Wo liegt die theoretische Auflösungsgrenze?

[01af]

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Als Anwender des Olympus-Systemes: Mit Hilfe eines M42-Adapters habe ich einige ältere Objektive auf meiner E410 montiert und kann dabei deutlich sehen, daß sie bei offener Blende nicht in der Lage sind, dem Sensor genügend Auflösung bereitzustellen. Ein Pentacon 1:1,8/50 mm muß beispielsweise auf Blende 8 abgeblendet werden, um akzeptable Dateien im Vergleich mit dem Olympus 17,5-45-mm-Kitobjektiv zu liefern (akzeptabel heißt: ich will keine verwaschenen Bereiche in der Datei sehen). Vergleiche ich die Ergebnisse zum Olympus 1:2/50 mm, das den FT-Sensor sehr gut bedient, sind alle meine M42-Objektive Gurken.

Das ist doch völliger Unsinn, den du da erzählst. Wenn dein Pentacon-50er bei großen Blenden unscharfe Bilder liefert, dann liegt das nicht daran, daß es "vom Sensor überfordert" wird, sondern schlicht und einfach daran, daß es ein schwaches Objektiv ist. An einer 5-Megapixel-Kamera würde es ebenso weniger scharfe Bilder liefern als das hervorragende Zuiko Digital 1:2/50 mm, und an einer 1-MP-Kamera ebenso.

 

Im Umkehrschluß heißt dies, daß 40 MP als Sensorgröße einer Leica M ein Wert sind, bei denen ältere Leica-Objektive im Randbereich überfordert sein werden.

Ältere Leica-Objektive sind bei voller Öffnung im Randbereich an jedem Sensor überfordert. Es ist eine naive Milchmädchenauffassung, daß in einer Kette mehrerer auflösungsbegrenzter Abbildungsglieder (hier: Objektiv–Sensor) das schwächste Glied die Gesamtauflösung definiere und eine Verbesserung des ohnehin schon stärkeren Gliedes keinen Unterschied mache, solange das schwächere Glied nicht dem Niveau des stärkeren angeglichen werde. Ist ein Objektiv besser als ein anderes, so ist es das bei jeder Sensorauflösung.

 

Und löst ein Sensor höher auf als ein anderer, so tut er das unter jedem Objektiv. Die Vorstellung, ein Objektiv würde bis zu einer bestimmten Sensorauflösung scharfe Bilder liefern und darüber unscharf werden, ist weitverbreitet, aber unsinnig.

 

Also selbst dann, wenn man das ohnehin stärkere Glied weiter verbessert (z. B. bei gegebenem Sensor ein exzellentes Objektiv durch ein noch besseres ersetzt oder unter einem gegebenen Objektiv einen hochauflösenden Sensor gegen einen noch höher auflösenden austauscht), steigt die Systemauflösung an. Daß das Kosten-Nutzen-Verhältnis besser wäre und die Systemauflösung stärker ansteigen würde, wenn man das schwächere Glied zuerst verbesserte, steht auf einem anderen Blatt. Die Frage war nach der theoretischen Auflösungsgrenze, nicht nach der praktischen.

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[mjh]

die Rückfragen halte ich, angesichts der Tatsache, daß sich die Auflösung / Schärfeleistung eines aktuellen Leicaobjektivs durchaus ohne große Schwierigkeiten praxisnah messen lässt, genauso, wie man z.B. die Auflösungsleistung von Mikroskopoptiken im Mikroskop und nicht auf der Messbank praxisnah bestimmen kann, für die Beantwortung der Frage nicht übermäßig wichtig. Von der in der Praxis(!) gemessenen Detailauflösung im Luftbild lässt sich durchaus die zur bildlichen Darstellung dieser Details notwendigen Pixelgröße und - dichte abschätzen bzw. konkret berechnen.

