Optik für 4K oder mehr

Optik für 4K oder mehr Dr. H. Nasse Staff Scientist Wiesbaden, 17.03.2015

Nahe oder ferne Zukunft oder??? 16 K 2

Kommentar Ich habe vor kurzem schon Anfragen aus USA bekommen nach Optiken für einen 16K- Sensor (durch stitching erzeugt), Größe verlangt Still-Fotografie Mittelformatoptik, Nyquistfrequenz ca. 180 LP/mm. Es existiert keine Foto-Optik, die solche Anforderungen weitreichend erfüllt, und sie wäre wohl sehr teuer. Es gibt also Überschätzung hinsichtlich Optiken durch Sensorhersteller, aber auf der anderen Seite schon bei 4K einen manchmal übertriebenen Pessimismus. Der Vortrag soll verdeutlichen, wo wir uns zwischen diesen beiden Polen bewegen. Auf den folgenden Folien wird zunächst ausgerechnet und illustriert, was 4K in den Parametern der Optik bedeutet, und welche Beziehungen zu sehphysiologischen Leistungen des Auges und zu den Betrachtungsbedingungen bestehen. 3

Etwas bescheidener: 4K & UHD 1. Was bedeutet 4K & UHD? 2. Was leisten bekannte Objektive? 3. Welche physikalischen Grenzen müssen wir respektieren? 4. Was kann man von alten Objektiven erwarten? 5. Welche Anforderungen sind in der praktischen Arbeit zu bedenken? 4

0.000 0.006 0.013 0.019 0.025 0.031 0.038 0.044 0.050 Low Brightness High 4K im 35mm-Cineformat Pixelgröße 6µm Grenzfrequenz 80 Lp/mm mm 5

Lens MTF for different sensor sizes Super35 16:9 film image size 3 perf. 16:9 35 mm film camera aperture compared to 2/3" chip image size The number of lines which have to be resolved by each chip is much higher (factor 2,5) for the 2/3 chip! 13.5mm (13.87mm) 2/ 3" chip 5.4mm 24 mm (24.92mm) 9.6mm 80 cycles/ mm 200 cycles/ mm Quelle: Carl Panavision Zeiss, Dr. H. Nasse, Geschäftsbereich Camera Lenses 6

Kommentar Die folgenden Folien zeigen, wo die Leistung typischer Objektive im 4K-Frequenzbereich und darüber liegt, wo ein Optimum erreicht wird, und wie die Beugung begrenzend wirkt. 7

Modulation Transfer [%] Variation der Kontrastübertragung mit der Blendenzahl Distagon 32 / T1.3 MasterPrime 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 69 71 63 67 57 49 43 23 1.3 2 2.8 4 5.6 8 11 16 f-number 40 Lp/mm 80 Lp/mm 160 Lp/mm Diffraction Limit 80 Lp/mm 8

Modulation Transfer [%] Variation der Kontrastübertragung mit der Blendenzahl 16mm-Objektiv neben dem Aufwand hat auch die Bildgröße Einfluss Aufwand beinhaltet Korrektionsmittel, Glasarten, Oberflächenformen, Mechanik (Fassungstechnik, Toleranzen) Distagon 14 / T1.3 ULTRA 16 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 74 78 79 77 71 58 43 23 1.3 2 2.8 4 5.6 8 11 16 40 Lp/mm 80 Lp/mm 160 Lp/mm Diffaction Limit 80 Lp/mm f-number 9

MTF [%] Variation der Kontrastübertragung mit der Blendenzahl 2/3 -Objektiv neben dem Aufwand hat auch die Bildgröße Einfluss DigiPrime 28 T1.6 100 90 80 70 60 50 83 83 81 76 70 60 40 30 20 10 0 1.6 2 2.8 4 5.6 8 40 Lp/mm 80 Lp/mm 160 LP/mm Diffraction Limit 80 Lp/mm Diffraction Limit 160 Lp/mm f-number 10

Modulation Transfer [%] Variation der Kontrastübertragung mit der Blendenzahl Vintage Objektiv Planar 1.2/65 Superspeed 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 59 62 58 48 43 33 23 23 1.3 2 2.8 4 5.6 8 11 16 40 Lp/mm 80 Lp/mm 160 Lp/mm Diffraction Limit 80 Lp/mm f-number 11

Kommentar Die vorhergegangenen Folien haben freilich nur die Schokoladenseite der Objektive gezeigt, nämlich die Bildmitte. Im Feld sieht es etwas anders aus, die Werte sind in der Regel nicht mehr ganz so günstig. 12

