Schärfentiefe Ergänzung

In meinem Beitrag Schärfentiefe habe ich die Zusammenhänge aufgeschrieben und interpretiert, Bildvergleiche kamen etwas zu kurz, möchte ich hiermit ergänzen.

In den Bereichen, wo die Fernpunkte noch endlich sind, gibt es eine Abhängigkeit von der Kameraart, zu der ich so noch keinen Bericht gefunden habe. Da ich das aber für bemerkenswert halte, möchte ich dazu berichten.


Wenn man mit einer Kleinbildkamera mit gleicher Schärfentiefe aufnehmen möchte wie mit einer Kompaktkamera, muß man sehr stark abblenden, so daß der Vorteil der Lichtstärke der Optik der Kleinbildkamera gegenüber der Kompaktkamera verloren geht.


Dazu zwei Oberflächen des im Beitrag Schärfentiefe angeführten Programmes zur Berechnung der Schärfentiefe.

Beispiel für Schärfentiefe Kompaktkamera, Cropfaktor etwa 5.7
Beispiel für Schärfentiefe Kleinbildkamera, Cropfaktor 1

…………..
Damit man die beispielhaften Werte für die Nah- und Fernpunkte bzw. die Schärfentiefe der Kompaktkamera mit der Kleinbildkamera erreicht, muß man bei der Kleinbildkamera sehr stark abblenden. Hier im Beispiel

statt Blende 4 bei der Kompaktkamera

………..Blende 22 bei der Kleinbildkamera.

Wenn man die Öffnungsdurchmesser d = f / Bl vergleicht,

…………Kompaktkamera    d = 9 / 4 = 2.25 mm

…………Kleinbildkamera     d = 50 / 22  = 2.27 mm

die Blendenöffnung ist gleich, d. h. für diese Situationen kommt der Lichtstärkevorteil der Optik der Kleinbildkamera nicht zum Tragen.

Die eingangs formulierte Behauptung präzisiert:


Wenn man mit einer Kleinbildkamera in den Bereichen, wo die
Fernpunkte endlich sind, mit gleicher Schärfentiefe aufnehmen
möchte wie mit einer Kompaktkamera, muß man sehr stark
abblenden, so daß der Vorteil der Lichtstärke der
Kleinbildkamera gegenüber der Kompaktkamera verloren geht.


Dazu einige Beispiele, schräg liegenden Maßstab fotografiert:

Kleinbildkamera
Da ich selbst keine digitale Kleinbildkamera besitze, hat mir ein guter Bekannter ausgeholfen und hat mir mit einer Sony α 7III und Objektiv
Voigtländer 40/1.2 Beispielbilder aufgenommen.
Nur am Rande, es war gar nicht so einfach, Jemanden zu finden, der mir mit Vergleichsmaterial von einer Kleinbildkamera geholfen hat. Deshalb noch einmal der Dank nach München.

Sony Alpha 7 III und Voigtländer 40/1.2, Blende 1.2 Schärfentiefe berechnet 2.3 mm

……………………………………………….

Hier sieht man, wie stark bei diesem Objektiv und dieser Kamera bei Offenblende der Schärfentiefebereich eingeengt wird.

Für die weiteren Vergleiche wird oben das Bild mit der jeweiligen Kompaktkamera, bzgl. Brennweite angepaßt, und unten das Bild mit der Kleinbildkamera bzgl. Blende angepaßt, angeordnet.

Sony RX100, Brennweite äquivalent Kleinbild 40 mm, Blende 3.2

Sony RX100, Brennweite 14.6 mm, äquivalent Kleinbild 40 mm, Blende 3.2, Schärfentiefe berechnet 18.7 mm
Sony Alpha 7 iii, Objektiv Voigtländer 40/1.2, Blende 3.2, Schärfentiefe berechnet 6.2 mm

Es ist sehr deutlich zu erkennen, daß bei vergleichbaren Werten die Schärfentiefe bei der Kompaktkamera höher ist als bei der Kleinbildkamera.

