Wenn man über Zoomobjektive liest, ist ein relativ häufiger Kommentar, der in Bewertungen einiger Objektive (insbesondere preisgünstigerer Objektive) auftaucht, dass das Objektiv an einem oder beiden Enden des Zoombereichs der Brennweite nicht so scharf ("weich") ist .
Warum sollte ein Objektiv bei unterschiedlichen Brennweiten unterschiedliche Schärfewerte aufweisen und warum sind die Extreme am schlimmsten?
Antworten:
Achtung: Dies ist eine weitere meiner "Buchlängen" -Antworten ... :-)
Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die Funktionsweise eines Zoomobjektivs. Betrachten Sie das einfachste Linsendesign - ein einzelnes Element. Ein großes Problem bei einem Einzelelementobjektiv besteht darin, dass die Brennweite des Objektivs den Abstand bestimmt, den das Element von der Filmebene / dem Sensor haben muss, um eine Szene scharf zu stellen, sodass beispielsweise ein 300-mm-Objektiv erforderlich ist 300 mm vom Sensor entfernt, um auf unendlich zu fokussieren. Umgekehrt müsste sich ein Weitwinkelobjektiv wirklich nahe an der Filmebene / dem Sensor befinden, um auf unendlich zu fokussieren.
Objektivdesigner fanden jedoch bald einen ziemlich coolen Trick: Sie konnten eine lange effektive Brennweite erzeugen, indem sie ein kurzes Brennweitenelement vorne und ein (etwas schwächeres) negatives Element dahinter platzierten. Mit dem negativen Element traf das Licht auf die Filmebene in genau demselben Winkel, als ob es von einer langen Linse gebrochen worden wäre. Wenn wir ein bisschen (oder viel) übertreiben, erhalten wir eine Substitution wie die folgende:
Beide Objektive haben die gleiche effektive Brennweite, aber (offensichtlich genug) das zweite ist physisch etwas kürzer - es muss nicht annähernd so weit aus der Vorderseite der Kamera herausragen.
Die doppelte obere Linie im zweiten Entwurf bringt uns jedoch zu unserem zweiten Punkt: der chromatischen Aberration. Die "innere" Linie repräsentiert blaues Licht, das durch die Linsen geht, und die "äußere" Linie rotes Licht. Aufgrund seiner kürzeren Wellenlänge wird blaues Licht beim Durchgang durch eine Linse immer stärker gebrochen (gebogen) als rotes Licht. Je nach Glas kann der Unterschied zwischen der Brechung des roten und blauen Lichts jedoch recht groß oder relativ gering sein.
Wenn wir das richtige Glas für das vordere gegenüber dem hinteren Element auswählen, können wir ungefähr das erreichen, was auf dem Bild gezeigt wird - das Ausmaß der zusätzlichen Biegung im vorderen Element wird genau durch das Ausmaß der zusätzlichen Biegung im zweiten Element kompensiert rotes und blaues Licht kommen genau zusammen in den Fokus.
Mit einem Zoomobjektiv funktionieren die Dinge jedoch nicht so einfach. Um ein Zoomobjektiv zu erhalten, nehmen wir das zweite Design, bewegen aber das hintere Element relativ zum vorderen Element. Wenn wir in diesem Fall das vordere Element nach vorne bewegen, ist das blaue Licht beim Eintritt in das zweite Element weniger vom roten abgewichen, und da hinter dem zweiten Element kein Platz mehr ist, wird es stärker gebogen - als Anstatt genau zusammen zu fokussieren, endet das blaue Licht "außerhalb" des roten Lichts, das im Bild als chromatische Aberration angezeigt wird.
Wenn umgekehrt das hintere Element näher an den Sensor herangeführt wird, ist das blaue Licht weiter vom roten Licht entfernt, wenn es das zweite Element erreicht. Da sich das zweite Element näher am Sensor befindet, konvergiert es nicht mit dem Rot, sodass es beim Erreichen des Sensors immer noch "innerhalb" des Rotes landet - wiederum chromatische Aberration (jedoch in entgegengesetzter Richtung) ).
