Beugung ... Blende ... Pixelabstand — gaah ...

[Omzu Iko]

Gerade las ich einen Artikel bei petapixel.com – und muß mich gleich wieder aufregen. Warum verzapfen die Leute immer und immer wieder so einen Sch..B? Ist denn Physik und Mathe wirklich so schwer?

Der fragliche Artikel verweist auf ein YouTube-Video, in dem es um die Beugung geht und um ihren Einfluß auf die Bildschärfe bei kleinen Blenden. Die Kernaussage ist, daß Objektive beim Abblenden besser werden, weil ihre Abbildungsfehler nachlassen, sie ihre beste Leistung dann bei mittleren Blenden bringen, und ihre Schärfeleistung schließlich aufgrund zunehmender Beugung bei noch kleineren Blenden wieder nachläßt. Das ist soweit auch völlig richtig. Aber dann kommt's:

Wann schlägt die Verbesserung durch nachlassende Abbildungsfehler in eine Verschlechterung aufgrund zunehmender Beugung um? Also wann genau wird das Optimum erreicht? (Falsche) Antwort jenes Artikels: Wenn die beugungsbedingten Streuscheibchen größer würden als der Pixelabstand des Sensors. Und daraus folge angeblich: Höher auflösende Sensoren bekämen früher ein Problem mit der Beugung, weil deren Pixel kleiner seien.

Seufz. Warum läßt sich dieser dämliche Mythos nicht ausrotten?

Tatsächlich ist es so: Die optimale Blende im Spannungsfeld zwischen Aberrationen und Beugung ist allein eine Eigenschaft des Objektives. Der Sensor in der Kamera hat damit genau gar nichts zu tun. Je besser das Objektiv, desto größer seine optimale Blende. Welche das ist, hängt in der Regel von den Anforderungen ab – für maximale Schärfe in der Bildmitte ist die optimale Blende bei den allermeisten Fotoobjektiven etwas größer als die für den besten Kompromiß bezüglich der Bildschärfe über das gesamte Bildfeld. Denn wenn beim Abblenden die Schärfe in der Bildmitte durch zunehmende Beugung bereits wieder nachläßt, steigt sie am Bildrand für die meisten Objektive noch ein wenig an. Aber einerlei, ob man sich für das Optimum nur in der Bildmitte interessiert oder für das gesamte Bildfeld: Die Blende, bei der es erreicht wird, ist unabhängig vom Auflösungsvermögen des Aufzeichnungsmediums. Sobald die Streuscheibchen jenseits des Optimums wieder größer werden, wird auch das Bild unschärfer – selbst dann, wenn die Beugungs-Streuscheibchen (Airy disks) immer noch kleiner wären als ein Pixel (eigentlich: Sensel, also Sensor-Element). Denn ein Bild besteht aus vielen Streuscheibchen – nicht nur aus einem pro Pixel, wie sich das der Produzent jenes Videos und der Verfasser des Artikels naiverweise wohl vorstellen.

Das heißt: Für ein gegebenes Objektiv und gegebenes Optimum-Kriterium (nur Bildmitte oder gesamtes Bildfeld) ist die optimale Blende unabhängig von der Sensorauflösung.

Bei einem höher auflösenden Sensor sticht das Optimum eines gegebenen Objektives lediglich deutlicher heraus. Es läßt sich leichter präzise bestimmen. Trägt man die Systemauflösung, also das Resultat aus Objektiv- und Sensorauflösung, über die verschiedenen Blenden in ein Diagramm ein, so steigt – bei gegebenem Objektiv – die Kurve bei höher auflösenden Sensoren steiler an und fällt jenseits des Optimums steiler wieder ab als bei niedriger auflösenden Sensoren. Aber das Maximum liegt für jeden Sensor bei derselben Blende, und die Kurve verläuft für den höher auflösenden Sensor bei jeder Blende höher als beim niedriger auflösenden. Daß höher auflösende Sensoren "früher" – also bei größeren Blenden – ein Problem mit der Beugungsunschärfe bekämen und daß man bei niedriger auflösenden Sensoren ohne Sorge um die Beugung ungestraft weiter abblenden dürfe, ist ein weit verbreitetes Mißverständnis ... ein geistiger Kurzschluß sozusagen. Und petapixel.com – ansonsten eine ebenso unterhaltsame wie informative Web-Seite über alle möglichen Aspekte der Digitalfotografie – trägt leider dazu bei, dieses ärgerliche und überflüssige Mißverständnis zu zementieren

[ManfredP]

Was sagst Du zu dieser, mir durchaus einleuchtenden Erkärung, wonach die Sensorgröße (nicht die Pixelgröße) wohl eine Rolle spielt

bearbeitet 12. Juni 2020 von ManfredP

[Berlin Photo]

vor 21 Minuten schrieb ManfredP:

...wonach die Sensorgröße... wohl eine Rolle spielt

Nicht wohl, sondern maßgeblich.

