Storleken på objektivs projicerade bildcirkel

[Gew]

Hej!

Vad jag har förstått så kastar EF-S (eller DX, om vi väljer att prata Nikon) mindre bildcirklar än deras 35mm motsvarigheter (Canon: EF; Nikon: FX). Det här är naturligtvis önskvärt eftersom EF-S eller DX har mindre sensorer.

Jag är med så här långt. Vad som ältar mitt sinne är den faktiska tekniken som ligger bakom att ett objektiv ska "cast a smaller image circle". Har snurrat runt på diskussionsforum och blogginlägg i uppemot en vecka, och får inte nån riktig rätsida på det hela. Många uttrycker det hela vagt som "en del i objektivens design", medan några hyfsat professionella fotografer nyligen gav mig ett helt nytt perspektiv.

De menade på att det i själva verket var så simpelt som en fråga om avståndet mellan sensorn och linsens yttersta (bakre) parti. Nikon DX (eller Canon APS-C) kameror har sin sensor längre fram, vilket således naturligen gör den projicerade bildcirkeln mindre i storlek. När de här killarna beskrev det kändes det väldigt enkelt, och logiskt. Nästan för enkelt? Var det en väldigt grovkornig förenkling?

Tacksam för en verklighetstrogen (men gärna inte alltför vetenskaplig och matematisk) beskrivning. Tacksam för alla svar.

Hjärtligen~
Einar.

 

[petter.oj.norman]

Nja.

Om du sätter ett EF-S objektiv på en EOS 5D mk II så fyller ju inte objektivets bildcirkel hela sensorn, så det har inte med sensorns placering att göra.
Dessutom tvivlar jag på att sensorn i en 7D sitter längre fram än i en 5D.

Men om man har en sensor med mindre stolek då kan man använda objektiv med mindre bildcirkel.
Så helt klart handlar det om optisk design.
Ett objektiv som ska fylla en mindre cirkel kan göras mindre, lättare och billigare. Tänk bara på objektivet i en mobilkamera. Sensorn är pytteliten, alltså kan bildcirkeln från objektivet vara pytteliten, alltså kan man designa ett pyttelitet objektiv.

Petter ...

 

[Helmetrock]

Om det var så att sensorerna satt på olika djup ifrån bajonetten hade det inte gått att fokusera, det hade varit som att sätta en mellanring på kameran.

Det är så enkelt som det låter egentligen. Om du klipper ett hål i ett papper och håller det mot solen kommer du att se att det hålet lyser ut en viss yta om du håller det på ett visst avstånd från en vägg.

 

[J O Härnström]

Vid samma brännvidd så måste man öka diametern (storleken ) på linserna för att objektivet ska teckna ut en större bild på sensorn.

http://sv.wikipedia.org/wiki/Brännvidd
Om du tänker dig att du ökar diametern på linsen i figuren så ökar också strålarnas "bildcirkel" i storlek.

MVH J O

 

[Lars Hedin]

Om man utgår från ett objektiv med en viss bildcirkel och vill öka den betyder det att man skall ta hand om mer sneda ljusstrålar. Det gör att objektivdesignen blir mer som ett vidvinkelobjektiv med en större och mer kupad frontlins. Som bieffekt kommer objektivets upplösning i "linjepar per mm" att minska. Det visar sig att den minskar ungefär proportionellt mot bildcirkelns storlek. Därför mäts ofta objektivens upplösning i "linjepar per bildhöjd". Det är ett bra mått på hur bra den optiska designen är. Detta tal är ungefär konstant när man varierar bildcirkeln. För att förstå exakt varför det blir så kräver nog tämligen djupa kunskaper i objektivdesign.
Om man gör tvärtom och minskar bildcirkeln ökar upplösningen per mm (vid sensorn räknat). Objektivet blir även mindre. Alla objektiv som är designade för mindre sensor kan dra nytta av detta, oberoende av fabrikat.

