Belichtungszeiten mit IS und Unschärfe durch Beugung

the-ninth · 19. Aug. 2022

m@sche schrieb:
Die Ausrichtung der Erschütterung ist vertikal, also so wie die Ablaufrichtung des Verschlusses. Ob die Stabilisierung(*) zum Überschwingen angeregt wird, oder die Auslenkung rein von der Erschütterung kommt, ist in diesem Versuchsaufbau nicht eindeutig zu erkennen.

Da bleibt mir wohl keine Wahl als den Versuchsaufbau zu erweitern.

Also, diesmal Belichtungszeiten von 1/50 bis 1/160, jeweils alle vier Kombinationen von mechanischem und elektronischem Verschluss, mit und ohne IBIS. Von jeder Einstellung wieder fünf Bilder. Die Kamera war wieder labil auf Resonanzdämpfern gelagert.

Die Bilder mit mechanischem Verschluss ohne IBIS zeigen ähnliche vertikale Schatten wie mit IBIS, und scheinen mir generell nicht schärfer. Also, der IBIS kann - wie schon festgestellt - den Shutter Shock nicht kompensieren, scheint aber auch nicht zu schaden.

Hier die Bilder:

das_teufelchen · 19. Aug. 2022

Kurios das die Schärfe ohne IBIS mit elektronischen Shutter bei allen Zeiten einen Ticken schärfer ist.
Und auch beim mechanischen Shutter mit 1/125 und 1/160 sind die Ergebnisse ohne IBIS schärfer.

Nicht das es jetzt einen wesentlicher Unterschied wäre, aber mir ist es nur aufgefallen.

Deine Resonanzdämpfer wirken ja wie ein Stativ. Liegt es vielleicht daran?

the-ninth · 19. Aug. 2022

das_teufelchen schrieb:
Kurios das die Schärfe ohne IBIS mit elektronischen Shutter bei allen Zeiten einen Ticken schärfer ist. […] Deine Resonanzdämpfer wirken ja wie ein Stativ. Liegt es vielleicht daran?

Ja, das ist mir schon auch aufgefallen. Mit einem Stativ ist es nur teilweise vergleichbar. Die Kamera liegt zwar ruhig, aber etwaige Vibrationen durch den IBIS würden auf den Resonanzdämpfern wohl stärker zum Tragen kommen. Es scheint aber auf jeden Fall dass der IBIS da schon eine minimale Unruhe ins Bild bringt.

m@sche · 20. Aug. 2022

Stuessi schrieb:
Ok, das erklärt den Faktor 4 bei der Pixelzahl.

Aber:

Wenn des höheren Kontrasts wegen nur 550 Lp/mm abgebildet werden sollen,
muss der Sensor doch mehr als 550 Lp/mm, also besser 1100 Lp/mm abbilden können!?

Vielleicht habe ich deine Frage falsch verstanden, hier aber trotzdem mal eine Antwort:
Nein, der höhere Kontrast ergibt sich durch die geringere Überlappung der Beugungsscheibchen, die Maxima und Minima liegen dann abstandsmäßig weiter auseinander, es reichen dann weniger Pixel pro mm um diese größeren Abstände nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem aufzulösen.
Ggf. einfach nochmal nachfragen.

Hier mal ein paar Kontrastwerte für die Überlappung der Beugungsscheibchen,
berechnet mit Hilfe der Besselfunktion:

Code:

Überlappung  Kontrast
57%            1.5%
55%            5.2%
53%            9.1%
52%           11,1%
51%           13.2%
50%           15.3%	 <- Rayleigh-Kriterium
45%           26.6%
40%           38.8%
35%           51.4%
30%           63.7%
20%           84.5%
10%           96.7%
0%           100%

Die 15% Kontrast beim Rayleigh-Kriterium beruhen auf der menschlichen Wahrnehmung und kommt eigentlich aus der Astronomie bei der Beobachtung von Doppelsternen.
Für fotografische Zwecke sollte aber der (Mikro-)Kontrast doch eigentlich höher sein?

