Gisteravond moest ik door de zoektocht van Matthijs naar een nieuwe camera en het experiment met de 600mm denken aan het scheidend vermogen en MTF's. Ik heb me er tot op heden niet echt in verdiept en dus ben ik er dus maar even in gedoken en tot het volgend stukje gekomen. Het is zeker niet perfect en compleet, maar door het hier te plaatsen en jullie kritische blik gaat hier zeker verandering in komen. Zo kan het stukje tekst over de MTF zeker nog worden verbeterd. Kom maar op met jullie reacties!
Detail, detail en nog eens detailIn de fotografie zijn we dol op details. We willen het allemaal, maar is dat ook echt zo? Van onze vogelaars en macrofotografen weten we dit wel, maar soms hoor je wel eens dat portretfotografen niet staan te springen op nog meer detail omdat hun modellen niet vrolijk worden als elk pukkeltje of rimpeltje zichtbaar wordt. Een ding is zeker: details worden zichtbaar als de apparatuur in staat is om die ook zichtbaar te maken.
Het scheidend vermogenHet scheidend vermogen is het vermogen van een camera-lens combinatie om fijne details nog weer te kunnen geven. Waar is het scheidend vermogen van digitale camera’s eigenlijk van afhankelijk?
Astrologie/SterrenkundeNu denk je misschien dat we alleen binnen de fotografie ons druk maken over scheidend vermogen, maar niets is minder waar. In de astrologie speelt dit probleem al veel langer en nog veel sterker. De afstanden tot hun onderwerpen (de sterren) zijn in de astrologie namelijk veel groter. Een goede resolutie is het antwoord op de vraag of een dubbelster kan worden onderscheiden als twee afzonderlijke sterren of dat dit niet mogelijk is. Een paar meter dichterbij je onderwerp gaan staan (bijvoorbeeld door vanaf zolder naar de sterren te kijken), zal op die afstanden helemaal niks uitmaken.
Het onderscheiden van puntenLaten we maar eens een plaatje er tegenaan gooien (bron: wikimedia.org)
Het probleem is dus niet erg ingewikkeld uit te leggen: neem twee (licht)punten en bepaal hoe ver deze punten van elkaar verwijderd mogen zijn om ze nog als afzonderlijke punten waar te kunnen nemen.
Je kunt je voorstellen dat de afstand tot deze twee punten (de focus afstand) een factor is waar we rekening mee moeten houden. Hoe dichter je op die twee punten staat, hoe beter ze als afzonderlijke punten te onderscheiden zijn. Anderzijds geldt ook: hoe verder weg ze zijn, hoe moelijker het wordt om ze als afzonderlijke punten te onderscheiden. Er komt een moment dat we ze niet meer als twee losse punten kunnen onderscheiden. De focusafstand is dus kennelijk een van de factoren die een rol speelt bij het scheidend vermogen. De vraag is of onze conclusie juist is of dat het wat complexer in elkaar zit. We gaan het gezamenlijk ontdekken.
De booghoekVoor we verder gaan met het zoeken naar andere factoren wil ik eerst een nieuwe term introduceren: de booghoek. We hebben gezien dat als twee punten (in een beeldvlak parallel aan de sensor) op korte afstand van ons worden geplaatst, we deze punten afzonderlijk van elkaar goed kunnen onderscheiden. De vraag is alleen wat we zien als we vanaf dezelfde plek naar die punten kijken via een camera met verschillende objectieven.
We nemen een papiertje en plaatsen daarop met viltstift op enige afstand van elkaar twee punten. Het papiertje plakken we op de muur en gaan er drie meter vanaf staan. Wanneer we naar dit papiertje kijken via een telelens, dan zien we een beeld met voornamelijk papiertje en de twee punten, er is een flinke afstand tussen die punten en er is nauwelijks extra omgeving rond het papiertje in het beeld te zien. Als we vanaf diezelfde plek naar datzelfde papiertje met twee punten kijken via een groothoeklens, dan zien we dat er heel veel omgeving “in het beeld zit”, dat die punten op dat papiertje nu een klein onderdeel zijn van het totale beeld. We zien ook in het beeld dat de punten veel dichter op elkaar staan.
Als we op deze manier objectieven met elkaar gaan vergelijken dan levert dat een verkeerde conclusie op. Een telelens heeft als we niks doen aan de manier van meten op deze manier altijd een beter scheidend vermogen dan een groothoeklens. Plaats het papiertje maar 5 meter verder van ons af en de telelens haalt de punten voldoende dicht naar ons toe waardoor ze nog steeds als afzonderlijke punten kunnen worden gezien, maar de groothoeklens is daar niet meer toe in staat. De oplossing is het introduceren van de booghoek.