Jetzt noch der Vergleich mit der Superzoomkamera Panasonic TZ91.

Panasonic TZ91, Brennweite 7.2 mm, äquivalent Kleinbild 40 mm, Blende 3.8, Schärfentiefe berechnet 45.4 mm
Sony Alpha 7 iii, Objektiv Voigtländer 40/1.2, Blende 4.0, Schärfentiefe berechnet 7.8 mm

Ich habe für die Beispiele die Schärfentiefe berechnet und in der Bildunterschrift eingefügt. Als Schärfedefinition wurde N = 3000 verwendet.

Ich denke, diese bildlichen Erläuterungen und die Tendenz der Berechnung belegen die eingangs gemachte Feststellung.


Wenn man mit einer Kleinbildkamera in den Bereichen, wo die
Fernpunkte endlich sind, mit gleicher Schärfentiefe aufnehmen
möchte wie mit einer Kompaktkamera, muß man sehr stark
abblenden, so daß der Vorteil der Lichtstärke der
Kleinbildkamera gegenüber der Kompaktkamera verloren geht.


Obwohl es mit Vergleichen immer so eine Sache ist, möchte ich trotzdem Kompaktkameras und Kleinbildkameras mit Modelleisenbahn und Eisenbahn vergleichen, was bei der Eisenbahn der Maßstabsfaktor für die Modelle ist bspw. 1 : 87, ist bei den Kameras der Cropfaktor bspw. 1 : 5.7, d. h. die Kompaktkamera ist gewissermaßen ein Modell der Kleinbildkamera.
Die Schärfentiefe ist im entsprechenden Geltungsbereich proportional dem Cropfaktor.

Um das Thema weiter abzurunden, möchte ich noch kurz auf die hyperfokale Entfernung eingehen. Die hyperfokale Entfernung dh beschreibt, bei welcher Entfernung der Fokussierung die Fernpunkte unendlich werden.
Da die hyperfokale Entfernung umgekehrt proportional dem Cropfaktor ist, ergibt sich bzgl. der beispielhaft aufgeführten Kameras folgendes Bild:

Panasonic TZ91, f = 7.2 mm, Blende 3.8 ⇒ dh = 5.3 m
Sony RX 100, f = 14.6 mm, Blende 3.2     ⇒ dh = 12.6 m
Sony α7III, f = 40 mm, Blende 1.2               ⇒ dh = 93 m

d.h. wenn ich mit der Sony α7III auf 93 m fokussiere, liegt die Schärfentiefe bei 46.5 m bis unendlich, wenn ich bei der Sony RX100 auf 12.6 m fokussiere, liegt die Schärfentiefe bei 6.3 m bis unendlich und wenn ich bei der Panasonic TZ91 auf 5.3 m fokussiere, liegt die Schärfentiefe von 2.65 m bis unendlich.

Um die beispielhaften Werte für die TZ91 zu erreichen, müßte ich bei
der Sony RX100 auf Blende 8 abblenden, bei der Sony α7III auf knapp Blende 22 und der Lichtstärkevorteil wäre verloren.

Hier noch diese Gegenüberstellung:

Panasonic TZ91, Brennweite 7.2 mm, äquivalent Kleinbild 40 mm, Blende 3.8, Schärfentiefe berechnet 45.4 mm
Sony RX100, Brennweite 14.6 mm, äquivalent Kleinbild 40 mm, Blende 8, Schärfentiefe berechnet 47.1 mm
Sony Alpha 7 iii, Objektiv Voigtländer 40/1.2, Blende 22, Schärfentiefe berechnet 43.3 mm

……….


Für den Anwender bedeutet das, wenn er viel im Nahbereich fotografieren möchte, sollte er sich überlegen, ob er mit Kompaktkameras aufnimmt, denn Kompaktkameras erleichtern in diesem Bereich das Fotografieren wesentlich.