Ett annat problem är att avståndet mellan sensor och bakre lins minskar med minskande brännvidd. Med spegelreflexer riskerar spegeln att slå i linsen. För småbildskameror skulle det ske under ca 35mm brännvidd om man inte tar till en speciell teknik som kallas retrofokus. Retrofokusobjektiv har längre avstånd mellan sensor och bakre lins än brännvidden. Denna teknik tillför distorsion och coma. Mätsökarkameror har inte detta problem. Det är en av anledningarna till att många gillar vidvinklarna för Leicas M-serie, som inte har någon spegel att ta hänsyn till. Canons EF-S objektiv har en egen bajonett som bara kan monteras i Canon-kameror med liten sensor. De kan därför tillåta att bakre linsen ligger lite djupare in i kameran, eftersom de kamerorna har mindre spegel. Canons EF-S vidvinklar har därför en liten teknisk fördel jämfört med andra märken. De behöver inte ha fullt lika mycket retrofokus-design.

En annan typ av upplösningsbegränsning är difraktion. Den beror inte direkt på objektivdesignen och påverkas inte av bildcirkelns storlek. Difraktionen är störst vid små bländare. Difraktionen blir ett stort problem vid mycket små sensorer. Vid storbildskameror är den nästan inte ett problem alls. Ansel Adams och andra bildade en grupp som kallades f/64 för de fotade på extremt små bländaröppningar med storbildskamera. För småbildskameror möts difraktionsproblemet och objektivets aberrationer någonstans mitt på bländarskalan.

Hälsningar
Lars Hedin

 

[Knight Palm]

Telecentricitet

Vad jag har förstått så kastar EF-S (eller DX, om vi väljer att prata Nikon) mindre bildcirklar än deras 35mm motsvarigheter (Canon: EF; Nikon: FX). Det här är naturligtvis önskvärt eftersom EF-S eller DX har mindre sensorer.

Här är en bra bild:
http://www.four-thirds.org/en/common/img/c_mft_logo_wp_vi_04.gif
hämtat från:
http://www.four-thirds.org/en/microft/whitepaper.html

Här pratar man om en ljuskon som, med lika vinkel mot normalen, faller in mot sensorn. Som synes, att ju närmare man kan placera objektivet intill sensorn, desto mindre diameter krävs hos linserna. Det är den enkla principen för de spegellösa kamerorna.

Beträffande EF-S, är det inte så att dessa placeras längre in i Canons objektivbajonett, för att dels bli minde genom att komma närmare sensorn, dels behöver de dessutom inte teckna ut 24x36mm bilddiagonalen heller.

Ett specialfall är om sensorn placeras alldeles intill objektivets bakre lins, eftersom då måste linsens diameter vara lika med sensorns bilddiagonal. Separerar man detta avstånd, så minskar kravet på den bakre linsens diameter.

En ytterligare begränsning är hur branta randstrålar som tillåts falla in mot sensorn. För det gamla mediat med ljuskänsliga silverkristaller, så kunde den infallande ljuskonen tillåtas vara brant.
Nuvarande digitala sensorer på kisel ställer krav på objektivens telecentricitet, dvs krav på en ljuskon. I Olympus gamla patent står något om max 8 grader, med deras initiala krav på telecentricitet för acceptabla objektivprestanda.

 

[Karl2]

Det är sensorns storlek, som bestämmer det hela och de nödvändiga egenskaperna för ett objektiv. Den normala brännvidden är diagonalen på sensorn. Ett objektiv har ju volym och storlek och är tredimensionellt medan sensorns diagonal bara är ett bestämmande längdmått. Denna enkla filosofi leder till att dubbel sensorstorlek kräver 2 x 2 x 2 dvs. 8 gånger större och tyngre optik för motsvarande resultat. En liten sensor ger ett lättare och hanterligare objektivsortiment. Man inser ju genast att ett objektiv för en liten sensor inte kan användas för en kamera med stor sensor. Bilden kommer ju inte att täcka hela sensorn. Däremot skall ett objektiv för en stor sensor kunna användas för en kamera med liten sensor. Bilden från objektivet kommer ju att täcka sensorn mer än väl. Ett normalobjektiv i fullformat blir då ett tele för halvformat.