Wenn wir es dabei belassen würden, wären Zoomobjektive alle ziemlich schrecklich - jede Änderung der Brennweite würde riesige Mengen an CA ergeben. Um dem entgegenzuwirken, werden Elemente gruppiert. Anstelle nur des vorderen Elements und des zweiten Elements, wobei eines die von dem anderen eingeführte Zertifizierungsstelle kompensiert, hätten Sie zwei Gruppen von Elementen, von denen jede ihre eigene Zertifizierungsstelle kompensiert, und das Verschieben der Gruppen relativ zueinander nicht Ändern Sie die Zertifizierungsstelle überhaupt.
Es ist aber immer noch nicht so einfach. Es ist physikalisch unmöglich für eine Gruppe von Elementen, CA vollständig zu kompensieren. Ein Element biegt blaues Licht immer um einen Winkel , der größer ist als der Winkel, in dem es rotes Licht biegt. Wenn Sie die Elemente sehr nahe beieinander platzieren, können Sie das rote und blaue Licht bestenfalls sehr nahe beieinander und fast parallel, aber immer noch leicht voneinander entfernt bewegen. Wenn Sie sie gegeneinander zurückbiegen, konvergieren sie nur in einer exakten Entfernung. In jeder anderen Entfernung werden Sie mit CA in die eine oder andere Richtung enden.
Wie bereits erwähnt, jedoch mit einem Zoom - Objektiv, die Entfernungen muss ändern. Normalerweise versucht der Objektivdesigner , den Worst-Case-CA zu minimieren. Das ist ziemlich einfach (zumindest theoretisch): Er betrachtet den Bereich, um den sich das hintere Element bewegt, und ermittelt den Winkel, der genau in der Mitte dieses Bereichs Konvergenz erzeugt. Auf diese Weise teilt er die Dinge auf, sodass CA in die eine Richtung gelangt, wenn sich das hintere Element näher an den Sensor heranbewegt, und in die andere Richtung, wenn es sich weiter entfernt. Natürlich ist es nicht wirklich nur das hintere Element - er muss die Kombination aller Bewegungen aller Elementgruppen betrachten (und natürlich die von jedem eingeführte Streuung berücksichtigen).
Sobald er die Reichweite herausgefunden hat, minimiert er normalerweise den schlimmsten Fall, indem er die Differenz aufteilt - optimiert für ungefähr die Mitte der Reichweite, sodass es in jeder Richtung etwas schlechter wird. Die Ausnahme ist ein Objektiv, das voraussichtlich hauptsächlich an dem einen oder anderen Ende verwendet wird. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, für ungefähr den erwarteten Nutzungsbereich zu optimieren und mit der Tatsache zu leben, dass der schlimmste Fall schlimmer sein wird, als er wirklich sein müsste.
Dabei geht es natürlich auch nur um einen der verschiedenen Faktoren, die für ein Linsendesign wichtig sind - der Designer muss auch (zumindest) Koma, Astigmatismus, Vignettierung, Verzerrung und sphärische Aberration berücksichtigen - ganz zu schweigen von a Einige kleine Details wie Größe, Gewicht, Kosten und die Möglichkeit, ein echtes Objektiv herzustellen, das so funktioniert, wie er es entworfen hat.
Leider habe ich auch Objektive gesehen, bei denen die zentralen Brennweiten am schlechtesten sind, sodass Ihre Annahme nicht immer richtig ist.
Grundsätzlich besteht ein Zoom aus sich bewegenden optischen Elementen, die sich relativ zueinander bewegen müssen, um die Brennweite des Objektivs zu ändern. Optiker sind dafür verantwortlich, die Leistung während des gesamten Zooms mit einem festen Satz von Teilen in einer festen Reihenfolge zu optimieren. Sie können sich vorstellen, dass dies ein schwieriger Prozess ist.
Extremitäten sind anfälliger für Probleme, da die optischen Elemente an einer festgelegten Position häufig am besten funktionieren und je weiter von dieser Position entfernt, desto weiter von der optimalen Leistung entfernt.
