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Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

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  1. Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

    Autor: NeverDefeated 25.02.13 - 22:41

    Nikon hat einfach mal nachgerechnet und festgestellt, dass die meisten Objektive mit ihrer Linienauflösung einen 24MP-APS-C-Sensor garnicht mehr bedienen können, mit ihrer Auflösung somit unter der des Sensors bleiben und daher das Objektiv wie ein Tiefpassfilter wirkt. Wozu sollte man einen solchen dann noch einbauen?

    Somit ist wohl klar, dass den Herstellern längst bewusst ist, dass höher auflösende Sensoren als 24MP im APS-C-Format und 36MP im Kleinbildformat keinerlei Sinn mehr machen, da selbst die Auflösung eines Objektives unendlich hoher Fertigungsqualität die physikalische Beugungsgrenze nicht überwinden und somit, ohne vergrösserung der Sensorfläche und neuen, dazu passenden Objektiven, höhere Bildauflösungen nicht mehr zu erreichen sind.



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 25.02.13 22:48 durch NeverDefeated.

  2. Re: Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

    Autor: Harro 26.02.13 - 10:19

    Gibts dazu weitere Informationen?
    Links oder Belege

  3. Re: Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

    Autor: NeverDefeated 27.02.13 - 00:36

    Harro schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Gibts dazu weitere Informationen?
    > Links oder Belege

    Dazu braucht man keine Links oder Belege. Da muss man nur im Physikunterricht an gemeinbildenden Schulen aufgepasst haben. Im Bereich Optik wird da für gewöhnlich die Beugungsgrenze optischer Systeme besprochen und das diese selbst bei als fehlerfrei angenommenen Objektiven gilt.

    Nun sind reale Objektive aber nicht toleranz-/fehlerfrei zu produzieren und so begrenzt die Beugung die Auflösung jedes (auch eines theoretisch als ideal angenommenen) Objektivs zu kleineren Blenden hin, während Fertigungstoleranzen die mögliche Auflösung eines realen Objektivs zusätzlich zu grossen Blendenöffnungen hin begrenzen.

    Die Öffnung eines Objektivs (Blende) ist ein entscheidender Faktor für die erreichbare Auflösung: Je größer der Durchmesser der Öffnung im Verhältnis zur Brennweite ist, desto höher ist die theoretische erreichbare Auflösung. Im Folgenden sollte man zudem im Kopf behalten, dass sich mit jeder Stufe die man jenseits der Blende an der gerade noch keine Beugung auftritt "abblendet" (= die Blende schliesst) die darstellbare Auflösung halbiert.

    Es gibt somit auch bei realen Objektiven eine Blende bei der die höchste Auflösung zu erwarten ist. Blendet man eine Stufe weiter ab, halbiert sich die optische Auflösung die am Sensor "angeliefert" wird.

    Ich habe das mal für den Sensor der Nikon D800E durchgerechnet, die ich mir mal zulegen wollte, nach diesen Berechnungen aber doch lieber beim Händler habe stehen lassen:

    Deren 36MP-Kleinbild-Vollformatsensor besitzt eine maximale Seitenlänge von 4,9 µm für das einzelne Pixel.

    Man kann es genau berechnen (wie ich es damals getan habe), was aber hier zu weit führen würde, daher nenne ich hier nur die Faustformel, die man in der Praxis benutzt:

    maximale Blende = 2x Pixel-Seitenlänge in µm

    Bei der Nikon D800 gilt also: 2 x 4,9 = 9,8

    D.h. alle Blenden jenseits von Blende 10 sind schon bei einem als "ideal" angenommenen Objektiv zu meiden, da sie die Auflösung reduzieren.
    Zudem hatte ich die Pixel-Seitenlänge aus der Grösse des Sensors berechnet (Sensor-Seitenlänge geteilt durch die Menge der Pixel). In Wirklichkeit sind die Pixel auf dem Sensor aber etwas kleiner, so dass man sich in meinem Beispiel für Blende 8 als kleinste Blendenöffnung entscheiden würde um jegliche Auflösungsverluste zu vermeiden.

    Berechnet man nun die maximal mögliche Auflösung eines "idealen" Objektivs, so erhält man für eine Blende von 8 eine maximal erreichbare Auflösung von etwa 30 Megapixeln. D.h. schon ein theoretisches, ideales Objektiv erreicht bei Blende 8 NIEMALS eine Auflösung, die einen 36MP-Kleinbild-Sensor bedienen könnte. Ein Reales erreicht somit bei Blende 8 nicht einmal eine Linienauflösung, die einen 30MP-Kleinbild-Sensor ohne Tiefpassfilter bedienen könnte.

