Wie viele Arten von optischen Aberrationen gibt es in Objektiven? Und was sind sie?

Jeder hört etwas über chromatische Aberration , aber gibt es noch andere Arten? Was verursacht sie?

Siehe auch Welche Bildqualitätsmerkmale machen ein Objektiv gut oder schlecht? , die für viele davon repräsentative Fotos enthält.

Antworten (4)

Es gibt zahlreiche Arten von optischen Aberrationen, denen Sie bei einem Objektiv begegnen können. Chromatische Aberration ist nur eine davon. Manche sind drastischer, andere subtiler.

Blendenfleck

Die wohl bekannteste Aberration ist Lens Flare. Streulicht tritt auf, wenn nicht einfallendes Licht in die Linse eintritt und von den verschiedenen Linsenelementen und/oder der Blende reflektiert wird. Der Effekt kann, wenn er stark genug ist, helle Flecken und Schlieren erzeugen und kann sich auch nachteilig auf den Kontrast auswirken, wo er auftritt. Streulicht wird normalerweise durch eine helle Lichtquelle in der Nähe der Szene verursacht, z. B. die Sonne, oder ein helles Licht, das Ihre Szene beleuchtet.

Durch die Verwendung einer Gegenlichtblende können Sie Streulicht abmildern oder eliminieren. Bei Teleobjektiven blockiert eine runde Blende alles nicht einfallende Licht. Für breitere Objektive ist eine blütenblattförmige Blende am besten geeignet, da sie den breiten Formfaktor des Sensors berücksichtigt. Mehrfach beschichtete Linsenelemente tragen dazu bei, unerwünschte Reflexionen zu reduzieren, und können bei Verwendung für vordere und hintere Linsenelemente, insbesondere aber bei Verwendung für alle internen Linsenelemente, Streulicht erheblich reduzieren. Filter, die ein zusätzliches Glaselement mit eigenen Unvollkommenheiten sind, erhöhen wahrscheinlich die Wahrscheinlichkeit von Flackern.

Geisterbilder

Ähnlich wie Streulicht ist Geisterbild das Ergebnis von Licht, das von Ihrem Sensor reflektiert wird, von dem oder den hinteren Linsenelement(en) reflektiert wird und zum Sensor zurückkehrt. Ghosting erzeugt normalerweise eine weiche, außermittige Nachbildung Ihres Hauptbildes. Es kann so aussehen wie das, was eine Person mit Astigmatismus sieht, eine leicht verschwommene oder gestreifte Kopie der Szene.

Objektive höherer Qualität verwenden miltibeschichtete Linsenelemente, um die Reflexion so weit wie möglich zu reduzieren, und sie können die Fälle einschränken, in denen Geisterbilder möglich sind. Es ist jedoch unmöglich, Reflexionen vollständig zu eliminieren, und in den richtigen Szenarien sind Geisterbilder immer bis zu einem gewissen Grad möglich.

Verzerrung

Eine andere Art von abweichendem Linsenverhalten ist die Verzerrung. Es gibt sie in zwei Varianten: Nadelkissen und Fass. Bei den meisten Zoomobjektiven tritt Verzerrung an den Brennweitenextremen auf. Billigere Objektive haben oft ein größeres Problem mit Verzerrungen als höherwertige Objektive, jedoch haben so ziemlich alle Objektive einen gewissen Grad an Verzerrung (einschließlich Primes). Viele Objektive haben einen so geringen Grad an Verzerrung, dass dies kein Faktor ist, und andere sind es eindeutig bemerkbar. Verzerrung ist möglicherweise kein großes Problem, wenn Sie keine Motive fotografieren, die die Auswirkungen der Verzerrung deutlich machen, wie z. B. Ziegelwände oder Gebäude.

Zusätzlich zur Kissen- und Tonnenverzeichnung erzeugen viele Objektive eine perspektivische Verzerrung. Besonders bei Weitwinkelobjektiven sind bei sehr großen Brennweiten perspektivische Verzerrungen zu erkennen.