MTF Kontrastübertragung bei sehr hohen Ortsfrequenzen Achse, Feld und 2 verschiedene Blendenzahlen UP40 (Ultra Prime 100) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 T1.9 Achse T4 Achse T1.9 u'10 tan T1.9 u'10 sag T4 u'10 tan T4 u'10 sag Beugungsgrenze T1.9 Beugungsgrenze T4 Lp/mm 13

Kontrastübertragung bei sehr hohen Ortsfrequenzen Achse, Feld und 2 verschiedene Blendenzahlen (Planar T* 1,4/50) 14

MTF Kontrastübertragung bei sehr hohen Ortsfrequenzen Achse, Feld und 2 verschiedene Blendenzahlen OTUS 55 (Mittelformat Objektiv) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 k1.4 Achse k4 Achse k1.4 u'15 tan k1.4 u'15 sag k4 u'15 tan k4 u'15 sag Beugungsgrenze k1.4 Beugungsgrenze k4 Lp/mm 15

Kommentar Die folgenden Folien zeigen einen Vergleich zwischen einem Objektiv aus den 60er Jahren und einem modernen Hochleistungsobjektiv, beide bei Blende 2. Der Vergleich illustriert, dass die markanten Unterschiede weniger im Auflösungsvermögen und der Wiedergabe feiner Details liegen, sondern im Kontrast des Bildes also auf der MTF-Skala eher bei den niedrigeren Frequenzen. 16

MTF Ein praktischer Vergleich modern - vintage 2/50 Vintage vs. Otus 55 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 k2 Vintage Achse k2 High Performance Achse Lp/mm 17

Kamera mit Nyquistfrequenz 102 Lp/mm vintage modern 18

-60-40 -20 0 20 40 60-10 -505 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Relative Intensität Intensität [EV] MTF [%] -60-40 -20 0 20 40 60-10 -505 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Relative Intensität Intensität [EV] MTF [%] Zusammenhang zwischen MTF Intensitätsprofil des Punktbildes 100.0 10.0 1.0 0.1 µm 7 6 5 4 3 2 1 0 Kantenprofil [µm] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 20 40 80 Ortsfrequenz [Lp/mm] Scharf und kontrastreich 100.0 10.0 1.0 0.1 µm 7 6 5 4 3 2 1 0 Kantenprofil [µm] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 20 40 80 Ortsfrequenz [Lp/mm] Scharf, aber kontrastarm 23

Vintage Objektiv 2 Kameras mit Nyquistfrequenzen: 59 Lp/mm 102 Lp/mm 25

Modernes Objektiv an Kamera mit Nyquist 102 Lp/mm 26

Vintage Objektiv an Kamera mit Nyquist 132 Lp/mm 27

Kommentar Dass man den Parameter Auflösung nicht zu einem Fetisch machen sollte, zeigen auch die folgenden Versuche mit einem Bayer-Sensor. Bei der Abbildung Raster-förmiger Texturen in SW und in Farbe, wird das Objekt schon bei Bruchteilen der Nyquist- Frequenz nicht mehr wirklichkeitsgetreu wiedergegeben. 28

Schwarz-Weiss Punktraster Punktgröße ca. 0.1mm, Rasterfrequenz: ca. 5 P/mm vertikal, 7 P/mm schräg 29

Abbildung 1:4 auf Bayer mit Nyquist 102 Lp/mm 5.2 Pixel/Punktdurchmesser (21/Fläche) Rasterfrequenz= Nyquist/5 30

Abbildung 1:6 auf Bayer mit Nyquist 102 Lp/mm 3.5 Pixel/Punktdurchmesser (10/Fläche) Rasterfrequenz= Nyquist/3 31

Abbildung 1:6 auf Bayer mit Nyquist 84 Lp/mm 2.8 Pixel/Punktdurchmesser (10/Fläche) Rasterfrequenz= Nyquist/2.5 32

4-Farben Rasterdruck, Frequenz 10 Lp/mm Magenta, Gelb, Cyan, Schwarz 34

Abbildung 1:2 auf Bayersensor mit Nyquist =132 Lp/mm Rasterfrequenz = 0.15 x Nyquist 35

Kommentar Die Beschreibung von Objektivleistung nur durch polychromatische Kontrastübertragungswerte ist bei anspruchsvollen Betrachtungsbedingungen nicht hinreichend. Auch andere Aspekte haben großen Einfluss auf die subjektiv wahrgenommene Bildqualität, z.b. die Farbkorrektion. 38

Eigenschaften, die durch polychromatische MTF nicht beschrieben werden 39