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Beugungsfehler / Beugungsunschärfe

lateralus

Themenersteller
Da ich seit wenigen Tagen stolzer Besitzer des 90mm Tamron Makro bin, und mir hier oft Tiefenschärfe fehlt, habe ich mir einige Gedanken dazu gemacht.

Generell möchte man ja so weit wie möglich abblenden, um einen möglichst großen Bereich scharf zu stellen. Bei kleiner Blende kommt es aber zum Effekt der Beugung und der dadurch resultierenden Beugungsunschärfe.

In der Praxis kann ich das 90er Tamron bis ca. Blende 11 verwenden, bei größeren Blendenwerten kommt es bereits zum Verlust der Schärfe.

Da ich aus der Astronomie meinen Zugang zu DSLR's gefunden habe, stammen alle nachfolgenden Formeln aus der Astronomie und gehen daher von einem Fokus im Unendlichen aus.

Beugung entsteht an den Blendenkanten und ist somit rein von der Objektivöffnung, also dem Blendendurchmesser abhängig.
http://www.greier-greiner.at/hc/aufloesung.htm
Das maximale Auflösungsvermögen errechnet sich also vereinfacht aus

a1["] = 138 * b / f[mm]

a1...max. Auflösungsvermögen des Objektivs in Bogensekunden
b...Blendenwert des Objektivs (zB.: 2.8 oder 11)
f...Brennweite des Objektivs in mm

Doch wie sieht es nun mit dem max. Auflösungsvermögen des Sensors im Zusammenspiel mit einem bestimmten Objektiv aus? Ein Pixel des Sensors hat folgende Auflösung a2:

tan(a2) = Pixelseitenkante / Brennweite

somit ergibt sich zB. für die 350D und 20D folgende Formel für die Berechnung der Pixelauflösung in Bogensekunden:

a2["] = 3600 * atan(0,0064 / f[mm])

a2...max. Auflösungsvermögen eines Pixels in Bogensekunden
f... Brennweite des Objektivs in mm

Für mein Tamron 90mm bedeutet das folgendes:

die Auflösung eines Pixels beträgt unabhängig von der Blende immer
a2 = 3600 * atan( 0,0064 / 90) = 14,7"

Das Objektiv selbst hat aber folgendes blendenabhängiges Auflösungsvermögen:
bei Blende 9 ist a1 = 138 * 9 / 90 = 13,8"
bei Blende 11 ist a1 = 138 * 11 / 90 = 16,9"
bei Blende 16 ist a1 = 138 * 16 / 90 = 24,5"

Das würde bedeuten daß bei Blende 9 das Objektiv feiner auflösen kann als die Kamera aufzunehmen vermag. Aber bei allen Blendenwerten die darüber liegen ist die Auflösung des Objektivs bereits geringer als jene des Sensors und somit kommt es zur Beugungsunschärfe.

Dies gilt für alle 100er Makros, ob 90, 100 oder 105 hat nur geringe Auswirkung auf das Ergebnis.

Das alles sind keinesfalls Dogmen sondern lediglich meine veröffentlichen Gedanken die ich gerne bestätigt/widerlegt sehen würde. Wie gesagt sind alle Formeln vereinfacht und gehen von einem Fokus im Unendlichen aus, die Ergebnisse werden wohl anders sein wenn sich das Objekt näher befindet aber ich denke nicht daß die Abweichung enorm sein wird.

lg,
Michael
 
Hast dir richtig Arbeit gemacht. Es ist allgemein bekannt, dass mit zunehmender Blendenschließung zwar die Schärfentiefe zunimmt, die Bildschärfe aber durch die Blendenbeugung abnimmt. Deshalb reicht es im allgemeinen, ein Objektiv um 2-3 Blenden zu schließen, um die optimale Schärfe zu erreichen. Viele der mini-cams schließen nur bis Blende 8. Gruß Dieter
 
diwicam schrieb:
Hast dir richtig Arbeit gemacht. Es ist allgemein bekannt, dass mit zunehmender Blendenschließung zwar die Schärfentiefe zunimmt, die Bildschärfe aber durch die Blendenbeugung abnimmt. Deshalb reicht es im allgemeinen, ein Objektiv um 2-3 Blenden zu schließen, um die optimale Schärfe zu erreichen. Viele der mini-cams schließen nur bis Blende 8. Gruß Dieter

