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Bayer-Demosaic-Konvertierung versus echter Monochrom-Sensor
Warum das Entfernen des Farbfilterarrays die Auflösung und Lichtempfindlichkeit eines digitalen Sensors gegenüber einer entsättigten Bayer-Farbdatei erhöht.
Geschrieben im von Simon Lehmann Editor
Ein Objektiv, das feine Details auflöst, muss nicht zwingend einen Abzug erzeugen, der knackig wirkt – und ein Objektiv, das knackig wirkt, löst nicht unbedingt die meisten Details auf. Beide Qualitäten werden getrennt gemessen, und in der Lücke dazwischen entscheidet sich ein Großteil der monochromen Wiedergabe. Die Modulations-Übertragungsfunktion (MTF) ist das nützlichste Werkzeug, um beides zu trennen, weil sie ein Objektiv nicht auf eine einzige Zahl reduziert. Sie beschreibt, wie getreu das Objektiv den Kontrast über ein Spektrum von Detailgrößen überträgt – aber das Objektiv ist nur ein Glied in einer Kette, und wer das Diagramm richtig liest, weiß, was jedes Frequenzband bewirkt und was der Film und das Auge danach damit machen.
Die MTF beschreibt, wie viel Kontrast eines Motivs den Weg durch das Objektiv zur Bildebene übersteht, als Funktion der Ortsfrequenz. Kontrast wird dabei als Modulation definiert: Bei einem Muster aus Hell und Dunkel ergibt sich die Modulation aus (Maximum − Minimum) / (Maximum + Minimum). Ein Testbild mit perfekten Schwarzweiß-Streifen hat eine Modulation von 1,0; nach dem Durchgang durch das Objektiv ist die Trennung zwischen Hell und Dunkel reduziert, und das Verhältnis von Ausgangsmodulation zu Eingangsmodulation ist der MTF-Wert bei dieser Frequenz – eine Zahl zwischen 0 und 1 bzw. 0 und 100 Prozent. Die Ortsfrequenz wird in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) in der Filmebene angegeben. Jede reale Kurve beginnt nahe 1,0 bei sehr niedrigen Frequenzen und fällt mit steigenden Frequenzen ab, weil feinere Details immer schwerer zu übertragen sind.
Mathematisch ist die MTF der Betrag der optischen Übertragungsfunktion, die der Fourier-Transformation der Linien-Spreizfunktion (oder Punkt-Spreizfunktion) entspricht – dem Bild, das das Objektiv von einer idealen Linie oder einem idealen Punkt entwirft. ISO 9334:2012, Optics and photonics — Optical transfer function — Definitions and mathematical relationships, legt diese Terminologie fest; ISO 9335 beschreibt die Messverfahren. Ein Vorbehalt verhindert, dass die Kurve eine saubere monotone Beschreibung liefert: In der Praxis kann eine MTF-Kurve auf null abfallen und wieder ansteigen. Dies nennt sich Scheinauflösung (spurious resolution): Strukturen, die feiner sind als der Nulldurchgang, werden mit vertauschten Schwarz- und Weißwerten wiedergegeben. Publizierte Kurven zeigen das nicht, aber es spielt eine Rolle, sobald das Objektiv defokussiert ist oder sich das Motiv bewegt.
Nehmen wir Leicas eigenes Datenblatt für das Summicron-M 35 mm f/2 ASPH. – sieben Elemente in fünf Gruppen, elf Blendenlamellen, kleinste Blende f/16, optimale Leistung bei f/4. Leica stellt seine MTF im weißen Licht bei vier Frequenzen dar – 5, 10, 20 und 40 lp/mm –, mit der durchgezogenen Linie für sagittale (radiale) Strukturen und der gestrichelten für tangentiale, ausgewertet sowohl bei Offenblende als auch bei f/5,6. Leica erklärt ausdrücklich, dass die 5- und 10-lp/mm-Kurven den Kontrast für große Objektstrukturen angeben, während 20 und 40 lp/mm die Auflösung feiner und feinster Details erfassen.