Na, dann mess’ mal oder rechne es nach! Ich habe hier weder eine optische Bank, noch verfüge ich über die Daten aus Leicas Computern und kann die Frage daher weder auf die eine oder andere Weise beantworten. Wer diese Möglichkeiten hat, mag es versuchen.

 

z.B. die E3 zeigt ja durchaus bereits existierende technische Möglichkeiten

Sie zeigt, wie sich die Objektive in einem zentralen Bereich verhalten, was einem nicht weiterhilft, wenn man nach der möglichen Auflösung eines Kleinbildsensors fragt. Darauf zielten doch meine Rückfragen, nämlich in einem wie großen Teil des Bildfelds ein wie großer Kontrast bei welcher Blende erzielt werden soll. Wenn einen nur das mittlere Viertel des Bildfelds interessiert, könnte man die Ergebnisse mit Micro-FourThirds-Kameras heranziehen (die E3 wäre eher für Besitzer von R-Objektiven interessant). Aber wenn man sich dafür interessiert, einen wie hoch auflösenden Sensor man in einen M9-Nachfolger einbauen könnte, hilft das nicht weiter.

[mjh]

Und löst ein Sensor höher auf als ein anderer, so tut er das unter jedem Objektiv. Die Vorstellung, ein Objektiv würde bis zu einer bestimmten Sensorauflösung scharfe Bilder liefern und darüber unscharf werden, ist weitverbreitet, aber unsinnig.

Ganz so einfach ist es nicht. Du gehst offenbar davon aus, dass sich die Kontrastleistung eines Objektivs bei unterschiedlichen Ortsfrequenzen analog verhält, aber das ist durchaus nicht immer so. Der Kontrast kann im Bereich hoher Ortsfrequenzen einbrechen, bei niedrigen Ortsfrequenzen aber auf einem passablen Wert bleiben, und dann könnte ein solches Objektiv an einem niedriger auflösenden Sensor mit größeren Pixeln durchaus gute Ergebnisse bringen – die kritischen Ortsfrequenzen würden dann gar nicht erst vom Sensor registriert. Umgekehrt gibt es das klassische Weichzeichnerobjektiv, das bei niedrigen Ortsfrequenzen wenig Kontrast zeigt, aber gleichwohl noch einen nennenswerten Kontrast bei hohen Ortsfrequenzen produziert. Das wäre dann bei jeder Sensorauflösung ein Weichzeichnerobjektiv. Pauschale Aussagen sind hier nicht möglich.

[stephan_w]

Zunächst mal herzlichen Dank für die Antworten. Es ging mir wirklich eher darum zu wissen, welchen hypothetischen Sensor die aktuellen Objektive noch bedienen könnte. Da schliesse ich auch das R-System mit ein. Das ist gar nicht so theoretisch, denn es gibt ja durchaus schon jetzt brauchbare Sensoren mit höhrer Auflösung, siehe Canon oder diese kleinen 4/3-Sensoren. Man könnte zumindest diese Sensoren hochrechnen, oder? Mir ist natürlich schon bewusst, dass es bei jedem Objektiv einen Randabfall gibt.

 

Meine Frage hat auch einen anderen Hintergrund: Ich habe ein paar sehr gute, aktuelle Objektive aus dem R-System. Meine Vergleich mit Objektiven anderer Hersteller an der Nikon d3x haben ergeben, dass es zwar Unterschiede gibt, die Leica-Objektive aber ihre Vorteile (wenn sie denn welche haben), an dem 24 mp-Sensor noch nicht auspielen können. Vielleicht könnte das aber einmal der Fall sein, wenn sich die Sensoren noch entwickeln?

[pop]

Das ist doch völliger Unsinn, den du da erzählst..

 

Vielleicht suchst Du mal nach einer Anleitung, wie man sich mit Leuten unterhält.

 

Es macht nichts, wenn einer von Optik nichts versteht. Das entbindet einen nicht von den elementarsten Regeln des Anstands.

