Der verführerische Ruf der
"Megapixel-Objektive"

Kennen Sie die Geschichte mit dem 12-Megapixel-Objektiv? Sie wissen schon, das Objektiv, das perfekt zu einer 12-Megapixel-Kamera passt?

Noch nicht? Das liegt daran, dass die Konstrukteure von Bildgebungssystemen nicht lachen können, da sie diesem weit verbreiteten Schwindel, der von den meisten führenden Objektivherstellern verbreitet wird, immer häufiger ausgesetzt sind.

"Megapixel"-Objektive sind ein bisschen wie "natürliche" Lebensmittel. Die Käufer verstehen implizit, was die Begriffe bedeuten, nur dass sie es nicht tun. Sie können es nicht. Die Begriffe sind in beiden Kontexten bedeutungslos.

Anfang 2016 berichtete CBS News, dass "mehr als 60 % der Amerikaner Produkte kaufen, die als 'natürlich' gekennzeichnet sind, dass aber laut Consumer Reports die 'natürlichen' Etiketten keine klare Bedeutung haben und die Verbraucher in die Irre führen - wobei mehr als zwei Drittel der Amerikaner denken, dass 'natürlich' mehr bedeutet, als es tatsächlich ist." (27. Januar 2016)

Während das "natürlich" in "natürliche Lebensmittel" eine schlüpfrige Bedeutung hat, wird der Begriff "Megapixel" in "Megapixel-Objektiv" einfach falsch angewandt.

Irreführender Name
Kamera- und Sensorhersteller bezeichnen ihre Produkte zu Recht nach der Anzahl der Megapixel, die sie bieten - wobei ein Megapixel im Allgemeinen als 1 Million Pixel verstanden wird (obwohl die genaue Berechnung, 2 hoch 20, eigentlich 1.048.576 Pixel entspricht). Die Kategorisierung von Kameras und Sensoren nach Megapixeln ist sinnvoll, da sich der Begriff auf die Anzahl der auf dem Sensor verfügbaren Pixel bezieht.

Je mehr Pixel, desto höher die Auflösung - alle sind zufrieden. Wenn ein Entwickler von Bildgebungssystemen mehr Auflösung benötigt, weiß er, dass er eine Kamera mit mehr Megapixeln wählen muss. Wir verstehen das: Im Sinne von "mehr ist besser" sind Megapixel sexy. Sie haben nur nichts mit Objektiven und deren Leistung zu tun. Es ist nicht fair, ein Objektiv in Megapixeln zu beschreiben, und es ist nicht richtig. Es ist sogar schlichtweg irreführend.

Wir zeigen Ihnen, warum der Begriff "Megapixel" in Bezug auf Objektive unsinnig ist, und wir helfen Ihnen, das Megapixel-Rauschen zu durchbrechen und durch die wichtigen Parameter zu ersetzen, die Sie beachten müssen, um das richtige Objektiv für Ihre Megapixel-Kamera zu finden.

Das Richtige tun
Wir werden dieser falschen Megapixel-Etikettierung auf den Grund gehen, indem wir einige Sensoreigenschaften einiger beliebter Marken hervorheben - gute Sensoren, die einem breiten Spektrum von Käufern von Bildgebungssystemen vertraut sind - und sie im Zusammenhang mit den Objektivanforderungen untersuchen.

Betrachten Sie zunächst die beiden On-Semi-Chips in Abbildung 1 und konzentrieren Sie sich zunächst auf die grüne Spalte. In dieser Spalte ist der Wert der "Sensordiagonale" aufgeführt, also die Abmessung des Chips von Ecke zu Ecke. Beide Chips hier haben eine Sensordiagonale von 11 mm. Schauen Sie nun links von diesen Werten in die Spalte mit der Bezeichnung "Pixelgröße". Der obere Chip hat eine Pixelgröße von 2,4 Mikrometern, der untere von 5,5 Mikrometern. Das Einzige, womit Sie sich hier vertraut machen sollten, ist die Tatsache, dass diese beiden Chips dieselbe physische Fläche abdecken. Beide haben eine Sensordiagonale von 11 mm, aber einer enthält mehr als die 4,5-fache Anzahl von Pixeln auf der gleichen Fläche.