    Es bleibt also nur weiter aufzublenden um die theoretische Auflösung des Objektivs zu erhöhen und damit reduziert man bei einem realen Objektiv stark die Schärfentiefe und bekommt die Fertigungsungenauigkeiten im Bild mehr zu spüren, wodurch viele Bereiche hinter und vor der Hauptschärfeebene im Bild unscharf werden und somit auch keiner Sensorauflösung von 36MP mehr bedürfen, da ohnehin keine feinen Details mehr zu erkennen sind. Bei Blende 5.6 kann theoretisch etwa ein 60MP-Kleinbild-Sensor bedient werden, bei Blende 4 etwa ein 121MP-KB-Sensor, bei Blende 2.8 etwa ein 242MP-KB-Sensor usw.

    Manch einer mag sich nun denken: "Toll, da geht ja bei grösseren Blenden als 8 doch noch etwas in Sachen höherer Auflösung ohne auf einen grösseren Sensor ausweichen zu müssen." Dem kann ich nur raten, sich zu vergegenwärtigen, dass die Berechnung der maximal möglichen Auflösung für ein ideales Objektiv erfolgte und bei einem realen Objektiv oft schon bei einer Arbeitsblende von 4 erkennbare Verzeichnungen durch Herstellungstoleranzen erkennbar werden und die Schärfentiefe da schon recht knapp bemessen ist. Ein Zoom-Objektiv hoher Güte mit einer Blende von 2.8 kostet zudem schon im Weitwinkel/gemässigten Telebereich richtig Geld. Bei einem langen, apochromatisch korrigierten Tele sind das dann schon nicht mehr über 1000EUR, sondern gleich mehrere tausend Euro und das heisst noch lange nicht, das man dort mit einer Blende von 2.8 auch nur das gesamte Hauptobjekt noch im Schärfentiefebereich unterbringen kann.

    Generell ist also zu sagen, dass man in der Realität selbst bei einem 36MP-Kleinbild-Sensor ohne Tiefpassfilter in der Kamera und dem besten verfügbaren Objektiv vor der Kamera (und vor allem aus der Hand fotografiert) wohl so gut wie kein Foto machen wird, das bis in die Ecken eine echte Detailauflösung von 36MP liefert.
    Aufgrund der geringen Schärfentiefe bei grossen Blendeöffnungen ist es eher wahrscheinlich, dass über 70% der Bildfläche bei den gängigen Motiven ohnehin ausserhalb des Schärfebereichs liegen werden und der Sensor daher nur "Farbmatsch" (z.B. von Vordergrund und Hintergrund im Bild) aufzeichnet, für den auch eine Auflösung von 1MP noch genug gewesen wäre.


    Was meinem Vorhaben, mir eine Nikon D800E mit einem mehrere tausend Euro teuren APO-Super-Teleobjektiv (für Wassersportaufnahmen vom Ufer oder aus einem Boot heraus) anzuschaffen, dann aber letztlich das Genick gebrochen hat, war die Tatsache, dass ich deren Bilder nie als Ganzes, also ohne qualitätsmordendes Herunterskalieren, auf einem Monitor betrachten können werde. Mein aktueller 27-Zoll-Eizo-Monitor hat gerade mal 4MP und die noch im falschen Format (16:9), so dass nur ein Teil davon für das 3:2-Fotoformat zur Verfügung stehen. Wie lange soll ich bitte noch leben, bis endlich 36MP-Monitore erhältlich sind, auf denen ich dann die 36MP-Bilder einer Nikon D800E ohne Skalierungsartefakte ansehen kann? Bei den Sportarten, die ich zu meinen Hobbys zähle überleben viele nicht einmal 10 Jahre und in 10 Jahren sehe ich noch keinen Monitor oder Beamer mit 36 Megapixeln. Daher habe ich nun mehrere gebrauchte 6MP- und 10MP-Kameras gekauft (die kosten nur noch um die 150-500EUR und haben auch noch die qualitätsmässig besseren CCD-Sensoren - ein schöner Bonus ;-) ) und die Tiefpassfilter/AA-Filter aus einigen davon entfernt und ein neues Super-Tele für an die 6000EUR gekauft.