[mjh]

Es ging mir wirklich eher darum zu wissen, welchen hypothetischen Sensor die aktuellen Objektive noch bedienen könnte. Da schliesse ich auch das R-System mit ein. Das ist gar nicht so theoretisch, denn es gibt ja durchaus schon jetzt brauchbare Sensoren mit höhrer Auflösung, siehe Canon oder diese kleinen 4/3-Sensoren. Man könnte zumindest diese Sensoren hochrechnen, oder?

Darin liegt eben das Problem. Es gibt FourThirds-Sensoren mit einem Pixelraster von 4,3 µm (und von Canon mittlerweile auch einen APS-C-Sensor mit diesem Pixelraster), und bei den Kompaktkameras sind wir bei 1,4 µm angelangt. Diese Sensoren sind aber alle kleiner als das Kleinbildformat. Könnte man also mit 4,3-µm-Pixeln 47 Megapixel oder mit 1,4-µm-Pixeln sogar 441 Megapixel sinnvoll auflösen?

 

Teilweise können wir ausprobieren, wie das aussähe, da sich Kleinbildobjektive an Kameras mit FourThirds-Sensor adaptieren lassen. Das Ergebnis ist allerdings nicht einfach vorherzusagen, da wir es mit zwei Effekten zu tun haben: Einerseits nutzen diese kleineren Sensoren nur den mittleren Teil des Bildkreises, in dem das Objektiv seine höchste Leistung erbringt. Andererseits registriert der Sensor mit seinen kleinen Pixeln noch Ortsfrequenzen, für deren Auflösung das Objektiv nie gedacht war und über die wir keine Daten haben. Hochrechnen kann man das nicht, und daher muss man es ausprobieren. Wie sich das Objektiv vor einem Kleinbildsensor mit ebenso kleinen Pixeln schlagen würde, können wir erst recht nicht hochrechnen. Es gibt keine Hochrechnung der Kontrastleistung bei höheren Ortsfrequenzen.

 

Man kann es auch so sagen: Die Ortsfrequenzen, für die Leica MTF-Kurven publiziert hat, sind diejenigen, für die die Objektive optimiert sind. So gesehen sind die M9 und M8 optimal an das Leistungsvermögen dieser Objektive angepasst, denn ihre Sensoren fordern den Objektive diese Leistung ab – und noch ein bisschen mehr. Nun kann man sich fragen, ob es da nicht noch etwas Spielraum gäbe, und sicherlich gibt es den. Wir bewegen uns dann aber außerhalb der Spezifikation.

[stephan_w]

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Andererseits registriert der Sensor mit seinen kleinen Pixeln noch Ortsfrequenzen, für deren Auflösung das Objektiv nie gedacht war und über die wir keine Daten haben. Hochrechnen kann man das nicht, und daher muss man es ausprobieren. Wie sich das Objektiv vor einem Kleinbildsensor mit ebenso kleinen Pixeln schlagen würde, können wir erst recht nicht hochrechnen. Es gibt keine Hochrechnung der Kontrastleistung bei höheren Ortsfrequenzen.

 

Was würde denn im schlimmsten Fall passieren?

[mjh]

Was würde denn im schlimmsten Fall passieren?

Der Sensor tastet das Bild mit höherer Auflösung als nötig ab; das schadet nicht und reduziert zudem die Moiré-Gefahr. Allerdings handelt man sich mit den kleinen Pixeln einen unnötig kleinen Dynamikumfang und Rauschabstand ein. Dagegen lässt sich technisch auch wenig ausrichten, weil die Zahl der Photonen, die auf kleine Pixel fällt, von vornherein Grenzen setzt. Das Bild ist schon verrauscht, noch bevor der Sensor eine Chance hatte, eigenes Rauschen hinzuzufügen. Will heißen: Wir bräuchten hier keine besseren Sensoren, sondern bessere Photonen. Aber das ist so gesehen schon beim Urknall falsch gelaufen, und jetzt müssen wir in dem Universum leben, wie es damals entstanden ist.