 

[J O Härnström]

För att var lite noggrannare.
Dubbelt så stor sensor får man med att öka höjd och längd med faktor 1,4.
Så objektivet blir ungefär dubbelt så stort (1,4x tjockare och 1,4x längre) och 3 ggr tyngre (volymen).

(APS-faktorn är 1,5-1,6)

 

[Gew]

Oerhört positiv till de svar jag fått.

Vill först och främst tacka alla som har tagit sig tid att försöka besvara mina banala funderingar. Det är uppenbarligen sanna entusiaster som är samlade under en och samma domän; de långa beskrivande textstycken jag läst igenom (flera ggr om) är oerhört beundransvärda. Igen, tack.

Så, i ett nötskal, den optiska designen som sin helhet påverkar alltså den "kon av ljus" som kastas mot sensorn. Det här med att EF-objektiv (som kastar större ljuscirklar) är kompatibla med APS-C kameror (men inte vice versa) är uppenbart för mig.

Det är just det här med vad som påverkar storleken på ett objektivs ljuskon. Alltså, all tänkbar logik som ryms i mitt lilla hjärnkontor sade i ett tidigt stadium att det just är objektivens "tjockhet". Jag kände faktiskt i ett tidigt skede att jag kunde få min nyfikenhet (vetgirighet?) stillad om någon bara kunde ge mig ett simpelt "Korrekt!" på följande hypotes eller påstående:

Ett 50mm f/2 (i.e. med en max bländare på 25mm) EF (som ska kasta 36x24mm ljuskägla) blir rent objektiv-design-mässigt naturligen "fetare" (rent diametermässigt), än ett objektiv med samma specifikationer, men EF-S, det vill säga ett som endast ska kasta en mindre ljuskägla, enligt APS-C.

Okej, jag vet inte ens om ovan nämnda objektiv existerar, och det är mindre viktigt. Påståendet är 100% teoretiskt. Hursomhelst, jag kastade ut den där bollen (eller hypotesen) till nån på nätet, fast jag fick inget riktigt svar. Det var lite "Mja, mjo, mje", om ni förstår. Jag blev (sorgligt nog) aldrig klokare. Så, som sagt, ett sådant "Korrekt!" hade varit riktigt önskvärt. Jag hade då så att säga fått "släppa ryggsäcken" och kunnat gå vidare.

 

[Lars Hedin]

Hej igen Einar
Som jag uppfattar din slutsats är den helt korrekt. Ett objektiv med lika andra förutsättningar men med en större bildcirkel blir "fetare".
Det som man måste hålla isär är skillnaden mellan om objektivet blir "fetare" för att man gör bildcirkeln större eller om man gör det med bättre ljusstyrka, maxbländare. Det är två helt olika saker.
Om man gör bildcirkeln större än sensorn förlorar man normalt i upplösning.

Hälsningar
Lars Hedin

 

[Gew]

Äntligen själslig frid.

Som jag uppfattar din slutsats är den helt korrekt. Ett objektiv med lika andra förutsättningar men med en större bildcirkel blir "fetare".

Mången tack. Jag tar ditt besked som definitivt och stänger ämnet för mitt inre sinne. Hiskeligt skönt att äntligen få komma till ro.

Om man gör bildcirkeln större än sensorn förlorar man normalt i upplösning.

Åhå. Med risk för att (åter) snurra in mig i förvirring måste jag ändå fråga, innebär det att man ur "linsmässig upplösningsvinkel" tjänar på att nyttja EF-S objektiv (framför EF) om man har en sådan kamera (t.ex. Rebel T3 / 1100D). Ju mer jag upprepar frågeställningen för mitt inre tycker jag mig ha rumlat förbi trådar där just detta har diskuterats (i jakt efter svar på min ursprungliga fråga), och det verkade vara ngt av ett sådant ämne där "de lärda tvistar", till synes i all oändlighet. Jag ska nog inte bege dit, detta då jag som (aningen neurotisk) person har svårt för "icke definitiva" ting. Jag tenderar älta dem om nätterna, eller värre.