Abbildung 1: Vergleich gängiger Megapixel-Sensoren

Schauen Sie sich nun die Werte in Orange an. Hier sehen Sie zwei 12-Megapixel-Sensoren von Sony, ein sehr gängiger Wert. Wenn Sie eine Spalte weitergehen, werden Sie feststellen, dass die Pixelgröße des ersten Sensors extrem klein ist, nämlich unter 2 Mikrometer. Nur sehr wenige Objektive können überhaupt einen Punkt mit 2 Mikrometern abbilden. Schauen Sie sich nun den anderen an - 3,45 Mikrometer - immer noch klein, aber mit einem funktionierenden Objektiv leichter zu erreichen.

Warum führen wir Sie also durch diese Augentabelle? Wenn Sie ein Objektiv für das oben beschriebene Sony-Kamerasystem kaufen sollen und der Objektivhersteller Ihnen nur sagt, dass er ein 12-Megapixel-Objektiv für Sie hat, besteht die Gefahr, dass Sie ein Objektiv kaufen, das nicht gut oder gar nicht mit Ihrem Bildgebungssystem funktioniert. Das Gleiche gilt für den On Semi 13-Megapixel-Kamerasensor - wenn Sie beim Kauf Ihres Objektivs nicht wüssten, dass die Pixelgröße 1,1 Mikrometer beträgt, würden Sie sich in eine Welt des Schmerzes begeben. Denn ein Sensor mit 1,1-Mikrometer-Pixeln bedeutet eine Auflösungsgrenze von 454 Linienpaaren pro mm, und das ist enorm! Wenn Sie einen Punkt im Objektraum so abbilden wollten, dass er genau auf ein Pixel fällt, Punkt für Punkt oder Punkt für Pixel, müssten Sie ein Objektiv mit einer Blende von f/1 oder noch lichtstärker haben, und so etwas finden Sie nicht so leicht.

Das führt zu unserem ersten Tipp: Ignorieren Sie die Megapixelzahl, achten Sie auf die tatsächliche Pixelgröße. Wenn Sie die Pixelgröße verstehen, können Sie ein Objektiv finden, das über eine ausreichende Leistung - oder MTF - verfügt, um einen Spot mit dieser individuellen Pixelgröße zu bilden.

Betrachten wir noch einmal die beiden Sony-Sensoren. Wenn Sie ein Objektiv für diese 12-Megapixel-Kameras auswählen müssten, sehen Sie sich den Unterschied in der Sensordiagonale zwischen ihnen an. Er beträgt fast 2:1! Wenn ein Objektivkäufer bei der Auswahl eines Objektivs für eine dieser Kameras nur "12-Megapixel-Objektiv" als Anhaltspunkt hätte, könnte er oder sie Glück haben. Ein 12-Megapixel-Objektiv für den ersten Sony-Sensor könnte möglicherweise den Bildkreis/Sensordiagonale von 8,61 mm bewältigen (unserer Erfahrung nach sind viele 12-Megapixel-Objektive nur für einen Bildkreis von 8 mm korrigiert), aber selbst wenn es das könnte, würde es göttliche Intervention erfordern, damit dieses Objektiv einen ausreichend großen Bildkreis für den zweiten Sensor erzeugt.

Dies hat erhebliche Auswirkungen auf alle industriellen Bildverarbeitungsanwendungen, von der Roboterbildverarbeitung über die Wafer- und Lebensmittelkontrolle bis hin zu Sicherheits- und Militäranwendungen. Verständlicherweise werden die Kameras, die Sie für diese Bildgebungssysteme kaufen, alle in Megapixeln angegeben, aber wenn Sie ein "12-Megapixel-Objektiv" für den Sony-Sensor mit der 17,6-mm-Diagonale kaufen und das Objektiv nur für ein 2/3-Zoll-Sensorformat (11-mm-Diagonale/Bildkreis) ausgelegt ist, könnten Sie alle Ecken des Bildes schwärzen - Sie hätten kein Bild über die gesamte Ansicht.

Das führt zu Tipp zwei: Machen Sie sich mit der Größe des Sensors vertraut, damit das Objektiv bei der Wahl des Objektivs ein Bild erzeugen kann, das den gesamten Sensor abdeckt.

Blendenwerte und Beugungscheibchen
Eine weitere Möglichkeit, die Diskrepanz zwischen der versprochenen Perfektion von Megapixelbildern und den Grenzen der Objektivleistung zu verstehen, ist die Betrachtung der Beugungsscheibchen, des theoretisch kleinsten Punkts, auf den ein Lichtstrahl fokussiert werden kann.