 

Mehr dazu in der dritten Folge meiner „Die neuen Spielregeln“ Saga in der LFI …

[feuervogel69]

um mal noch einen gendankengang hinzuzufügen:

 

man könnte (ich hab jetzt die tabellen nicht mehr im kopf, es gab im netz aber solche) mal ganz einfach für die objektive zur m die beugungsgrenze bestimmen und dann bezogen auf KB die höchstmögliche pixelzahl die z.b. das noctilux noch beugungsbegrenzt auflösen könnte.

 

das noctilux deshalb, weil höhere lichtstärke kleinere beugungsscheibchen liefert.

 

das wäre dann sozusagen (wenn man mal davon ausgeht, daß das aktuelle nocti z.z. das lichtstärkste objektiv für KB ist) die theoretisch wirklich höchstmögliche auflösungsgrenze, die man optisch überhaupt erreichen kann mit KB.

 

und wenn man dann noch praktisch das ganze mal bei blende 4 durchspielt, wird es möglciherweise offenbar, daß gar nicht merh soviel spielraum ist, für noch mehr auflösung. je nach wellenlänge ist die beugung größer, aber irgendwann kommt jeder sensor an diese grenze. die kleinsensoren sind von daher auch nicht mehr groß steigerungsfähig (es sei denn man baute höchstlichtstarke optiken dafür...)

 

lg

[stephan_w]

Allerdings handelt man sich mit den kleinen Pixeln einen unnötig kleinen Dynamikumfang und Rauschabstand ein. Dagegen lässt sich technisch auch wenig ausrichten, weil die Zahl der Photonen, die auf kleine Pixel fällt, von vornherein Grenzen setzt. Das Bild ist schon verrauscht, noch bevor der Sensor eine Chance hatte, eigenes Rauschen hinzuzufügen.

 

Meiner Erfahrung nach wird bei mehr Pixeln das Rauschen weniger wahrgenommen, eben weil es sich auf mehr Pixel verteilt (der Sensor hat gewissermassen feineres Korn )

 

Wobei sich ja die Frage nach den Verlusten stellt. Wenn z.B. unter einer Microlinse (oder vielen mikrolinsen) ein Pixel ist, und die microlinse (theoretisch) keinen Spalt zur Nachbarmicrolinse hat, dann würden theoretisch alle Photonen aufgefangen, die auf die Kleinbildfläche fallen. Das zuende gedacht, sollte es dann keine Rolle mehr spielen (In Bezug auf das Rauschen), ob darunter jetzt einige grosse Töpfe sitzen, oder viele kleine.

 

Mehr dazu in der dritten Folge meiner „Die neuen Spielregeln“ Saga in der LFI …

 

Seit längerem mal ein interessanter Artikel in der LFI

 

Zur Belichtung werde ich dann noch mal eine Frage gesondert stellen.

[gerd_heuser]

das noctilux deshalb, weil höhere lichtstärke kleinere beugungsscheibchen liefert.

 

das wäre dann sozusagen (wenn man mal davon ausgeht, daß das aktuelle nocti z.z. das lichtstärkste objektiv für KB ist) die theoretisch wirklich höchstmögliche auflösungsgrenze, die man optisch überhaupt erreichen kann mit KB.

 

Ich möchte heftigst bezweifeln, daß das Noctilux bei voller Öffnung beugungsbegrenzt ist.

[01af]

Ich möchte heftigst bezweifeln, daß das Noctilux bei voller Öffnung beugungsbegrenzt ist.

Das darf gern bezweifelt werden.

 

Es ist aber in diesen Zusammenhang interessant zu wissen, daß es tatsächlich Objektive gibt, die bei f/0,6 - f/0,7 beugungsbegrenzt sind – allerdings nicht für Fotografen, sondern für industrielle Anwendungen. Und die kosten dann auch nicht läppische 8000 Euro, sondern fünf- bis sechsstellige Beträge.