Let's leave it at that.

Igen, Lars och samtliga av de övriga skribenterna..

Mången tack!

 

[J O Härnström]

I teorin så ska ett EF-S objektiv teckna bättre på APC-S sensorn än ett EF-objektiv.
Men i praktiken har det ingen betydelse. "Vinsten" med EF-S eller EF på lilla sensorn är mest att man utnyttjar mitten på bildcirkeln och inte kanterna. Vid kanterna har man ofta skärpeförlust med objektiv som har kort brännvidd (på stora bländaröppningar)

 

[control87th]

Vill man se det negativ så ser man det som att ett EF-objektiv på en crop-Canon inte utnyttjar allt glas i objektivet. Vill man se det positivt så ser man det som att man inte använder de sämsta delarna av EF-objektivets glas

 

[petter.oj.norman]

Vill man se mera positiva saker så finns några EF objektiv med en röd ring och ett rött L i betckningen

Petter ...

 

[Makten]

Det är inte riktigt så enkelt som att objektivet blir större bara för att bildcirkeln är större. Men för spegelreflexkameror med ett relativt fixt avstånd från bakre lins till sensor, och därmed ickesymmetriska (mer åt det telecentriska hållet) vidvinkelobjektiv, blir det sannolikt så i de flesta fall om bländaröppningen ska vara ungefär lika stor (alltså inte bländarvärdet, utan ingångspupillen).

Kolla gärna in storformatsobjektiv. En normal på ~200 mm och f/5,6 som största öppning motsvarar ungefär ett 50/1,4 och är inte nämnvärt större trots att bildcirkeln är helt gigantisk. Däremot måste objektivet sitta ungefär 20 centimeter från filmplanet vid fokus på oändligt, så därmed kan man ju anse att hela konstruktionen är "större". Dock är själva objektivet fortfarande mycket kompakt, bara det att det sitter en bra bit ut från filmen.

Nu är jag ute på lite tunn is, men det tycks finnas ett visst samband mellan bildcirkelns storlek och möjlig upplösning per ytenhet. Så att använda ett objektiv med större bildcirkel än det sensorformat man avser att använda, kan mycket väl ge sämre skärpa än ett objektiv som är anpassat till formatet. Det är ju egentligen inte så svårt att lista ut eftersom ytfinheten hos linserna torde vara ungefär samma, om objektiven har ungefär samma kvalitet. Med en större bildcirkel sprider man alltså ut informationen över en större yta, med lite lägre prestanda per ytenhet som följd.

En bra kompromiss är ett objektiv som ger liiite för stor bildcirkel, så att man slipper diverse aberrationer utåt bildhörnen. Många APS-C-objektiv (alltså Nikon DX, Canon EF-S och liknande) ger rätt ordentligt mycket större bildcirkel än vad som krävs för formatet. Jag antar att det är för att man ändå får det gratis med de konstruktioner som krävs med det onödigt stora bajonettavståndet, som ju är gjort för FF.


Tillägg: Det finns dock en stor fördel med ickesymmetriska vidvinkelobjektiv som tvingas sitta längre från sensorn, vilket redan nämnts. Och det är att det infallande ljuset träffar sensorn med en brantare vinkel. Det ger betydligt bättre möjligheter till en jämn färgbalans över hela bilden. Med flackt infallande ljus i bildhörnen skapar mikrolinserna hos sensorn en rad helvetiska problem, som till exempel Leica M9 avhjälper genom mjukvarutrollande.
Dessa objektiv blir dock väldigt stora i jämförelse med symmetriska konstruktioner som kan sitta närmare filmen eller sensorn. Pest eller kolera!