Bestimmte Arten von Objektiven, die oft als TS- oder Tilt-Shift-Objektive bezeichnet werden, neigen dazu, eine sehr geringe Tonnen- oder Kissenverzeichnung zu erzeugen. Solche Objektive bieten zwei zusätzliche Steuerelemente für den normalen Fokus und Zoom: Neigung und Verschiebung. Mit diesen zusätzlichen Steuerelementen kann ein Fotograf perspektivische Verzerrungen bis zu einem gewissen Grad ausgleichen und Ihren Bildern einen angemessenen Grad an enger Perspektive wiederherstellen.

Sphärische Aberration

Sphärische Aberration ist eine andere Art optischer Aberration, die bei Kameraobjektiven auftreten kann. Sie ergibt sich aus dem Brechungsunterschied an den Rändern einer Linse im Vergleich zur Mitte, was zu einer falschen Konvergenz des Lichts und nicht zu einer Konvergenz in einem Brennpunkt führt. Sphärische Aberration führt im Allgemeinen eher zu einem weicheren Fokus als zu einem klaren und scharfen Fokus.

Sphärische Aberration kann auf verschiedene Arten korrigiert werden. Eine Kombination aus sphärischen konvexen und konkaven Linsen kann verwendet werden, um die Lichtkonvergenz zu korrigieren. Moderne professionelle High-End-Objektive enthalten häufig ein asphärisches Linsenelement. Asphärische Linsenelemente verursachen weniger Brechung an den Rändern und mehr in der Mitte, was zu einer korrekten Konvergenz über eine gegebene Brennweite führt.

Einige Objektive, wie z. B. Weichzeichner-Porträtobjektive, lassen absichtlich ein gewisses Maß an sphärischer Aberration, um ansprechendere Aufnahmen zu erzielen. In diesen Fällen ist die sphärische Aberration ein wünschenswerter Effekt, nach dem Sie bei einem Objektiv möglicherweise ausdrücklich suchen.

Koma

Im Zusammenhang mit der sphärischen Aberration ist die Koma-Aberration ein Brechungsproblem, das bei außeraxialen Punktlichtquellen auftritt. Aufgrund des Brechungsunterschieds in der Nähe der Kanten eines sphärischen Linsenelements können außeraxiale Punktquellen in der Brennebene gestreckt und "haloed" erscheinen. Koma ist im Allgemeinen eine Kombination aus sphärischer Aberration einer Punktlichtquelle und chromatischer Aberration, um einen Effekt zu erzeugen, der wie ein Komet aussieht.

Koma wird im Allgemeinen durch Verwendung von Linsen mit geeigneter Krümmung kontrolliert, um Kantenverzerrungen zu minimieren. Bei Kameraobjektiven ist im Allgemeinen eine Kombination von Linsenelementen erforderlich, um solche optischen Aberrationen zu minimieren. Komatische Aberration ist ein Problem, das hauptsächlich diejenigen betrifft, die Nacht- oder Astrofotografie machen, da Punktlichtquellen in diesen Szenarien am häufigsten vorkommen.

Beugung

Eine letzte Art der Verzerrung ist ebenfalls möglich und bei allen Kameras weit verbreitet. Beugung ist aufgrund seiner Wellenform ein Effekt von Licht. Wenn Wellen auf eine Kante oder Öffnung treffen, haben sie die Tendenz, sich darum zu biegen. Die Blende in einer Kamera ermöglicht es, die Blende oder die Öffnung zu steuern, durch die Licht auf seinem Weg zum Sensor fällt. Die Blende gibt uns die Kontrolle darüber, wie viel Licht den Sensor erreicht ... aber als Ergebnis kann es auch zu diffraktiver Unschärfe über einen Effekt namens Airy Disc kommen.