Hat die Tatsache, dass die kleinen cams nur bis Blende 8 kommen nicht
auch etwas damit zu tun, dass diese Blende 8 umgerechnet auf eine
Vollformat-Kamera eben einem anderen, deutlich höheren Wert entspricht ?
Ich meine mal von sowas wie einer "Äquivalenzblende" gehört zu haben.

Grüße

Stephan
 
Hi Biotron,

ich wollte es eben mal genau ausrechnen, die meisten Tabellen geben da nur irgendwelche Hausnummern an und gehen nicht auf die Brennweite ein, welche ja in meinen Überlegungen auch eine Rolle spielt.

Nochmals umgeformt für die 350D und 20D:

die max. sinnvolle Blende ist:

b = 14,7" * f [mm] / 138

b... max. (theoretisch) sinnvolle Blende
f... Objektivbrennweite in mm
 
@stephan
wenn du die links liest, weisst du warum ;)

kurz: der abstand der messpunkte auf der sensorfläche ist ein entscheidender faktor
bei einer kompakten mit 5MP ist der naturlich wesentlich geringer als bei den DSLR kameras
 
Man kann natürlich rechnen, bis der Taschenrechner qualmt, oder man macht einfach Fotos. ;)

In der Praxis wirst du bei Makros häufig auf f/11 oder f/16 abblenden müssen, egal ob Beugungsunschärfe dazukommt oder nicht. Die Alternative ist entweder gar kein Bild zu machen, oder Bilder zu machen, bei denen der Rüssel einer Fliege scharf ist, der Rest nicht mehr.
 
Halligalli schrieb:
In der Praxis wirst du bei Makros häufig auf f/11 oder f/16 abblenden müssen, egal ob Beugungsunschärfe dazukommt oder nicht. Die Alternative ist entweder gar kein Bild zu machen, oder Bilder zu machen, bei denen der Rüssel einer Fliege scharf ist, der Rest nicht mehr.

Bei f/16 ist nicht der Rüssel scharf, sondern du hast dann lediglich einen größeren Bereich der die gleiche Unschärfe aufweist ;)
Wie gesagt, zumindest bei meinem Tamron fällt die Schärfe schon ab 11 merklich ab. Keine Frage, in der Praxis muß jeder für sich selbst herausfinden wo seine Schmerzgrenze liegt.
 
lateralus schrieb:
Für mein Tamron 90mm bedeutet das folgendes:
die Auflösung eines Pixels beträgt unabhängig von der Blende immer
a2 = 3600 * atan( 0,0064 / 90) = 14,7"

Das Objektiv selbst hat aber folgendes blendenabhängiges Auflösungsvermögen:
bei Blende 9 ist a1 = 138 * 9 / 90 = 13,8"
bei Blende 11 ist a1 = 138 * 11 / 90 = 16,9"
bei Blende 16 ist a1 = 138 * 16 / 90 = 24,5"

Das würde bedeuten daß bei Blende 9 das Objektiv feiner auflösen kann als die Kamera aufzunehmen vermag. Aber bei allen Blendenwerten die darüber liegen ist die Auflösung des Objektivs bereits geringer als jene des Sensors und somit kommt es zur Beugungsunschärfe.
Die prinzipielle Rechnungsweise scheint korrekt zu sein, allerdings kann ich Deine Rechenergebnisse zur Auflösung der Kamera nicht nachvollziehen. Eine Auflösung ergibt sich selbst im Idealfall erst durch ein Pixelpaar! Im Realfall geht man eher davon aus, dass wegen Antialisaing-Filter und Bayer-Farbmatrix die Auflösung um ca. Faktor 1,3 tiefer liegt. Der Abstand eines Pixelpaares beträgt in Deinem Beispiel also nicht 0,0064 mm, sondern 0,0128 mm und eine reale Auflösung würdest Du erst bei ca. 0,0165 mm bekommen. Wenn Du jetzt wiederum durchrechnest, welche Blende limitierend wirkt, dann kommst Du auf deutlich freundlichere Werte.

