwar bei Punkt 1, führt aber zu sehr schrägem Lichtverlauf am Übergang Mikrolinsenmaterial-Silizium. Also wird man einen Kompromiss zu schliessen haben. Dieser Kompromiss kann auf der einen Seite zur Empfindlichkeitsmaximierung bei moderater Objektivöffnung (eher flache Linsen) oder auf der anderern Seite zur Optimierung des Akzeptanzwinkels (hoch aufgewölbte Linsen mit hoher NA) neigen.

Beim unisono-Schrei nach Rausch-freien Bildern in ISO-6400 ist ein Hersteller womöglich bei "Prosumer-Crop-Kameras" geneigt, die Empfindlichkeitssteigerung bei den typischerweise verwendeten Objektiven mit f/2.8 ... vornan zu stellen, opfert damit aber vielleicht etwas beim Akzeptanzwinkel, was sich dann bei "modernen" Kameramodellen in einer nicht mehr ganz optimalen Ausnutzung von f/1.2-Objektiven bemerkbar machen wird. Bei Kameras, deren Kundenkreis womöglich Wert auf eine hohe Freistellungsleistung legt (große Sensoren) und an denen nicht so selten auch mal Objektive mit f/1.4 oder gar f/1.2 zu finden sind, wird man, so wie bei Leica M, wohl eher den hohen Akzeptanzwinkel betonen.

Unterm Strich bewegen wir uns aber noch in Bereichen, die als Hersteller-spezifische Nuance gewertet werden können. Nur wenn die Akzeptanzwinkel so schlecht werden, dass zwischen einer vollen Blende des Aufblendens (f/1.8 auf f/1.2) nur noch weniger als eine halbe Blende an Zeitgewinn entsteht, dann ist auch das Freistellungspotential der hohen Öffnung zu einem ebenso großen Teil verschenkt.

 

[ZoneV]

Danke Mi67, das untermauert mein Bauchgefühl

Falls die Messungen die auf Luminous Landscape veröffentlicht wurden stimmen, dann wäre der Verlust bei der EOS 5D und der gemessenen 1.2er Optik (vermutlich eine der 1.2er Canon EF Optiken) tatsächlich schon bei 0.4 Lichtwerten. Und die EOS 450 hat dort einen Verlust von einer Blende, die 7D ist nicht viel besser.

Dann fehlen nur noch die Messungen der bildseitigen Telezentrizität der Optiken in den gängigen Fotozeitschriften
Wäre natürlich spannend, wenn die eine 50/1.2 Optik mit telezentrischem Strahlengang dann an ner 7D tatsächlich eine Blende mehr Freistellung bietet und 1 Lichtwert mehr Belichtung als irgendeine andere