Winkelakzeptanz messen?

[Gast_525567]

Hallo!

Ich beschäftige mich in letzter Zeit intensiv mit dem Thema "Belichtung" und komme einigermaßen voran. Es gibt nun leider eine ziemlich große Hürde für mich: die Winkelakzeptanz bei Sensoren.

Ein Photon, das senkrecht zum Sensor Richtung Zentrum des Sensors fliegt, hat ja wohl eine gewisse Wahrscheinlichkeit detektiert zu werden. Wenn es dagegen schräg zur Sensormitte fliegt, sinkt diese Wahrscheinlichkeit. Kann man das vielleicht quantitativ beschreiben? Winkel von 45 Grad und mehr sollten gar keinen Beitrag mehr liefern für zentrale Pixel, aber wie ist es zwischen 0 Grad und 45 Grad? Bleibt die Wahrscheinlichkeit zunächst relativ konstant und bricht ab einem Winkel (wo etwa?) total ein? Oder ist das mehr etwas Kontinuierliches (gibt es grobe Näherungen?)? Gibt es weitere Eigenschaften der Winkelakzeptanz, die gar nicht so sehr vom Sensor abhängen?

 

[01af]

Re: Winkelakzeptanz?

Wer (im Zusammenhang mit Fototechnik) über Photonen nachdenkt, ist in aller Regel schon auf dem Holzweg. Denke lieber an Lichtstrahlen ... oder noch besser: an Bündel von Lichtstrahlen.

Klassischerweise reduziert sich die Intensität eines Lichtstrahls mit der vierten Potenz des Cosinus des Einfallswinkels (optische Achse = 0°). Trifft also ein Lichtstrahl mit einem Winkel von z. B. 20° zur optischen Achse ein, so beträgt seine wirksame Helligkeit cos⁴ 20° = 0,9397⁴ = 0,7797 = 78 % der Helligkeit desselben senkrecht einfallenden Strahls.

Moderne Objektivkonstruktionen wirken dieser natürlichen Vignettierung entgegen, indem ihre Ein- und Austrittspupillen keine einfachen, flachen Scheibchen, sondern hochkomplexe, dreidimensionale Gebilde sind, die sozusagen umso größer erscheinen, je schräger der Winkel ist, unter dem sie betrachtet werden, und sich dem einfallenden Lichtstrahl quasi entgegenneigen. Wer schon einmal zur Frontlinse eines halbwegs modernen Superweitwinkels hineingeschaut und das Objektiv dabei hin- und hergeneigt hat, der weiß, davon ich rede. Diese Konstruktionsmaßnahmen können die natürliche Vignettierung auf cos³ oder cos^2,5 reduzieren.

Digitale Halbleiter-Bildwandler kennen darüber hinaus noch eine zusätzliche Quelle von Vignettierung – nämlich die Tatsache, daß jede Photodiode sozusagen am Boden eines winzigen Töpfchens angebracht ist. Und der Rand dieses Töpfchens schattet schräg einfallende Lichtstrahlen mehr oder weniger ab. Mikrolinsen über den Photodioden sollen das Licht an der Oberkante des Töpfchens abholen und ins Innere leiten. Die BSI-Technik (back-side illumination) zielt darauf ab, die Töpfchen möglichst flach zu gestalten. Objektive mit großen Austrittspupillenabständen (fälschlich gern als "telezentrisch" bezeichnet) sollen allzu schräg einfallende Lichtstrahlen von vornherein vermeiden. Jede dieser Maßnahmen ist hilfreich – deswegen sind moderne Sensoren sowie moderne Objektive besser als ältere –, doch keine ist perfekt. Deswegen ist das exakte Ausmaß der Vignettierung sehr von der Bauart des einzelnen Sensors abhängig, und allgemeingültige Aussagen zu Stärke und Verlauf der durch eingeschränkte Winkelakzeptanz verursachten Vignettierung sind nicht möglich.

 

[Gast_525567]

Man könnte vielleicht eine Messung zur Winkelakzeptanz des Sensors machen. Mit einer punktförmigen Lichtquelle auf die Mitte des Sensors zielen und mit der Spotmessung der Kamera die Belichtungszeiten messen. Wenn man dann den Sensor neigt, sollte sich in Abhängigkeit vom Neigungswinkel die Belichtungszeit ändern. Nur so ein Gedanke, muß ich mal ausprobieren.

 

[Gast_525567]

Die Messung wurde jetzt bei 15 Grad und 40 Grad Neigung durchgeführt. 15 Grad, weil da ungefähr der erste "Sprung" um 1/3 Blende stattfindet. Und 40 Grad, weil man sonst zu nah an den Bajonettrand (ca. 45 Grad) kommt. Bei mehreren Messungen bei unterschiedlichen Helligkeiten zeigt der Belichtungsmesser im Schnitt 2/9 Blenden Verlust bei 15 Grad und 8/3 Blenden Verlust bei 40 Grad. Von 0 Grad bis 40 Grad geht es kontinuierlich zu, soviel kann ich jetzt zu meinem Sensor sagen.

Die Wahrscheinlichkeit detektiert zu werden sinkt für jedes Photon also recht deutlich bei großen Winkeln (um den Faktor 0,81 bei 15 Grad und 0,21 bei 40 Grad). Das sieht nach einem cos^6-Gesetz aus.

Ein Objektiv mit F-Stop 1,2 würde dann gut 1/3 Blende verlieren, alleine wegen der schrägen Strahlen am Sensor (zusätzlich zu Transmissionsverlusten). Schon krass.....

 

[Nightshot]

Ich bin mir immer noch nicht ganz sicher worauf du hinaus willst, aber ich denke so ein Thema hatten wir hier schon mal:

https://www.dslr-forum.de/showthread.php?t=767070

Die Diagramme in Beitrag 109 und 138 zeigen glaube ich das was du eigentlich wissen willst (wie viel Licht kann ich bei den lichtstarken Optiken wirklich nutzen).

 

[Gast_525567]

Diagramme in Beitrag 109 und 138

Eine ganz originelle Idee, so zu messen!

Alles, was die Winkelakzeptanz der Pixel betrifft, interessiert mich. Also danke für den Link!

 

[ZoneV]

In guten Sensor Datenblättern findet sich die Angular Quantum Efficency. Allerdings gibts solche Datenblätter zu den in den Consumer Kameras verbauten Sensoren eher nicht öffentlich.