 

Womit ich meine Fotos aufnehme

Ich habe auf meiner Seite Fotografie schon etwas vorgegriffen bzgl. der Kameras, die ich verwende, es sind Kompaktkameras.

Die Superzoomkameras

Canon SX700
Olympus SH2 
PanasonicTZ91

sind in ihrer Konzeption ähnlich, optisch werden Superzoomobjektive verwendet, technisch werden 1/1/(2/3)-Zoll-Chips verwendet.
Der Blendenbereich beträgt etwa 3 bei Weitwinkel bis reichlich 6 bei Tele.
Die Brennweite bei Weitwinkel beträgt etwa 4.5 mm, bei Tele 108 bis 135 mm.
Die Abmessungen der Chips sind 6,16 mm x  4,62 mm, d. h. der Cropfaktor beträgt etwa 5.8.

Die Sony RX100 verwendet optisch ein Zoomobjektiv, technisch einen
1 Zoll-Chip. Der Blendenbereich reicht von 1.8 bei Weitwinkel bis 4.9 bei Tele.
Die Brennweite bei Weitwinkel beträgt 10.4 mm, bei Tele 37.1 mm.
Die Abmessungen des Chips sind 13.2 mm x 8.8 mm, d. h. der Cropfaktor beträgt etwa 2.7.

Was man mit derartigen Kameras erreichen kann, aber auch wo die Grenzen sind, möchte ich im Folgenden versuchen zu umreisen.
Als Kleinbildkamera verwende ich zum Vergleichen ein Objektiv Brennweite 25 mm, Blende 2.


Entscheidend ist, daß jedes Pixel ausreichend Licht erhält, da spielt die Größe des Pixels keine wesentliche Rolle.
Ausreichend Licht pro Pixel kann zu guten Bildern führen, gleich ob bei Kompaktkameras oder Keinbildkameras.


Ausreichend Licht hängt von der Belichtungszeit, der Blende und der ISO-Empfindlichkeit ab.
Während Belichtungszeit und Blende für jede Kamera gleiche Bedeutung hat, kommen in der ISO-Empfindlichkeit die Unterschiede zum Ausdruck.
Größere Pixelabmessungen bedeuten tendenzmäßig, daß ausreichend rauscharme Bilder auch bei höheren ISO-Empfindlichkeiten möglich sind.
Leider geben die Kamerahersteller für ihre Kameras nur an, welche ISO-Empfindlichkeiten einstellbar sind, nicht aber bis zu welchen Werten ausreichend gute Bilder gemacht werden können.


Bis zu welcher ISO-Empfindlichkeit eine Kamera noch ausreichend rauscharme Bilder aufnehmen kann, sollte man deshalb für jede Kamera selbst ausprobieren, denn dabei spielen die Ansprüche, die man stellt, auch eine Rolle.
Sehr hilfreich dafür sind Meßergebnisse, die digitalkamera.de zur Verfügung stellt.


Um eine Vorstellung zu haben,  wieviel Licht die Kameras verhältnismäßig abbekommen, im Folgenden eine Abschätzung.
Dabei wird angenommen,  daß die Empfindlichkeit pro Flächeneinheit unabhängig von der Chipgröße gleich ist.

Wieviel Licht aL bekommt ein Pixel ab:

aL ∼ (Brennweite / Blende)²  / Anzahl der Pixel

für die Superzooms bei Weitwinkel (4.5/3)²/16 MP ∼ 0.14
für die Sony bei Weitwinkel            (10.4/1.8)²/20 MP ∼ 1.67
zum Vergleich für die KBkamera        (25/2)²/24 MP ∼ 6.5

Man kann sehen,

—–die Kleinbildkamera ist 6.5/0.14 =  46 mal lichtstärker
—–als die Superzoomkameras

—–die Sony ist 12 mal lichtstärker als die Superzoomkameras

—–die Kleinbildkamera ist 4 mal lichtstärker als die Sony

Was ausreichend Licht für die Pixel bedeutet,  hängt vom technisch/technologischen Stand unter Berücksichtigung der Bezahlbarkeit im Hinblick auf Serienproduktion ab.