Bei Auflösungsmessungen für Objektive wird oft die MTF-50 angegeben, d.h. bei 50% Kontrast gemessen, normalisiert ist das 0.5.

Die MTF-Werte auf der normalisierten Skala 0 bis1.0 (0 bis 100%) lassen sich bei zusammenwirkenden Komponenten multiplizieren:

MTF_gesamt = MTF_optisch * MTF_beugungsbegrenzt * MTF_ Sensor

MTF_optisch wäre das Objektiv ohne Beugung.

MTF_beugungsbegrenzt ist der Kontrast den die Überlappung der Beugungsscheibchen liefert.

MTF_Sensors wird als näherungsweise 1.0 angenommen, da der Sensor als Messgerät verwendet wird, und dies nur Sinn macht wenn seine MTF viel besser als die der restlichen beteiligten Komponenten ist – Nyquist-Shannon-Abtasttheorem.

m@sche · 20. Aug. 2022

the-ninth schrieb:
Da bleibt mir wohl keine Wahl als den Versuchsaufbau zu erweitern.

Also, diesmal Belichtungszeiten von 1/50 bis 1/160, jeweils alle vier Kombinationen von mechanischem und elektronischem Verschluss, mit und ohne IBIS. Von jeder Einstellung wieder fünf Bilder. Die Kamera war wieder labil auf Resonanzdämpfern gelagert.

Die Bilder mit mechanischem Verschluss ohne IBIS zeigen ähnliche vertikale Schatten wie mit IBIS, und scheinen mir generell nicht schärfer. Also, der IBIS kann - wie schon festgestellt - den Shutter Shock nicht kompensieren, scheint aber auch nicht zu schaden.
...

Die Erschütterung durch den mechanischen Verschluss ist eindeutig,
die Stabilisierung (IBIS) scheint sich durch den Verschlussschlag nicht irritieren zu lassen, also kein Überschwingen der Regelung.

Dass die Aufnahmen mit eingeschaltetem IBIS, unabhängig vom Verschlussmodus, mechanisch oder elektronisch, leicht unschärfer scheinen – @das_teufelchen hat das auch erkannt – führe ich auf den Regelkreis der Stabilisierung (IBIS) zurück. Regelkreise schwingen immer, je höher die Anforderung an geringe Regelabweichung und schnelle Reaktion auf Störgrößen sind, um so mehr neigt ein Regelkreis zum schwingen, Diese Schwingung wird durch eine (elektronische)Dämpfung im Regelkreis möglichst minimiert, was dann allerdings die Reaktionsgeschwindigkeit wieder mindert – also nicht ganz einfach das abzustimmen.
Anmerkung dazu: Für Fremdobjektive ohne Kommunikation zur Kamera, lässt sich ggf. die Brennweite des Objektiv an der Kamera eingeben, um den IBIS-Regelkreis darauf abzustimmen – das könnte z.B. auch die Dämpfung sein.

Wenn der IBIS ausgeschaltet ist, muss der Sensor trotzdem mittels Magnetfeld auf fester Position gehalten werden, was ja auch wieder durch den Regelkreis bewerkstelligt wird, Störgrößen werden ignoriert, die Dämpfung und weitere Parameter sicherlich für den Zustand IBIS-OFF eingestellt.
Oder wird der Sensor mechanisch blockiert wenn IBIS aus ist?, das müsste beim Ausschalten des IBIS am Kameragehäuse hörbar sein.

Stuessi · 20. Aug. 2022

m@sche schrieb:
Vielleicht habe ich deine Frage falsch verstanden, hier aber trotzdem mal eine Antwort....

Danke für die ausführliche Antwort.