[Omzu Iko]

vor 2 Stunden schrieb ManfredP:

Was sagst denn zu dieser mir durchaus einleuchtenden Erkärung, wonach die Sensorgröße (nicht die Pixelgröße) wohl eine Rolle spielt?

Oha – Tom! Striewisch ist normalerweise sehr sachkundig, und sein Online-Fotolehrgang hat fast schon Kultstatus. Aber hier hast du ihn bei einer Falschaussage ertappt. Er verheddert sich zwischen den Begriffen absolute Öffnung, relative Öffnung, Beugung, Brennweite, Aufnahmeformat und Beugungsunschärfe.

Richtig ist, daß die Bildschärfe kleinerer Aufnahmeformate stärker durch Beugung beeinträchtigt wird als die größerer. Aber seine Begründung ist falsch.

Die Beugung als solche hängt tatsächlich nur von der absoluten Öffnung ab. Aber das Maß der Abweichung der gebeugten Lichtstrahlen in der Bildebene – also der Durchmesser der Beugungs-Streuscheibchen – hängt von der relativen Öffnung ab. Man kann für jede Blendenzahl (und jede Lichtwellenlänge) eine Obergrenze der theoretisch maximal möglichen Auflösung angeben, und die ist unabhängig von Brennweite und Aufnahmeformat. Für die Beugungsunschärfe bei f/4 zum Beispiel ist es also egal, ob die Öffnung 6,25 mm bei 25 mm Brennweite beträgt oder die Öffnung 100 mm groß ist bei 400 mm Brennweite. An der größeren Öffnung ist die Beugung zwar schwächer, aber über die längere Brennweite wirkt sie stärker. Daher zählt für die von der Beugung verursachte Unschärfe letztlich nur die relative Öffnung. Doppelte Blendenzahl ergibt doppelten Beugungs-Streukreisdurchmesser; beim Abblenden halbiert sich die maximal mögliche Auflösung alle zwei Blendenstufen.

Allerdings erscheinen in der Aufnahme gleich große Streukreise umso größer im fertigen Bilde, je stärker die Aufnahme vergrößert werden muß – je kleiner also das Aufnahmeformat ist. Kleinere Aufnahmen müssen schärfer sein, damit das fertige Bild gleich scharf erscheint. Ein Beugungs-Streuscheibchen von, sagen wir, 0,02 mm Durchmesser richtet in einer Verdrittel-Aufnahme größeren Schaden an als in einer Kleinbild- oder Mittelformataufnahme. Das ist der Grund, warum man bei größeren Aufnahmeformaten stärker abblenden darf als bei kleinen – es ist nicht, weil beim größeren Format die Beugung schwächer wäre, sondern weil das größere Format mehr Beugung wegstecken kann.

[Jantoni]

vor 1 Stunde schrieb Omzu Iko:

es ist nicht, weil beim größeren Format die Beugung schwächer wäre, sondern weil das größere Format mehr Beugung wegstecken kann.

Und wäre das dann nicht auf die höhere "Sensel"-Dichte bei kleineren Formaten zurückzuführen?

Es wird ja nicht nur ein größerer Anteil der Gesamtfläche verhunzt, sonder in dieser Fläche noch mehr Sensel.

Ich blick's langsam gar nicht mehr...

bearbeitet 12. Juni 2020 von Jantoni

[Omzu Iko]

vor 47 Minuten schrieb Jantoni:

Und wäre das dann nicht auf die höhere "Sensel"-Dichte bei kleineren Formaten zurückzuführen?

Nein. Du brauchst dir doch nur einmal zu überlegen, wie es mit zwei verschieden großen Sensoren aussieht, bei dem der kleinere ebenso große Pixel (äh, Sensel ... ich sag trotzdem "Pixel") hätte wie der größere, nur weniger davon. Dann gibt's beim kleineren trotzdem mehr Unschärfe durch Beugung (bei gleicher Blende) als bei größeren, und zwar immer in genau dem Maße, wie er linear kleiner ist. Und dasselbe passierte, wenn der kleinere Sensor gleich viele, dafür kleinere Pixel hätte – es zählt nur die Sensorgröße; die Pixelgröße ist dabei egal.

[Jantoni]

Was ich mir wünsche ist eine klare Übersicht über zutreffende Aussagen, nicht die Widerlegung unzutreffender Aussagen. z.B.:

Die Lichtstärke von Objektiven wird durch das Verhätlnis von Brenntweite zur Öffnung bestimmt, Sensorgröße spielt keine Rolle, weil..