Wat is nou een booghoek? Neem een cirkel en sta in het middelpunt van de cirkel. De booghoek is de afstand tussen twee punten op die cirkel; feitelijk is de booghoek een deel van de cirkel oftewel een stukje van de cirkelboog. Via de booghoek zijn we wel in staat om de kwaliteit van de telelens te vergelijken met die van de groothoeklens. Hoe dan? Plaats het papiertje met de twee stippen op die afstand waarbij als we door de lens kijken een booghoek zien van (bijvoorbeeld) 5 cm. Voor de groothoeklens betekent dit dat het papiertje veel dichter bij de camera hangt dan bij de telelens. Het vaststellen van het scheidend vermogen op basis van de booghoek is dus een eerlijker methode.
Hoe zit het nou met de focus afstand? Wanneer je het papiertje met de twee stippen aan de muur vastplakt, dan zal booghoek van bijvoorbeeld 1 cm (de afstand tussen de twee stippen gezien door je camera) bij montage van een groothoeklens op je camera eerder bereikt zijn dan bij een telelens. Bij een gelijke booghoek is de focusafstand dus kleiner bij een groothoeklens, maar dat wil niet zeggen dat het scheidend vermogen van de groothoeklens dus slechter is. Het scheidend vermogen heeft dus een directe relatie met de booghoek. Door middel van de booghoek kunnen we nu de kwaliteit van de verschillende objectieven met elkaar vergelijken.
Fouten in het glaswerkHet spreekt voor zich dat als de lenzen in een objectief niet perfect zijn, dat dit de kwaliteit niet ten goede komt. Ik heb het dan niet alleen over de zuiverheid van het materiaal, maar ook over de mate waarin de lens perfect geslepen is. Bij verder foutloze optiek wordt het scheidend vermogen beperkt door de diffractie. Diffractie is het afbuigen van een golf langs een ondoordringbaar obstakel. We kennen allemaal het fenomeen dat we altijd iets moeten diafragmeren (het diafragma iets dicht moeten draaien) voor een betere scherpte. Dit kunnen we niet ongelimiteerd doen, want vanaf een bepaalde diafragma waarde (ergens in de buurt van de f/16) neemt de scherpte weer door diffractie af. Simpelweg wordt het gaatje gevormd door de lamellen te klein en zullen de lichtgolven te veel uitwaaieren waardoor het beeld op de sensor door de uitwaaiering negatief wordt beïnvloed. Pixels worden niet meer zuiver belicht, maar belicht volgens de Airy-schijf (een centrale vlek omgeven door concentrische cirkels).
(bron: wilimedia.org)
Het scheidend vermogen van een lens is geen constante waarde, het varieert met het ingestelde diafragma. Ook is de plek waar gemeten wordt bepalend. Zo zal het beeldcentrum een hogere waarde hebben dan de randen (de kwaliteit van het beeld is in het centrum beter dan dat in de hoeken). Voor zoomlenzen zal de ingestelde brandpuntsafstand ook een rol spelen.
Bij de meting is het belangrijk dat het contrast, de kleur van het licht waarmee gemeten wordt en de richting van de meetlijnen gelijk wordt gehouden. Gebeurt dit niet, dan kunnen we de meetwaarden niet goed met elkaar vergelijken.
Met MTF-tests (modulation transfer function) zijn lenzen op een betrouwbare manier te testen met betrekking tot hun oplossend vermogen: lens-fabrikanten zetten op de productpagina's van hun lenzen vaak de MTF-charts erbij om de prestaties te laten zien.
Een voorbeeld van een MTF diagram vind je hieronder (bron: petapixel.com)
Op de Y-as (verticale as) vind je een maximale waarde van 1 en een minimale waarde van 0. De waarde 1 geeft aan dat 100% van het licht wordt doorgelaten, hoewel dit niet mogelijk is aangezien geen enkel klas 100% transparant is. Op de X-as (horizontale as) wordt de afstand van het midden van het beeld naar de randen van het beeld weergegeven. Hierbij staat de 0 voor het midden van het beeld en de verschillende waarden komen overeen met de afstand in mm van het midden naar de rand van het beeld. De verschillende leveranciers meten de lenzen elk op hun eigen manier, zodat vergelijken nog niet eenvoudig is. Ook wordt de kwaliteit niet bij elk diafragma geleverd. De grafiek geeft wel een beeld van de kwaliteit van het objectief.
In het algemeen is de mening dat als de grafiek tussen de 0.8 en de 1.0 bevind, de lens uitstekend presteert.
Voor objectieven wordt het scheidend vermogen uitgedrukt in lijnen per millimeter in het beeldvlak. Het beeldvlak is het vlak waarin zich het geprojecteerde beeld bevind; in de fotografie valt dit beeldvlak samen met filmnegatief of de beeldsensor.
We hebben al gezien dat objectieven een belangrijke rol spelen in het oplossend vermogen. Ze zijn echter niet alleen verantwoordelijk voor het oplossend vermogen. De camera, en dan in het bijzonder de sensor, speelt ook een belangrijke rol.