Meiner Meinung nach sollte der Sensor deutlich mehr Lp/Bildhöhe haben als das kontrastreiche Bild eines Gitters um Moiré-Effekte zu unterdrücken. Ein Faktor größer als 2 wäre sicher angebracht, wie ich mal gezeigt hatte.
In meinem Beispiel hatte der Sensor 83 Lp/Bildhöhe. Erst Bilder mit höchstens 40 Lp/mm wurden "richtig" aufgezeichnet.
Dazu habe ich ein Gitter (Bild 1) aus verschiedenen Entfernungen fotografiert.

m@sche · 21. Aug. 2022

Stuessi schrieb:
...
Meiner Meinung nach sollte der Sensor deutlich mehr Lp/Bildhöhe haben als das kontrastreiche Bild eines Gitters um Moiré-Effekte zu unterdrücken. Ein Faktor größer als 2 wäre sicher angebracht, wie ich mal gezeigt hatte.
In meinem Beispiel hatte der Sensor 83 Lp/Bildhöhe. Erst Bilder mit höchstens 40 Lp/mm wurden "richtig" aufgezeichnet.
Dazu habe ich ein Gitter (Bild 1) aus verschiedenen Entfernungen fotografiert.

Wie du hier auch gezeigt hast, ...
Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem ist halt nicht zu ignorieren wenn es um ein fotografisches Bild geht.

Wenn es aber nur darum geht zu messen, wie hoch ein Objektiv auflösen kann, dann geht das prinzipiell auch mit der halben Pixeldichte, also Target mit X lp/bh und Sensor ebenfalls mit X lp/bh. Für die Auswertesoftware (z.B. Imatest) ist die Auflösung auch im Moiré schon zu erkennen, nur halt nicht für die komplette Bildfläche. Das funktioniert ganz gut wenn die Linien des Target leicht gekippt zu den Sensor-Zeilen liegen. Für ein Bild im fotografischen Sinne ist das natürlich nicht ausreichend, für den Auflösungstest aber anscheinend schon.

Hier noch ein Zahlenbeispiel:

Beugungsscheibchen mit dem Durchmesser d bei der Blendenzahl k:
d = 2.44 * 550nm * k = 1.342um * k

für Blende 1.0:
d = 2.44 * 550 * 1.0 = 1.342um

für Blende 1.2:
d = 2.44 * 550 * 1.2 = 1.61um

Ein Beugungsscheibchen hat in der Mitte ein Maximum von 1.0 und am Rand ein Minimum von 0.0.
Für 100% Kontrast dürfen die beiden Beugungsscheibchen nicht überlappen.
Ein Beugungsscheibchen kann folglich als ein Linienpaar bzw. Punktpaar betrachtet werden, mit dem Abstand 1.342um bei Blende 1.0 bei 100% Kontrast.
Dieses Linienpaar bzw. Punktpaar soll dann nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem aufgelöst werden, dazu brauch es dann mindesten 2 Linienpaare auf dem Sensor,
also 2 * 1.342um = 2.684um.
2 Linienpaare auf dem Sensor haben dann 4 Pixel Distanz mit 2.684um.
D.h. 1 Pixel hat dann 2.684um / 4 = 0.671um.
Bei einer Bildhöhe von 24mm ergibt das 24000um / 0.671um = 35767 Pixel.

Ergibt für Blende 1.0
1919 Megapixel für den 24x36mm Sensor.

Für Blende 1.2 ergibt das
1333 Megapixel für den 24x36mm Sensor.

Und jetzt der Beugungsscheibchen-Abstand nach dem Rayleigh-Kriterium, also 50% Überlappung mit 15% Kontrast:
Wieder zuerst für Blende 1.0:
...
mit dem Abstand 0.5 * 1.342um = 0.671um bei Blende 1.0 mit 15% Kontrast.
Dieses Linienpaar bzw. Punktpaar soll dann nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem aufgelöst werden, dazu brauch es dann mindesten 2 Linienpaare auf dem Sensor,
also 2 * 0.671um = 1.342um.
2 Linienpaare auf dem Sensor haben dann 4 Pixel Distanz mit 1.342um.
D.h. 1 Pixel hat dann 1.342um / 4 = 0.3355um.
Bei einer Bildhöhe von 24mm ergibt das 24000um / 0.3355um = 71535 Pixel.

Ergibt für Blende 1.0
7676 Megapixel für den 24x36mm Sensor.

Für Blende 1.2 ergibt das
5330 Megapixel für den 24x36mm Sensor.