Bei ausreichend großen Öffnungen ist die Beugung so gering, dass sie keine Probleme verursacht. Alle Sensoren haben jedoch eine Beugungsgrenze, ab der die Beugungseffekte die Bildqualität beeinträchtigen. Bei den meisten Sensoren liegt dies bei f/8 bis f/11. Je größer die Photosites und je effektiver die Mikrolinsen um jede Photosite auf einem Sensor herum sind, desto höher ist die Grenzapertur. Wenn die Blende ausreichend weit unterhalb der Beugungsgrenze gestoppt wird, lässt der luftige Scheibeneffekt Licht an dem beabsichtigten Sensorpixel (Photosite) vorbei und wirkt sich auf andere aus. Blenden unter 1:22 oder so beginnen im Allgemeinen, genug Schärfeverlust zu verursachen, um den Gewinnen durch eine engere Blende entgegenzuwirken.

Während die Lichtbeugung durch die Blende in einem Objektiv verursacht wird, ist zu beachten, dass der resultierende Effekt vom Sensor in der Kamera abhängt. Große Vollformatsensoren in High-End-DSLR-Kameragehäusen werden aufgrund von Beugung weniger Probleme aufweisen als die kleineren Sensoren in DSLR-Kameragehäusen der Einstiegsklasse, die wiederum in den meisten Fällen deutlich weniger Probleme aufweisen als die winzigen, pixeldichten Sensoren und Kameras schießen.

Gute Antwort. Paar Nitpicks: Bei Lens Flare ist Kontrastverlust keine Voraussetzung für einen hellen Fleck oder Streifen, wie Ihre Formulierung andeuten könnte. Die Beschichtung hilft, Streulicht zu mindern (zusammen mit Geisterbildern, wie Sie erwähnt haben). Außerdem ist die blütenblattförmige Gegenlichtblende immer die beste für jedes Objektiv, einschließlich Teleobjektive. Die meisten (Consumer-)Teleobjektive haben ein drehbares Frontelement, weshalb eine runde Haube verwendet wird. Viele Profi-Teleobjektive verwenden blütenblattförmige Hauben. Einige verwenden aus Kostengründen und wegen der Möglichkeit, flach auf dem Boden zu liegen, runde Hauben ohne rotierende FE. Beugung ist eine optische Aberration des Pixelabstands, nicht der Linse.
@Eruditass: Technisch gesehen ist Beugung das Biegen von Licht um ein Hindernis herum und hat wenig mit Pixeln zu tun. Im Zusammenhang mit einer Kamera wird eine Beugung verursacht, wenn Licht durch eine Blende fällt, die niedriger als ihre maximale Einstellung ist. Die Verzerrung in der Lichtwellenform erzeugt eine sogenannte luftige Scheibe. Bei Verwendung von ausreichend kleinen Öffnungen kann der luftige Scheibeneffekt groß genug werden, um mehr als ein Pixel gleichzeitig zu beeinflussen, was zu weicheren Bildern führt. Je größer Ihre Pixel, desto kleiner muss Ihre Blende sein, um problematisch zu werden, also ist das Objektiv beteiligt, aber nicht nur.
@jrista: Das stimmt, ich wollte nur den Punkt betonen, dass die Aberration für alle Objektive und ihre Blenden gleich ist, aber das Erscheinungsbild der Aberration hängt vollständig vom Pixelabstand ab, den Sie überhaupt nicht erwähnt haben. Das hat nichts damit zu tun, dass ein Sensor „besser“ ist.
@Karel: Zugegeben, es gibt zusätzliche Arten von Aberrationen wie Koma, sphärische Aberration usw. Im Allgemeinen enthalten die meisten Kameraobjektive heutzutage asphärische Linsenelemente, die solche Aberrationen korrigieren, und es ist selten, wenn überhaupt, ein Problem. Ich könnte diese meiner Antwort hinzufügen ... aber ich bin mir nicht sicher, ob sie oft genug auftreten, um ein großes Problem darzustellen.
@Eruditass: Ich werde diesen Teil klären. Mit "besser" meinte ich größere Pixel mit effektiveren Mikrolinsen über den Fotoseiten. Ich würde nicht sagen, dass es so sehr auf den Abstand der Photosite ankommt, sondern auf die Größe und Effektivität beim Sammeln von einfallendem Licht.
@jrista Ich denke, die sphärische Aberration ist aus mehreren Gründen erwähnenswert: Erstens, dass sie einen gewissen Sonderstatus hat, da sie einen großen Teil des Aussehens vieler klassischer Porträtobjektive ausmacht, deren vollständige Korrektur möglicherweise nicht einmal wünschenswert ist . Zweitens, dass nicht jeder neue Asph-Linsen kaufen wird (ich bin auch vorsichtig mit der Idee, dass "die meisten" aktuellen Linsen asphärische Elemente enthalten, aber keine Beweise dafür haben). Tatsächlich würde ich wetten, dass Leute, die ältere Objektive kaufen, viel mehr an dieser Antwort interessiert sein werden als Leute, die neue kaufen - damit müssen sie sich auseinandersetzen!
@matt: Hervorragender Punkt zu älteren Objektiven. Ich werde dann Informationen über zusätzliche Aberrationen hinzufügen, da ich nicht einmal an Leute gedacht habe, die möglicherweise gebrauchte Objektive und dergleichen kaufen. Der Punkt über den wünschenswerten Effekt der sphärischen Aberration ist eine weitere interessante Tatsache. Vielen Dank!
@jrista: Danke für die Retro-Hutspitze. Mir ist jetzt völlig klar, dass dies Haarspalterei ist, also können Sie es ruhig ignorieren: Es sind nicht nur Weichzeichner-Porträtobjektive, die eine unterkorrigierte sphärische Aberration haben. Eine leichte Unterkorrektur führt tendenziell zu einem glatteren unscharfen Bereich und wird daher in vielen „scharfen, aber nicht klinischen“ Objektiven wie dem Nikkor 105/2.5 verwendet.
@matt: Danke für die Details. ;) Ich glaube, mein Beitrag ist ziemlich technisch geworden, was vielleicht nicht jedem dient, der nach dieser Antwort sucht. Ich selbst liebe technische Details, aber die restlichen Feinheiten überlasse ich den Kommentaren. Wenn Sie weitere nützliche Leckerbissen haben, posten Sie diese bitte in Kommentaren, damit wir zumindest die Informationen verfolgen.