De camerasensorAls een sensor twee punten van elkaar moet onderscheiden, dan zou het fijn zijn als die punten op afzonderlijke pixels vallen. De conclusie: meer pixels is dus beter, is snel getrokken, maar is dat ook zo?
Laten we maar eens kijken wat moderne sensoren doen. De berekening is eenvoudig te maken: het aantal lp/mm = aantal pixels / sensor lengte/ 2 (omdat we in lijnparen rekenen)
Nikon D4: 68 lp/mm
Nikon D5: 77 lp/mm
Nikon D800: 102 lp/mm
Nikon D810: 102 lp/mm
Nikon D750: 83 lp/mm
Nikon D7100: 127 lp/mm
Nikon D7200: 127 lp/mm
Canon D1 mark IV: 87 lp/mm
Canon 5D mark IV: 93 lp/mm
Canon 5Ds: 120 lp/mm
Canon 7D mark II: 122 lp/mm
Je zou dus de conclusie kunnen trekken dat de Nikon D7100 en de Canon 7D mark II (beiden zijn cropcamera’s) beschikken over een veel beter oplossend vermogen. De full frame camera’s moeten het met een veel minder goed oplossend vermogen doen. De Canon 5Ds is hierop de uitzondering: een full frame sensor met kleine pixels.
Als je echter het beeld gelijk trekt doordat je met de camera met cropsensor meer afstand neemt zodat het beeld (en dus de booghoek) gelijk is, dan blijkt dat de kleiner sensor minder goed presteert dan de full frame camera. Dit is een theoretische benadering, want je bent in een flink aantal situaties gewoon niet in staat om dichter op je onderwerp te staan of er verder vanaf te gaan staan. Soms moet je namelijk gewoon doen met de positie waar je op dat moment staat. Genomen vanaf eenzelfde positie bevat het beeld van een cropcamera meer fijne details.
Meer megapixels op een sensor proppen heeft echter ook twee duidelijke nadelen:
1) Om meer megapixels op een sensor te proppen, moeten de photosites (de plek waar de photodiodes het licht registreren) steeds kleiner gemaakt worden: als gevolg daarvan is er per photosite minder licht beschikbaar (de microlenses erboven worden natuurlijk ook kleiner).
2) Doordat er meer en meer pixels op de sensor worden geplaatst, kan het zo maar gebeuren dat een sensor dus meer detail aan kan dan het objectief kan leveren. Daarnaast worden fouten in lenzen, zoals Chromatische Aberratie (het paarse spook) genadeloos getoond terwijl deze mogelijk nooit zichtbaar waren op een oudere camera met diezelfde lens.
Hoe lager het lp/mm-getal, hoe minder een sensor vraagt van een lens. Veel MP op een cropsensor vraagt dan ook veel van een lens. Het is dus heel erg belangrijk om op een cropcamera een uitstekende lens te plaatsen, juist vanwege dit enorm hoog scheidend vermogen.
Naast de Canon 5Ds is de Nikon D800 de camera die met z’n ruim 36 megapixels het dichtst in de buurt komt, en in tests komt hij er inderdaad zeer goed uit wat betreft resolutie. Bij een test van DPReview.com (met een Nikkor AF-S F1,4/50 mm G) haalde de Nikon D800 een score van 3200 lph (lijnen per afbeeldingshoogte). Een Nikon D3S haalde in een vergelijkbare test een score van 2200 lph. (let op! Het zijn geen lijnparen, maar lijnen)
Zeker met een slechte kitlens zul je nooit het maximale potentieel realiseren: het beeld is altijd minder scherp dan wat de sensor kan registreren. Bij kwalitatief mindere objectieven verschuift het omslagpunt met de maximale scherpte naar kleinere diafragmaopeningen: een goede vaste brandpunt levert z’n scherpste beeld bij f/2.8, maar een kitzoom bijvoorbeeld pas bij f/7.1.
Over het algemeen is het oplossend vermogen van een lens vele malen groter dan die van de camerasensor, zeker als je professionele lenzen gaat gebruiken op een instapcamera. Bij cropcamera's met grote hoeveelheid pixels moet je bedacht zijn dat het scheidend vermogen van de camera wel eens groter kan zijn dan dat van de (met name: kit)lens.
Na het nemen van de foto kan de resolutie nooit worden aangepast, geen enkele Photoshop actie kan fijne details laten zien die oorspronkelijk niet zijn geregistreerd. Het vergroten van de foto, bijvoorbeeld om deze groot af te drukken, leidt er toe dat de resolutie afneemt, waardoor onscherpte sneller zichtbaar wordt.
Tool om mee te spelen
https://www.dpreview.com/reviews/olympusep1/21Achtergrondinfo
http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.htmlhttp://www.photodady.com/blog/2013/03/22/imaging-system-resolving-power/___________________________________________
Update oorsponkelijke tekst n.a.v. discussie hieronder.
- Cropcamera is in staat om beter de fijne details te tonen dan een full frame camera