Lösningen? Fota med film! ;-)

 

[Karl2]

Ett litet normalobjektiv för sensor 5 x 7 mm har vanlig skärpa 1500 linjepar.
Ett normalobjektiv för sensor 24 x 36 mm kan också ha en vanlig skärpa om 1500 linjepar.
De båda objektiven beter sig lika, men det lilla måste ju ha en otrolig skärpa per millimeter sensor. Skärpan för det lilla kommer sig av korta avstånd och korta vägar för ljuset att gå efter brytning. Oskärpecirkeln är också mycket mindre för den lilla sensorn.

 

[Gew]

Det är inte riktigt så enkelt som att objektivet blir större bara för att bildcirkeln är större. Men för spegelreflexkameror med ett relativt fixt avstånd från bakre lins till sensor, och därmed ickesymmetriska (mer åt det telecentriska hållet) vidvinkelobjektiv, blir det sannolikt så i de flesta fall om bländaröppningen ska vara ungefär lika stor (alltså inte bländarvärdet, utan ingångspupillen). Kolla gärna in storformatsobjektiv. En normal på ~200 mm och f/5,6 som största öppning motsvarar ungefär ett 50/1,4 och är inte nämnvärt större trots att bildcirkeln är helt gigantisk. Däremot måste objektivet sitta ungefär 20 centimeter från filmplanet vid fokus på oändligt, så därmed kan man ju anse att hela konstruktionen är "större". Dock är själva objektivet fortfarande mycket kompakt, bara det att det sitter en bra bit ut från filmen.

Enastående sammanfattning. Så man skulle kunna summera ditt [mkt pedagogiska] utlägg med att min lilla hypotes — gällande hur två stycken objektiv á 50mm f/2 (ett EF-S; ett EF) "på naturlig grund" (som de är ämnade att kasta ljuskäglor av olika storlek) hamnar olika ifråga om tjocklek — är korrekt, till såvida att även avståndet sensor <-> linsens bakre parti är detsamma för de två objektiven/kamerorna. Skulle det gå att lägga ed därvid?

Igen, oerhört tacksam för all värdefull input!

 

[Makten]

Den likvärdiga storlekens "regel" försvinner så fort man har objektiv vars brännvidd närmar sig avståndet mellan sensorn och objektivets optiska centrum, eller om man vill vara lite snällare; mellan sensor och bakre lins. Alltså; objektiv med kortare brännvidd än ungefär 40-50 mm kan på en spegelreflexkamera av småbildstyp inte ha symmetrisk konstruktion, och därför varierar objektivstorleken därunder väldigt mycket beroende på tillverkare och prestanda.

Nu är jag ute på djupt vatten igen, men jag tror att det brukar vara så att vidvinklar för spegelreflexkameror är konstruerade som ett normalobjektiv (relativt symmetriskt) med en vidvinkelkonverterare framtill. Det gör att utgångspupillen befinner sig lika långt från sensorplanet som hos ett normalobjektiv (eller kanske till och med som hos ett teleobjektiv i vissa fall), medan objektivet måste byggas på ordentligt med ett "extra" optiskt system framtill för att ge större bildvinkel.

Hos moderata vidvinklar, såsom exempelvis 28 och 35 mm för småbildsformatet, märks detta särskilt väl när man vill ha samma bildvinkel med mindre bildformat. En 35:a kan vara riktigt liten, medan dess korresponderande 24:a för APS-C skulle behöva vara större om ingångspupillen vore lika stor, eftersom brännvidden kortas medan registeravståndet (sensor till bajonett) är detsamma.
Lösningen är att vidvinklar för APS-C har mindre ingångspupill (men ofta samma ljusstyrka, som mäts per ytenhet) istället, trots att totalstorleken är ungefär densamma som för småbildsformatet.

50 mm är såpass långt i förhållande till registeravståndet att konstruktionen nog blir ungefär lika stor både på FF och APS-C.