Die technisch/technologische Entwicklung ist weit fortgeschritten, aber wahrscheinlich auch noch nicht abgeschlossen.

Es gibt Unterschiede zwischen den Superzoomkameras, auf die ich nicht im Einzelnen eingehen möchte. Nur so viel, wenn man die Grenzen für ausreichend Licht, sprich ISO-Empfindlichkeit, ermittelt hat oder kennt, sollte man diese Grenze nicht überschreiten. Das ist für die Superzoomkameras auf Grund ihrer Lichtschwäche besonders wichtig. Bei der Canon und bei der Panasonic kann man die Begrenzung wählen und fest einstellen. Ich fotografiere deshalb bei diesen Kameras in der Regel mit ISO-Automatik, begrenzt durch diesen ermittelten Wert.

Hier Aufnahmen mit der Olympus

Olympus SH2, ISO 125
Olympus SH2 ISO 3200

Bei der Olympus  gibt es diese Möglichkeit der ISO-Begrenzung nicht. Deshalb sollte man bei dieser Kamera besonders darauf achten, mit niedrigen ISO-Werten zu fotografieren. Wie die Bilder zeigen, ist die Aufnahme bei ISO 125 in Ordnung, bei ISO 3200 unbrauchbar, obwohl man sogar 6400 wählen kann.

Hier Beispielbilder von der Canon:

Canon SX700, ISO 100
Canon SX700, ISO 1600

Bei der Canon kann man mit höheren ISO-Werten arbeiten, wenn man allerdings genau hinschaut, ist zu bemerken, daß bei ISO 1600 das geringe Rauschen mit Schärfeverlust erkauft wird.

Bei der Sony liege ich mit ISO 800 auf der sicheren Seite,  man kann deutlich höhere ISO-Werte nutzen, sollte aber das Rauschen im Auge behalten.

Gläserne Manufaktur VW in Dresden, Sony RX100, schwierige Gegenlichtbedingung

Besuch der Gläsernen Manufaktur in Dresden ist sehr zu empfehlen.

Mit der Panasonic habe ich noch keine vergleichbaren Tests machen können, der Oleander war dann schon zu sehr verblüht. Deshalb ein Schnappschuß von einem Spaziergang, sehen, fragen, fotografieren.

Panasonic TZ91, ISO 400

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Man kann bei der Panasonic TZ91 mit höheren ISO-Werten arbeiten, dazu habe ich aber kein Beispielbild zur Hand. Es ist zu beachten, daß die TZ91 im jpg-Format recht stark schärft, deshalb muß man bei der Beurteilung aufpassen, ist es nun Schärfe oder Rauschen.

Da die Kompaktkameras in der Regel bei Offenblende betrieben werden, die Olympus SH2 besitzt gleich keine einstellbare Blende, kann mehr Licht nicht durch mehr aufblenden, sondern nur noch durch längere Belichtungszeiten erreicht werden. Man muß, wenn man den Einsatz der Kompaktkameras bei weniger Licht betreiben will, eher zum Stativ greifen, und da geht aber für mich dann der Vorteil der Kompaktkameras verloren.


Mit allen genannten Kompaktkameras können gute Bilder gemacht werden, wenn man den Einfluß der ISO-Empfindlichkeit konsequent berücksichtigt und die Grenzen einhält.


Dkamera.de bietet für viele Kameras Beispielbilder an, auch zu sehr ähnlichen Motiven und Bedingungen, so daß man sich zu den vorangehenden Aussagen selbst ein Bild machen kann. Eigentlich wollte ich dazu Beispiele anführen, aber der Betreiber von dkamera.de hat momentan Probleme mit der Aktualisierung seiner Webseite und konnte deshalb meiner Bitte um Freigabe bisher nicht nachkommen.