Ich versuche, eine eher fotografenorientierte Antwort aufzuschreiben. Die verschiedenen objektivbezogenen Probleme sind also:

  • Vignettierung - Die Ecken des Rahmens sind dunkler als die Mitte
    • im Sucher/auf dem Bildschirm bemerkbar
    • zu vermeiden - verkleinern Sie Ihre Blende, Filter machen es nur schlimmer, also sollten Sie es vielleicht ohne versuchen
    • Nachbearbeitung - relativ einfach zu korrigieren
    • Besondere Aufmerksamkeit ist bei Panoramaaufnahmen erforderlich
    • Vignettierung ist nicht mit Detailverlust oder Kontrastverlust in den Rändern zu verwechseln
  • Lens Flare – Sonnenflecken oder kontrastarme Bereiche im Rahmen
    • normalerweise im Sucher/auf dem Bildschirm erkennbar
    • zu vermeiden - verwenden Sie eine Gegenlichtblende, ändern Sie Ihre Position, um helle Punkte möglichst aus dem Bild herauszuhalten, Filter machen es nur schlimmer, also sollten Sie es vielleicht ohne versuchen
    • Nachbearbeitung - in Bereichen mit vielen Details schwer zu korrigieren
  • Beugung - Ihr Bild wird überall weich, wenn Sie zu stark abblenden (über f8-f16, abhängig von der Sensorelementdichte)
    • sichtbar auf dem Bildschirm, wenn gezoomt
    • Um dies zu vermeiden - kennen Sie Ihre Beugungsgrenze und stoppen Sie nicht darüber. Die teure Alternative besteht darin, die Neigung von Tilt-Shift-Objektiven zu verwenden
    • Nachbearbeitung - kann nicht korrigiert werden
    • Beugung sollte nicht mit weitaus häufigeren Fokussierungsfehlern und Kameraverwacklungen verwechselt werden (letzteres ist Richtungsunschärfe).
  • Chromatische Aberration – grünes/magentafarbenes Leuchten an den Rändern von Glanzlichtern, normalerweise als „lila Farbsäume“ bezeichnet
    • sichtbar auf dem Bildschirm, wenn gezoomt
    • zu vermeiden - kennen Sie die Sweet Spots Ihrer Linsen, blenden Sie ab
    • Nachbearbeitung - einfach zu korrigieren
  • Verzerrung - vertikale und horizontale Linien sind an den Rändern des Rahmens gekrümmt (tonnenförmige Verzerrung - nach außen gerichtete Kurven, kissenförmige Verzerrung - nach innen gerichtete Kurven, komplexe Verzerrung - wellenförmige Kurven)
    • leicht erkennbar im Sucher/auf dem Bildschirm
    • zu vermeiden - Sie können es nicht, es sei denn, Sie haben ein besseres Objektiv zur Verfügung
    • Nachbearbeitung - relativ einfach zu korrigieren (außer komplexe Verzerrung)
    • Besondere Aufmerksamkeit ist bei Panoramaaufnahmen erforderlich