Übrigens kürzt sich eigentlich auch die Brennweite aus der Rechnung der Beugungslimitation noch heraus und es ergibt sich ein extrem einfacher Zusammenhang:

Beugungs-limitierte Auflösung (in lp/mm) = 1600 / Blendenzahl


Soweit zur Rechnung, nun aber zur Aufgabe:
In der Makrofotografie ändert sich die effektive Blende deutlich gegenüber der eingestellten Blende. Zudem ändern sich die reale als auch die wirksame Brennweite durch Innenfokussierung bzw. Auszug. In der Summe beider Faktoren wirst Du für den echten Makrobereich in Tabellen des Objektivherstellers schauen müssen, oder leichter einfach selbst Testreihen machen, die Dir zeigen, ab welcher Blende die Beugungsunschärfe bei Objektiv X und Abbildungsmaßstab Y störend wird. Rechenspielchen helfen hier nicht unbedingt weiter, zumindest dann nicht, wenn Du keine Angaben zu Auszugsverlängerung und wirksamer Brennweite hast.
 
Nimm für die (Makro-)Fotografie und Mikroskopie folgende Formel von Raleigh

r = 1,22 * F * µ * (m+1)

r = Radius des Beugungsscheibchens
F = Blendenzahl
µ = Wellenlänge des Lichts (0,55µm für grün)
m = Abbildungsmaßstab

Welcher Beugungsradius dann für Dich die Grenze darstellt berechnest Du am besten aus Sensorgröße, Größe des fertigen Bildes und dort zulässigem Unschärfekreis.

Oder Du nimmst für scharfe Bilder in der 100% Ansicht die Kantenlänge eines Pixels * 1,5 (den Faktor 1,5 nur bei Sensoren mit Bayer Interpolation).

Die Formeln für Beugung bei Fernrohren sind im Nahbereich und bezogen auf fotografisches Abbilden über Sensoren nicht wirklich praxistauglich.

mfg
 
Zuletzt bearbeitet:
Mi67 schrieb:
Eine Auflösung ergibt sich selbst im Idealfall erst durch ein Pixelpaar! Im Realfall geht man eher davon aus, dass wegen Antialisaing-Filter und Bayer-Farbmatrix die Auflösung um ca. Faktor 1,3 tiefer liegt.

Da hast du natürlich Recht, schließlich habe ich ja auch bei der Objektivauflösung den Winkel berechnet unter dem man 2 benachbarte Objekte gerade noch unterscheiden kann. 2 Objekte, 2 Pixel ;) Des mit den Filtern ist natürlich auch eine Sache die ich nicht bedacht habe. Danke für den Hinweis
 
lateralus schrieb:
Bei f/16 ist nicht der Rüssel scharf, sondern du hast dann lediglich einen größeren Bereich der die gleiche Unschärfe aufweist ;)
Wie gesagt, zumindest bei meinem Tamron fällt die Schärfe schon ab 11 merklich ab. Keine Frage, in der Praxis muß jeder für sich selbst herausfinden wo seine Schmerzgrenze liegt.

So auch nicht richtig. Es wird ja nicht gleich alles unscharf - nur etwas weniger scharf, dafür aber der Bereich der gebraucht wird. Kann man fast immer noch in der EBV verbessern.

Ok - wer nur Siemenssterne ablichtet, bitte überlesen ! :o
 
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