[pop]

Objektive gibt, die bei f/0,6 - f/0,7 beugungsbegrenzt sind .

 

bei welcher Brennweite und Wellenlänge?

[01af]

Ganz so einfach ist es nicht.

Doch, grundsätzlich ist es so einfach. Kompliziert wird es dann, wenn man die Praxis betrachtet. Bei der ursprünglichen Frage aber ging es um die theoretische, also prinzielle Auflösungsgrenze. Und eine solche existiert nicht.

 

In der Praxis existiert schon eine. Aber die hängt von vielen Faktoren ab ... darunter auch einige subjektive.

 

 

Du gehst offenbar davon aus, dass sich die Kontrastleistung eines Objektivs bei unterschiedlichen Ortsfrequenzen analog verhält, aber das ist durchaus nicht immer so.

Keineswegs. Ich gehe einfach nur davon aus, daß ein besseres Objektiv bei gleicher Kontrastleistung mehr Linienpaare pro Millimeter auflöst als ein schlechteres.

 

Und vor allem gehe ich davon aus, daß man die Ortsfrequenzen des Motives nicht mit den Pixelrasterfrequenzen des Sensors verwechselt.

 

 

Der Kontrast kann im Bereich hoher Ortsfrequenzen einbrechen, bei niedrigen Ortsfrequenzen aber auf einem passablen Wert bleiben, und dann könnte ein solches Objektiv an einem niedriger auflösenden Sensor mit größeren Pixeln durchaus gute Ergebnisse bringen ...

Ja ja ... aber das war nicht die Frage. Ein solches Objektiv mag in seinem absoluten Aufösungsvermögen begrenzt sein. Dennoch wird es auf einem höher auflösenden Sensor stets ein insgesamt besseres Bild liefern als auf einem niedriger auflösenden. Man muß sich von dem Denkfehler befreien, daß ein schwaches Objektiv an einem niedrigauflösenden Sensor ein gutes Ergebnis bringen könnte ... oder gar ein besseres als an einem hochauflösenden. Schwache Objektive sind immer schwach. Und starke sind immer stark. Die Qualität eines besseren Objektives scheint durch jeden Sensor hindurch, einerlei ob der niedrig- oder hochauflösend ist.

 

 

Das wäre dann bei jeder Sensorauflösung ein Weichzeichnerobjektiv.

So ist es.

 

 

Pauschale Aussagen sind hier nicht möglich.

Die pauschale Aussage, daß das bessere Objektiv im Vergleich zu einem schlechteren an jedem Sensor das bessere sein wird, ist sehr wohl möglich.

[01af]

Bei welcher Brennweite?

Keine Ahnung. Ist aber auch vollkommen egal. Ich denke, daß es speziell in der Halbleiter-Fertigung solche Objektive in allen möglichen Brennweiten gibt ... von 5 mm bis 500 mm, vielleicht noch mehr. Die Bildwinkel dürften tendenziell wohl eher mäßig bis klein sein. Und wenn man nicht nur industrielle Anwendungen, sondern auch noch wissenschaftiche (z. B. in Raumsonden) und militärische (z. B. Feuerleitstände auf Kriegsschiffen, Teleobjektive in Aufklärungssatelliten) in Betracht zieht, wo Geld keine Rolle spielt, dann gibt's sicher auch Brennweiten von mehreren Metern in diesen Lichtstärken. Beugungsbegrenzt.

 

 

... und Wellenlänge?

Die für die Anwendung in der Halbleiterfertigung: bei genau einer Wellenlänge, und zwar im kurzwelligen UV-Bereich.

[pop]

sicher auch Brennweiten von mehreren Metern in diesen Lichtstärken. Beugungsbegrenzt.

 

Ein Objektiv mit - sagen wir - drei Metern Brennweite und einem Linsendurchmesser von fünf Metern, dessen Abbildungsschärfe bei sichtbarem Licht von der Beugung an der Blendenkante begrenzt ist - das muss ja wirklich sehenswert sein.