Nicht wirklich in die gleiche Kategorie, aber auch ein sehr wichtiger Aspekt von Objektiven ist die Auflösung , oder eigentlich kümmern wir uns normalerweise um den Auflösungsverlust zu den Rändern aufgrund verschiedener anderer Aberrationen wie Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung usw. Sie können die Dinge normalerweise verbessern wenn Sie abblenden und Sie sollten es versuchen, da Sie es in der Nachbearbeitung nicht korrigieren können.

Man sollte bedenken, dass es kein perfektes Objektiv gibt und jedes Objektiv aufgrund der Kompromisse, die beim optischen Design eingegangen werden, ein gewisses Maß an Aberrationen aufweist.

Streng "optische" (dh Wellenfront-) Aberrationen sind:

  1. Defokussierung (Bildfeldkrümmung)
  2. Sphärische Aberration
  3. Koma
  4. Astigmatismus
  5. Feldkrümmung
  6. Bildverzerrung

Aber diejenigen, die Ihre Fotos am ehesten beeinflussen, sind:

Chromatische Aberration – verschiedene Farben werden auf verschiedene Positionen im Bild fokussiert, dies ergibt Regenbögen um helle Objekte herum, besonders am Himmel.

Flare/Ghosting – Licht wird innerhalb der Linse gestreut, entweder vom Glas oder vom Metallgehäuse. Dadurch entsteht die Reihe farbiger Kreise, die der Sonne entgegengehen, wie Sie sie manchmal in Filmen sehen, und verringert den Kontrast des Bildes.

  1. Sphärische Aberration: Strahlen, die aus der Nähe der Linsenachse kommen, treffen in der Brennebene ein und bilden einen Scheitelpunkt in einem bestimmten Abstand stromabwärts. Strahlen von den Rändern der Linse bilden einen Scheitelpunkt in einem anderen Abstand.

  2. Koma: Verwandt mit der sphärischen Aberration, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der im Fokus erzeugte Fleck keine Scheibe ist, sondern seine Form einem Kometen ähnelt.

  3. Astigmatismus: Der erzeugte Patch ist ein Oval.

  4. Feldkrümmung: Der Fokus des Objektivs sollte sich auf einer ebenen Fläche wie der ebenen Fläche des digitalen Sensors bilden. Stattdessen muss die Oberfläche des Sensors wie die Innenseite einer Schüssel gekrümmt sein.

  5. Verzerrung: Ein rechteckiges Motiv sollte als Rechteck mit allen Seiten quadratisch dargestellt werden. Stattdessen werden die rechteckigen Bilder mit nach außen gewölbten Seiten (Fass) und / oder nach innen gewölbten (Nadelkissen) dargestellt.

  6. Farbquerfehler: Blaues und rotes Licht treffen im gleichen Abstand vom Objektiv auf einen Fokus, haben jedoch beide leicht unterschiedliche Brennweiten.

  7. Farblängsfehler: Der tatsächliche Ort des Bildes ist eine Funktion der Wellenlänge. Die rote Bildebene wird weiter von der Linse entfernt gebildet. Die violette Bildebene bildet sich zuerst. Die anderen Farben bilden sich dazwischen. Jedes Farbbild ist etwas anders in der Größe.