Die Schärfentiefe bei äquivalenten Objektiven, bei gleicher Blende und Abstand zum Motiv ist kleiner/gleich/größer... Für den selben Bildeindruck muss man auf/abblenden

Die Beugunsunschärfe bei äquivalenten Objektiven ist... und wird duch durch die Sonsorgröße wie beieinflusst. Folgerung für kleinere Blenden...

u.v.m

Das ganze Thema ist nicht einfach, und wenn man immer wieder ganze Threads quer lesen muss, dauert es umso länger, bis es endlich sitzt. Und zwei Tage später fängt man wieder an, weil irgendetwas doch nicht so ganz klar ist.

@Andreas J: Beherrscht das Formum eigentlich sowas wie Wiki-Seiten? Ggf. könnte man ja wirklich so eine art Nachschlagewerd zum dem Thema schaffen.

bearbeitet 12. Juni 2020 von Jantoni

[jsc0852]

vor 14 Minuten schrieb Jantoni:

Ggf. könnte man ja wirklich so eine art Nachschlagewerd zum dem Thema schaffen.

Gibt doch bereits die Olypedia. Soweit ich weiß, kann man da auch eigene Artikel verfassen. Muss sich nur jemand bemüssigt fühlen, dass ganze aufzudröseln und verständlich zu schreiben.

bearbeitet 12. Juni 2020 von jsc0852

[Jantoni]

vor 24 Minuten schrieb jsc0852:

Gibt doch bereits die Olypedia. Soweit ich weiß, kann man da auch eigene Artikel verfassen. Muss sich nur jemand bemüssigt fühlen, dass ganze aufzudröseln und verständlich zu schreiben.

Sorry, das war blöd formuliert. Ich wünsche mir ja eine Übersicht, kein Nachschlagewerk. Eine Übersicht mit den "knackigen" Aussagen, die dann gerne ins Olypedia verlinken.

[Nieweg]

vor einer Stunde schrieb Jantoni:

Sorry, das war blöd formuliert. Ich wünsche mir ja eine Übersicht, kein Nachschlagewerk. Eine Übersicht mit den "knackigen" Aussagen, die dann gerne ins Olypedia verlinken.

Du willst den 'Königsweg'. Einige knackige findet man in grundlegenden Büchern oder Webseiten etc. zur geometrischen Optik. Sonderfragen z. B. quantitative Angaben zu Beugung u.a.m. kann man nicht einfach knackig beantworten, verlangen oft nähere Angaben zu dem Drumherum, zu weiteren genauen Randbedingungen und führen selbst dann zu länglichen Erörterungen - gerne auch kontrovers.

Optik kann sehr schwierig sein und muss erarbeitet werden.

Hinter manchen eigentümlichen Fragen stehen oft festgefahrene falsche Vorurteile oder unscharfe unsinnige Fragestellungen. Da muss der Antwortende erst einmal die Grundlagen richtig hinrücken.

bearbeitet 12. Juni 2020 von Nieweg

[Omzu Iko]

vor einer Stunde schrieb Jantoni:

Ich wünsche mir ja eine Übersicht, kein Nachschlagewerk. Eine Übersicht mit den "knackigen" Aussagen, die dann gerne ins Olypedia verlinken.

Tja – wünschen kann man sich vieles ... ich zum Beispiel wünsche mir einen Goldesel. Aber ich fürchte, da wird nichts draus.

Wer sollte denn diese "Übersicht der knackigen Aussagen" erstellen? Wenn der eine diese Liste aufstellt und der andere jene, und sie stimmen nicht überein, welche würdest du dann nehmen? Nein, nein, du wirst schon immer auch selber ein bißchen nachforschen und mitdenken müssen; das kann dir keiner abnehmen. Schließlich sollst du keine Liste von Aussagen auswendig lernen, sondern verstehen, wie und warum es zu den jeweiligen Aussagen kommt. Dann kannst du auch selber den Experten vom Möchtegern-Erklärbären unterscheiden.

[Jantoni]

Ja! Ich wünsche mir den Köningsweg!!! 😍

Eine Einstiegsseite mit den "knackigen" Aussagen. MIt Verlinkung auf entsprechende Seiten zu Vertiefung der Thematik. So dass man anhand der Aussagen lernen und begreifen kann.

@Omzu Iko Du verbringst doch hier sehr viel Zeit damit, darüber aufzuklären welche Usinnn verbreitet wird (und vielen Dank dafür!). Vielleicht einfachmal andersherum: Aufklären bevor der Unsinn verbreitet wird.

In diesem Forum ist eine Menge Know How anwesend, aber dies verpufft in vielen (manchmal auch einfach unerträglichen) Threads.