[01af]

Ein Objektiv mit – sagen wir – drei Metern Brennweite und einem Linsendurchmesser von fünf Metern, dessen Abbildungsschärfe bei sichtbarem Licht von der Beugung an der Blendenkante begrenzt ist – das muss ja wirklich sehenswert sein.

Deine Phantasie ist begrenzter als das Auflösungvermögen eines 1,8/50-mm-Pentacons. Wer sagt denn, daß so ein Objektiv nur eine Frontlinse haben kann? Oder daß es überhaupt Linsen haben müßte?

[Guest tadakuni]

Das zuende gedacht, sollte es dann keine Rolle mehr spielen (In Bezug auf das Rauschen), ob darunter jetzt einige grosse Töpfe sitzen, oder viele kleine.

 

Warum meinst Du, dass es in Bezug auf das Ausmaß des Rauschens keine Rolle spielt, wieviel Photonen auf jeweils ein Pixel treffen?

 

Grüße

 

Achim

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Hallo,

Look here: Interesting Leica gear

[pop]

Deine Phantasie ist begrenzter

 

Ja, meine Phantasie ist in dieser Beziehung etwas kleiner als mein Wissen. Bitte belehre uns. Zeige uns ein optisches System, welches

• Ein reelles Bild macht
  
• Eine Brennweite von mehreren Metern hat
  
• Eine Lichtstärke von 1/0,6 ... 1/0,7 hat
  
• Eine Auflösung hat, die von der Beugung begrenzt ist
  
• Keine Linsen hat
  

[Guest tadakuni]

Als User des Olympus-Systemes: Mit Hilfe eines M42 Adapters habe ich einige ältere Objektive auf meiner E410 montiert und kann dabei deutlich sehen, dass sie bei offener Blende nicht in der Lage sind, dem Sensor genuegend Auflösung bereit zu stellen. Ein Pentacon 1.8/50mm muss beispielsweise auf Blende 8 abgeblendet werden, um akzeptable Dateien im Vergleich mit dem Olympus 17.5-45mm Kitobjektiv zu liefern (akzeptabel heisst: ich will keine verwaschenen Bereiche in der Datei sehen). Vergleiche ich die Ergebnisse zum Olympus 2.0/50mm Objektiv, das bedient den FT-Sensor sehr gut, sind alle meine M42- Objektive Gurken.

 

Im Umkehrschluss heisst dies, dass 40 MPx als Sensorgröße einer Leica M ein Wert sind, bei denen ältere Leica-Objektive im Randbereich überfordert sein werden.

 

Sofern ich die Ausführungen von Herrn Dr. Nasse in den Ausgaben 30 und 31 der von Zeiss auf deren Internetseite veröffentlichten "Camera Lens News" (Camera Lens News, Ausgabe 30 | photoscala) " Wie liest man MTF-Kurven?" richtig verstanden habe, ist die Vorstellung, Objekiv und Sensor würden in einem Flaschenhalsverhältnis zueinander stehen, irrig. Die MTF des Gesamtsystems ist jeweils das Produkt der jeweiligen MTF von Objektiv und Film oder auch Objektiv und Sensor (und natürlich der weiteren Glieder in der Kette bis zum letztendlich betrachteten Bild). Hat eines der Glieder eine höhere MTF, erhöht dies also nach meinem derzeitigen Verständnis auch immer die MTF der Gesamtkette.

 

In diesen Artikeln von Herrn Dr. Nasse sind auch für einige Zeiss Objektive die beugungsbegrenzten MTF-Werte angegeben. In Bezug auf einige Leica Objektive finden sich hierzu, so meine ich mich zumindest zu erinnern, Angaben auf der Internetseite von Erwin Puts sowie in dessen "Leica Lens Compedium" (R 1:4/280 Apo z. B.).

 

Grüße

 

Achim