Wenn diese Auflösung auch schräg (z.B. 45°) voll erbracht werden soll, dann ist die Pixelzahl in Höhe und Breite um den Faktor Wurzel 2 zu vergrößern, was dann die doppelte Anzahl Megapixel für den Sensor bedeutet.

the-ninth · 23. Aug. 2022

the-ninth schrieb:
Hier erstmal zu diesem Thema eine Vergleichsserie um zu zeigen wie kurz man ohne IBIS belichten müsste um in der Vergrößerung scharfe Resultate zu erhalten.

Hab jetzt noch ein paar Testserien zum Thema Belichtungszeit gemacht und die vollen Ergebnisse in einem Blog-Artikel auf meiner Website dokumentiert: Exposure Times with the Canon R5. Unten eine Zusammenfassung und die Bilder.

Notiz am Rande, auch die Ergebnisse zum Thema Beugungsunschärfe haben einen Blog-Artikel bekommen, da steht aber nichts drinnen was hier im Thread schon erwähnt wurde. Trotzdem, falls es jemand interessiert: Lens Sharpness and Diffraction Blur with the Canon R5.

Nun aber zu den Belichtungszeiten. Getestet habe ich alle Kombinationen aus:

IBIS deaktiviert und aktiviert,
Zwei Objektiven: dem EF 35mm F1.4L und dem RF 85mm F1.2L und
Zwei Distanzen: einmal an der minimalen Fokusdistanz und einmal etwa fünf Meter.

Die Ergebnisse sind durchaus interessant, aber es lässt sich kaum eine einzelne allgemeine Regel daraus ableiten, sowohl Brennweite, Motivabstand als auch IBIS-Leistung in verschiedenen Situationen haben einen Einfluss auf die notwendige Belichtungszeit.

Kurz: um die hohe Auflösung der R5 voll auszunützen, sind ohne IBIS etwa 2 Blendenstufen zusätzlich zur Regel 1/Brennweite notwendig, bei weiter entfernten Motiven reicht auch etwas weniger. Für normale Anwendungen reicht aber besonders bei kurzen Brennweiten weiterhin 1/Brennweite, bei längeren Brennweiten würde ich in jedem Fall eine Blendenstufe drauflegen.

Der IBIS funktioniert bei kurzen Distanzen deutlich schlechter und bringt nur zwei bis drei Blendenstufen, während bei weiter entfernten Motiven die vollen beworbenen fünf Blendenstufen gut machbar sind.

Wenn man am Limit des verfügbaren Lichts agiert ist es aber auf jeden Fall gut wenn man sein eigenes Equipment gut kennt und weiß wie es sich in verschiedenen Situationen verhält. Mehrere Bilder machen um dann später das schärfste auszusuchen ist in Grenzsituationen auf jeden Fall eine gute Idee, und wenn es geht dann ist ein stabiles Stativ immer noch der beste Weg um schärfste Resultate zu erhalten.

Hier jetzt noch die Bilder.

IBIS Deaktiviert

35mm, kurze Distanz:

35mm, lange Distanz:

85mm, kurze Distanz:

85mm, lange Distanz:

IBIS Aktiviert

35mm, kurze Distanz:

35mm, lange Distanz:

85mm, kurze Distanz:

85mm, lange Distanz:

das_teufelchen · 24. Aug. 2022

Deine Testreihen sind wirklich gold wert.

the-ninth · 27. Aug. 2022

Zu guter Letzt hat jetzt auch das Thema Shutter Shock einen Blog-Artikel auf meiner Website bekommen: Shutter Shock and the Canon R5.

Zu den bereits hier gezeigten und besprochenen Resultaten ist noch eine Testserie auf dem Stativ hinzugekommen. Zu großen Teilen kann das Stativ die Vibrationen des Verschlusses abfangen, ein klein wenig mehr Unschärfe ist aber mit dem mechanischem Verschluss trotzdem erkennbar. Die Verwendung von EFCS oder elektronischem Verschluss schafft das Problem natürlich wieder aus der Welt.

Hier die Testbilder:

das_teufelchen · 28. Aug. 2022

Hier finde ich die Unterschiede schon wieder zu irrelevant.