    Ein 6MP- oder 10MP-Foto kann ich in den nächsten 3-10 Jahren möglicherweise irgendwann auf einem einzelnen Monitor ohne Skalierungsartefakte anzeigen. Ich kann zudem (wie bei meinem letzten Shooting auf den kanarischen Inseln) selbst bei APS-C-Sensoren, die günstigerweise mein Super-Tele noch einmal "verlängern", kleinere Blenden als 8 verwenden (bei 10MP-Sensor etwa Blende 10, bei 6MP sogar Blende 11), ohne dass das Objektiv die Auflösung des Sensors nicht mehr schafft und habe damit einen grösseren Schärfentiefebereich.

    Eine geliehene Nikon D800E habe ich auf den kanarischen Inseln parallel zu meinen Kameras getestet. Sie macht tolle Fotos, auch wenn ich auf meinem Monitor wesentlich mehr von den 6MP-Fotos unskaliert darstellen kann und das dann besser aussieht als ein auf denselben Ausschnitt herunterskaliertes Bild der D800. Aber bei dem brutal hellen Licht dort am Strand, bin ich um jede Blendenstufe froh gewesen, die ich abblenden kann ohne Auflösung zu verlieren und da ist bei der D800E eben bei 8 Schluss und man muss die Verschlusszeit erhöhen um richtig belichtete Bilder zu bekommen. Wenn aber ein Windsurfer oder Kiter ein Manöver zu mir hin oder von mir weg fährt/springt, ist die grössere Tiefenschärfe von ein bis zwei Blendenstufen mehr einfach Gold wert. Ich musste die Schärfe oft von Hand einstellen, weil sogar der modernere Autofokus der D800E teilweise auf die glitzernde Wasseroberfläche oder auf die Wolken im Hintergrund statt auf den fliegenden Windsurfer/Kiter scharfstellte und das teilweise so ruckartig, dass er mir bei der langen Brennweite Unschärfe in die Bilder brachte. Oder die Kamera löste im passenden Moment nicht aus, weil der AF die Schärfe noch nicht gefunden hatte. Die Leute auf dem Wasser werden auch irgendwann müde und dann sitzen die Tricks auch nicht mehr so perfekt, d.h. möglichst jede Aufnahme muss beim ersten perfekt gestandenen Trick scharf gelingen. Da ist etwas mehr Schärfentiefe nicht mit Gold aufzuwiegen, weil der Fokus in einer Bilderserie von einem Manöver so zwischendurch nicht nachjustiert werden muss, sondern der Autofokus einfach abgeschaltet bleiben kann und der Akteur bei den Serienbildaufnahmen trotzdem immer im Schärfebereich bleibt.

    Tja, auch mal schön, wenn man keine 3000EUR für eine neue Kamera ausgeben muss, weil sie schlechter geeignet ist als alte Kameras für 150-500EUR von eBay. Das Geld habe ich dann lieber ins Objektiv gesteckt. Manchmal hat es Vorteile, wenn man mal etwas nachrechnet und nicht dem Megapixel-Werbegesülze der Hersteller glaubt. ;-)



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 27.02.13 00:47 durch NeverDefeated.

  4. Re: Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

    Autor: FotoKees 15.07.13 - 10:33

    Das sind ja ganz interessante Ausführungen über den Sinn hochauflösender Sensore ...

    Habe mal eine kleine Praxistest eingelegt und muss auf jeden Fall optisch feststellen, dass die Theorie Praxiswert hat.
    Bei einem Vergleich zwischen die D300 und die D7000 mit dem Nikkor 50/1.4G bei f/5,6 (das in MTF-Tests bei dieser Blede eine extrem hohe Auflösung zeigt), war in einem Extremausschnitt kaum ein Unterschied zu erkennen und wenn, dann zum Vorteil der D300 ...

    Meine Frage bleibt jedoch: Im Bezug auf Detailauflösung mag alles stimmen, aber für die Bildbearbeitung/Postproduktion kommen die HiRes-Sensore doch mit deutlich mehr Arbeitsmaterial (mehr verwandelbare Pixel). Oder verstehe ich da was falsch?

  5. Re: Das Objektiv IST der Tiefpassfilter

    Autor: thor.a 19.08.17 - 18:07

    Danke für die ausführliche Erklärung. Für Bildschirmwiedergabe reichen die alten Auflösungen bis 10MP tatsächlich locker. Allerdings natürlich nur, wenn man keine Ausschnittsvergrößerungen machen will; da reichen dann die Pixel natürlich nicht mehr.

    Und welche gebrauchten Kameramodelle hast Du Dir zugelegt?

    Thorsten

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