Es gibt viele gute Gründe für Objektivtests. Aber obwohl eine (teure) Optik an sich hervorragende Werte aufweist, muss sie nicht immer zu der favorisierten Kamera passen. Oft ist ein Shadingeffekt zu beobachten, der aber vermeidbar ist. Insbesondere moderne, hochauflösende Kameras mit großen CMOS-Sensoren sind hiervon betroffen. Eine Ursachensuche.

Jedes Objektiv
verursacht Shading

Shading ist ein bekanntes Problem in der Optik. Kurz formuliert: Je weiter ein Bildpunkt auf dem Sensor von der optischen Achse entfernt ist, desto dunkler wird der Bildpunkt abgebildet. Das Bild wird also zu den Rändern hin dunkler. Das Phänomen ist punktsymmetrisch um die optische Achse. Ein Schließen der Blende vergrößert den nutzbaren Bildbereich. Dieses Shading ist uns wohl vertraut und wird von den Objektivherstellern kontinuierlich verbessert.

Von der Kamera
verursachtes Shading

Die Überraschung entsteht oft, wenn eine moderne CMOS-Industriekamera eingesetzt wird wie beispielsweise die hochauflösende hr342 von SVS-Vistek mit einem Sony IMX342-Sensor oder Kameras mit einem Canon 120MXSM-Sensor. Bei diesen hochwertigen CMOS-Kameras in Kombination mit einer guten Optik kann plötzlich ein Shading-Effekt sichtbar werden, den es mit einer anderen Kamera nachweisbar nicht gibt. Was also ist die Ursache und wie lässt sich Derartiges vermeiden?

Ein CMOS Sensor Shading addiert sich zum normalen Shadingverhalten des Objektivs

Ursache CRA

Ein CMOS-Pixel besteht (von der Lichteinfall-Seite betrachtet) aus einem lichtempfindlichen Bereich und einem (lichtunempfindlichen) Verstärker-Bereich. Moderne CMOS-Sensoren besitzen sogenannte Mikrolinsen. Hierbei ist über jeder einzelnen CMOS-Zelle eine Mikrolinse platziert, die einfallendes Licht auf den lichtempfindlichen Teil des Pixels (und nicht auf die umliegenden Verstärker/Elektronik) richtet. Diese Konstruktion erhöht die Empfindlichkeit des Pixels erheblich und vermindert Objektstruktur-bedingtes Pixelrauschen.

Allerdings haben diese Vorteile einen Preis: Die Verwendung der Mikrolinsen bewirkt, dass das einfallende Licht aus einem bestimmten Winkelbereich kommen muss. Von außerhalb dieses Chief Ray Angle (CRA) genannten Winkelbereiches einfallendes Licht wird dann mehr auf die lichtunempfindlichen Bereiche des Pixels geleitet – eine deutliche Intensitätsminderung und damit ein Shadingeffekt auf diesem Pixel ist die Folge.

Fällt der Strahl unter einem großen Winkel auf das Sensorpixel, dann bildet die Mikrolinse das einfallende Licht nicht mehr in dem lichtempfindlichen Bereich ab. Eine Mikrolinse auf dem Sensorpixel führt so zu niedriger Lichtintesität.

CRA und Objektiv
müssen matchen

Auf der Objektivachse erfolgt der Lichteinfall senkrecht zum Sensor. Die meisten Sensoren haben die Mikrolinsen so angeordnet, dass das Licht senkrecht einfallen sollte. Je weiter das einzelne Pixel nun aber außerhalb der Objektivachse zum Sensorrand gelegen ist, desto schräger fällt das Licht bei entozentrischen Objektiven ein. Ist dieser Einfallswinkel grösser als der CRA des Sensors, dann kommt es zum sensorbedingten Shading.

Telezentrische Objektive haben diesen Nachteil nicht: Sensorseitig (!) telezentrische Objektive haben auf der gesamten Sensorfläche einen Strahlengang senkrecht zum Sensor. MFT-Objektive (Micro Four Thirds) sind nahezu alle sensorseitig telezentrisch. Allerdings gibt es auch CMOS-Sensoren mit sogenanntem Pixelshift: Hier sind die Mikrolinsen so angeordnet, dass der Positionsversatz der Mikrolinsenabbildung durch das am Rande des Sensors vom Objektiv schräger einfallende Licht mit einer geänderter Position der Mikrolinsen am Rande kompensiert wird. Für diese Sensoren funktionieren dann telezentrische Objektive allerdings nicht.

Es ist also wichtig, dass Objektiv und Sensor harmonieren, um den mit einer Shading-Korrektur einhergehenden Dynamikverlust im Bild zu minimieren.

Wenn der Chief Ray Winkel kleiner als der Einfallswinkel des einfallenden Lichts ist oder das Sensorpixel am Rand des Sensors, wird nur ein Teil der nominalen Öffnung verwendet. Dieser Effekt wird umso größer, je weiter das Sensorpixel von der optischen Achse entfernt ist und führt zu Shading

Beratung spart
eigene Tests

Da CRA und der sensorseitige Strahlengang nicht von der Brennweite sondern von der Bauart des Objektivs abhängen, ist bei derartigen Sensoren mit kleinem oder inhomogenem CRA bei der Auswahl von Objektiven besondere Sorgfalt geboten. Der sensorseitige Strahlengang ist ein konstruktives Merkmal und kein qualitatives, abhängig hauptsächlich von Lage und Größe der Austrittspupille. Für jede Bauweise gibt es gute Gründe, selbst Objektive gleicher Brennweite des gleichen Herstellers können hier sehr unterschiedlich sein.

SVS-Vistek bezieht seit Jahrzehnten in der Beratung von Kameralösungen auch das Objektiv mit ein. Wir wählen gerne mit Ihnen zusammen das passende Objektiv zu Ihrer Kamera aus.

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