Die folgende Gleichung zeigt, wie der Durchmesser der Beugungsringe (ADD) berechnet wird:
ADD = (2,44)(f/#)(Wellenlänge)

Wir erwähnen den Beugungsringdurchmesser, weil er Auswirkungen auf die Bildauflösung und die Wahl des Objektivs hat. Heutzutage ist die Größe der einzelnen Pixel auf vielen Megapixelsensoren oft kleiner als die Größe der Beugungsringe, was zu Anrufen wie diesem führt:

"Stu, ich verwende ein Objektiv mit Blende 5,6, das einen Beugungsring von fast 9 Mikron erzeugt, warum sind meine Bilder dann nicht klar oder lösen nicht so auf, wie ich es brauche?

Wenn ich genauer nachforsche und herausfinde, dass die von ihnen verwendete Pixelgröße 1,94 Mikrometer beträgt, muss ich ihnen sagen, dass sie bei Blende 5,6 nicht wirklich ein einzelnes Pixel abbilden. Das Beste, was das Objektiv tun kann, um einen einzelnen Punkt im Objektraum zu bilden, ist die Verwendung eines Clusters von vier Pixeln.

Was sind also die Auswirkungen? Sagen Sie es mir. Sie haben diesen Sensor speziell wegen seiner wunderbaren Anzahl von Megapixeln und seiner Pixelgröße gekauft, und Sie haben ein Objektiv gewählt, das nicht in der Lage ist, einen Bildausschnitt zu bilden, der der Pixelgröße entspricht, wodurch Sie Ihre Auflösung wegwerfen. Es hatte keinen Sinn, sich für diesen Sensor zu entscheiden - es war eine schlechte Wahl.

Oder anders ausgedrückt: Sie haben ein Objektiv gekauft, das nicht wirklich brauchbar ist. Sie erhalten zwar ein Bild, aber sehen Sie auch wirklich alles, was Sie sehen wollten? Sie nutzen nicht wirklich alle Pixel aus: Sie werden von dem großen Beugungsring, der das Objektiv bildet, aufgefressen. Sie denken vielleicht, dass Sie eine Auflösung von 12 Megapixeln erhalten, aber in Wirklichkeit ist das nicht der Fall, sondern eine falsche Auflösung.

Seien Sie ein informierter Käufer
Fünf Tage in der Woche erhalten wir Anrufe, in denen nach Objektiven gefragt wird, die auf der Anzahl der Megapixel im Sensor einer Kamera basieren. Und fünf Tage in der Woche sagen wir unseren Kunden und potenziellen Kunden, dass dies für die Auswahl des richtigen Objektivs für ihr System nicht ausschlaggebend ist.

Unabhängig von der Anwendung werden Kameras heute in Megapixeln angegeben. Das ist für uns in Ordnung. Aber wenn es darum geht, die sprichwörtlichen Reifen auf das Auto zu montieren, indem man die Objektive für sein Bildverarbeitungssystem auswählt, sollte derjenige, der diese kritische Auswahl trifft, die Scheuklappen gegenüber dem Wort Megapixel ablegen und sich nur auf zwei Faktoren konzentrieren - die individuelle Pixelgröße und die Sensorabmessungen.

Leider wird dies von vielen Optikunternehmen erschwert. Indem sie sich die raffinierte, aber völlig bedeutungslose Megapixel-Kategorisierung von Objektiven zu eigen machen, führen sie unvorsichtige Käufer auf eine falsche Fährte. Und da es keine Standardisierung der Datenblätter und keine Durchsetzung sinnvoller Objektivspezifikationsstandards gibt, liegt es am Käufer, im Voraus zu wissen, worauf es ankommt und welche Fragen er vor dem Kauf stellen sollte.

Seien Sie dieser informierte Käufer.

Der Beugungsring ist der kleinste Punkt, auf den ein Lichtstrahl fokussiert werden kann. Die Scheibe besteht aus Lichtringen mit abnehmender Intensität und erscheint ähnlich wie die Ringe auf einer Zielscheibe. Der mittlere helle Fleck enthält etwa 84 % der Gesamtenergie des Punktbildes, 91 % innerhalb des Außendurchmessers des ersten Rings und 94 % der Energie innerhalb des Außendurchmessers des zweiten Rings usw.