Also mit Stativ scheint es zu gehen.

Ich hatte letztens noch 3 Fototouren gemacht und würde sagen dass das Problem für mich abgestellt ist.
Das einzige was ich ansonsten noch mache, dass sind 2-3 Bilder pro Motiv weil es manchmal doch noch Unterschiede in der Schärfe gibt.
Das hängt vor allen Dingen von der Belichtungszeit ab. Je länger sie wird, umso eher mache ich mehr Bilder. Kürzer als 1/100s ist das eigentlich nie notwendig gewesen.

the-ninth · 28. Aug. 2022

das_teufelchen schrieb:
Hier finde ich die Unterschiede schon wieder zu irrelevant. Also mit Stativ scheint es zu gehen.

Würde ich auch sagen. Auf der anderen Seite sind die Fotos die man typischerweise vom Stativ macht auch nicht die wo einem EFCS mit dem Bokeh Probleme macht, also kann man wohl auch EFCS verwenden um das letzte bißchen Schärfe rauszuholen. Und bei längeren Brennweiten könnte es natürlich wieder mehr zum Thema werden.

das_teufelchen · 28. Aug. 2022

the-ninth schrieb:
Und bei längeren Brennweiten könnte es natürlich wieder mehr zum Thema werden.

Das wäre dann aber eher ein Thema des Stativs oder der Auslösetechnik.
Normalerweise sollte eine längere Brennweite auf Stativ richtig angewendet keine Probleme verstärken.
Oder sprechen wir wieder über den mechanischen Shutter?
Der ist für mich komplett abgemeldet.

the-ninth · 29. Aug. 2022

das_teufelchen schrieb:
Oder sprechen wir wieder über den mechanischen Shutter?

Ja, klar, wenn wir über Shutter Shock sprechen geht es immer um den mechanischen Verschluss, EFCS und elektronischer Verschluss haben das Problem naturgemäß nicht.

the-ninth · 31. Aug. 2022

the-ninth schrieb:
Ja, klar, wenn wir über Shutter Shock sprechen geht es immer um den mechanischen Verschluss, EFCS und elektronischer Verschluss haben das Problem naturgemäß nicht.

Hier muss ich mich jetzt korrigieren. Bei Einzelbildern beeinflusst der zweite mechanische Vorhang von EFCS das Bild nicht, bei einer schnellen Serienbildrate kann er aber angeblich das nächste Bild beeinflussen. Hab ich aber (noch) nicht getestet ob dem wirklich so ist und wie stark der Effekt ist.

das_teufelchen · 31. Aug. 2022

Das habe ich noch nicht beobachtet.

the-ninth · 01. Sep. 2022

the-ninth schrieb:
Bei Einzelbildern beeinflusst der zweite mechanische Vorhang von EFCS das Bild nicht, bei einer schnellen Serienbildrate kann er aber angeblich das nächste Bild beeinflussen. Hab ich aber (noch) nicht getestet ob dem wirklich so ist und wie stark der Effekt ist.

das_teufelchen schrieb:
Das habe ich noch nicht beobachtet.

Hab das jetzt mit Belichtungszeiten 1/4, 1/15, 1/30 und 1/60 probiert und konnte auch keinen solchen Effekt feststellen, das ist wohl ein Mythos, oder tritt nur unter sehr speziellen Umständen auf.

Interessant war für mich aber dass es für mich im Serienbildmodus viel schwieriger war scharfe Bilder zu kriegen, egal ob elektronischer Verschluss oder EFCS. Ob das am IBIS liegt, oder einfach daran dass die den Auslöser kontinuierlich drückende Hand die Kamera instabiler macht weiß ich nicht.

Hier ein paar Testbilder dazu. Pro Belichtungszeit jeweils eine Serie aus fünf Einzelbildern mit elektronischem Verschluss und dann drei Serienbild-Bursts mit elektronischem Verschluss und drei Serienbilder-Bursts mit EFCS.

Die Bursts mit EFCS scheinen in keinster Weise unschärfer als die mit eletronischem Verschluss.

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