Das Zoomobjektivdesign ist im Gegensatz zum Hauptobjektivdesign (einzelne feste Brennweite) eher komplex. Mit einer Hauptlinse ist es viel einfacher, optische Aberrationen wie chromatische Aberration, sphärische Aberration, Verzerrung usw. zu korrigieren, und so mit weniger Linsenelementen. Je weniger Linsenelemente (einzelne Glaslinsen, die beim Aufbau eines komplexen Kameraobjektivs verwendet werden), desto besser ist im Allgemeinen Ihre Bildqualität, da jedes Glasstück die Fokussierung des Lichts beeinflusst.
Zoomobjektive haben im Allgemeinen mehr Linsenelemente als Hauptobjektive, manchmal erheblich mehr. Bei größeren Brennweiten sind einige Zoomobjektive länger als ihre Brennweite und erfordern eine "retrofokale" Gruppe auf der Rückseite. Alle diese zusätzlichen Linsenelemente tragen jeweils zu den optischen Aberrationen bei, wobei einige die Aberrationen anderer Linsenelemente korrigieren. Bei einem Zoomobjektiv muss die optische Korrektur so durchgeführt werden, dass im gesamten Zoombereich die beste Gesamtqualität erzielt wird. Dies bedeutet normalerweise, dass irgendwo ein Kompromiss eingegangen werden muss (Sie können Ihren Kuchen nicht haben und ihn auch nicht essen.)
Zoomobjektive haben normalerweise "schärfere" und "weichere" Punkte. Es ist nicht immer an den Extremen des Fokusbereichs ... manchmal ist es genau in der Mitte. Manchmal geht der Kompromiss zu Lasten der Bildkantenschärfe gegenüber der Bildschärfe, die bei einer Brennweite schlechter sein kann als bei einer anderen. In beiden Fällen erfordert die Anpassung an einen variablen Brennweitenbereich aufgrund der erforderlichen Komplexität Kompromisse.
Objektive mit höherer Qualität verwenden häufig eine fortschrittlichere Optik, um Aberrationen zu korrigieren, normalerweise mit erheblichen Kosten. Ein Mitteltöner kann einfach mehr Linsen verwenden, um Aberrationen zu korrigieren und zu ignorieren, wie sich Aberrationen im gesamten Fokusbereich ändern. Eine professionelle Linse von höchster Qualität berücksichtigt die Variabilität der Aberrationen. Verwenden Sie fortschrittliche Optiken wie Glas mit hoher Dichte, Glas mit geringer Dispersion, asphärische Linsenelemente, Fluoritlinsenelemente, apochromatische Linsenelemente, zusätzliche Korrekturgruppen usw., um die höchste Qualität im gesamten Fokus aufrechtzuerhalten Reichweite eines Zoomobjektivs. Im Vergleich zu Prime-Objektiven müssen noch Kompromisse eingegangen werden, der Kompromissgrad ist jedoch tendenziell viel geringer.
Objektive beinhalten signifikante Korrekturen für Anomalien. Diese Anomalien werden als Aberrationen bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl von Aberrationen, einige der häufigsten sind sphärisch, Astigmatismus, chromatisch, Koma, Zylinder, Nadelkissen, Feldkrümmung und unscharf.
Wenn diese Aberrationen nicht existieren würden, wäre das Linsendesign sehr einfach. Setzen Sie einfach ein oder zwei Objektive in eine gerade Linie, und Sie erhalten jedes Mal ein perfektes Bild. Wir wissen jedoch, dass diese Aberrationen existieren. Es ist unmöglich, diese Aberrationen für einen einzigen Punkt vollständig zu korrigieren. Je mehr dieser Aberrationen es gibt, desto "weicher" wird ein Bild aussehen.
Man kann Verzerrungen über einen großen Zeitraum minimieren, hauptsächlich durch die Herstellung teurerer Objektive. Die teureren Linsen stammen aus der Herstellung von nicht sphärisch geformten Linsen, die schwieriger herzustellen sind.
Je mehr Sie sich vom Sweet Spot der Linse entfernen, desto weicher wird es. Änderungen der Brennweite, der Blende und der Brennweite beeinflussen den Sweet Spot. Wenn Sie also eine der 3 ändern, wird die Qualität beeinträchtigt. Wenn das Objektiv eine ausreichend hohe Qualität aufweist, ist die Verschlechterung kaum spürbar.