Lies es daher als zwei Fragen. Der Mittenwert bei 10 lp/mm verrät dir die grundlegende Trennung zwischen Tonmassen – eine Wand gegen ihren Schatten, ein Gesicht vor dem Himmel. Bei einem modernen Design wie diesem erwartest du, dass er hoch liegt, im für zeitgenössische Objektive üblichen Band von 80–90 Prozent, gegenüber nur 60–70 Prozent bei den lichtstarken Normalobjektiven der 1960er-Jahre. Ein hoher Wert hier lässt sich als Abzug mit Substanz lesen: tiefe, klare Trennung zwischen großen Tonbereichen. Der Randwert bei 40 lp/mm zeigt dir, ob das Gewebe eines Tweed-Sakkos oder die Wimpern in einer Ecke des Bildfeldes als eigenständige Textur erhalten bleiben oder sich in Grau auflösen. Dort, wo sagittale und tangentiale Linie am Rand auseinanderdriften, hat das Objektiv Astigmatismus: Der Lichtpunkt zieht sich zu einer kurzen Linie, radial oder tangential, sodass in einer Richtung verlaufende Kanten knackig bleiben, während quer dazu verlaufende Kanten verwischen. Im Schwarzweißabzug äußert sich das als richtungsabhängiger Verlust feiner Details und ungleichmäßige Ecktextur – der Abzug wirkt scharf an einem vertikalen Geländer und weich an den horizontalen Ziegelreihen daneben.
Die scheinbare Schärfe folgt den niedrigen bis mittleren Frequenzen, nicht der höchsten auflösbaren Linie. Nasse erklärt den Mechanismus in der Zeiss-Monografie How to Read MTF Curves (Dezember 2008) anhand des Kantenprofils. Bei einem sehr guten 35-mm-Objektiv ist ein Übergang von Weiß zu Schwarz nicht breiter als etwa 10 Mikrometer – und genau diese steile Flanke liest das Auge als scharf. Ein schlechteres Objektiv dehnt denselben Übergang auf 30–50 Mikrometer; es erreicht schließlich trotzdem ein tiefes Schwarz, sodass seine Tieffrequenz-MTF hoch bleiben kann, aber seine Hochfrequenz-MTF bricht ein und die Kante wirkt weich. Deshalb können zwei Objektive mit ähnlicher Endauflösung völlig unterschiedlichen Charakter zeigen.
Nasses Regeln zur Gewichtung der Unterschiede folgen daraus. Geringe Unterschiede bei höheren MTF-Werten spielen vor allem bei hohem Motivkontrast eine Rolle; Tonabstufungen von weniger als etwa einer Blendenstufe benötigen keine hohe MTF, und Unterschiede oberhalb von 70–80 Prozent sind kaum relevant; wo die MTF bereits sehr niedrig ist, bleibt der Bildkontrast unabhängig vom Motivkontrast gering. Fazit: Den letzten Prozentpunkten bei 40 lp/mm hinterherzujagen lohnt sich selten, während der Wert bei 10 lp/mm auf fast jedem Bild seinen Nutzen beweist.
Das Wort Mikrokontrast ist der meistmissbrauchte Begriff in der Objektivdiskussion, und Nasse warnt davor, dass die beiden dahinterstehenden Konzepte ständig vermischt werden. Makrokontrast ist die Brillanz des Bildes – die allgemeine Freiheit von Schleier. Er wird durch Streulicht bestimmt: Verschleierungsreflexionen und innere Streuung an Linsenflächen und an der Innenseite des Tubus heben die Tiefen mit einem dünnen grauen Schimmer an. Mikrokontrast ist der Kontrast feiner Strukturen, die wir gerade noch erkennen können oder gerade nicht mehr – die kleinskalige Korrektur, die die Hochfrequenz-MTF misst.
Diese Unterscheidung hat praktische Konsequenzen für die Schwarzweißarbeit. Das „leuchtende Negativ mit tiefen Schwarztönen und Präsenz” ist im Wesentlichen eine Brillanz-Eigenschaft: Sie entsteht durch ein Objektiv, eine Gegenlichtblende und Vergütungen, die Streuung unterdrücken – und wird von der MTF-Kurve überhaupt nicht erfasst. Eine gute Tieffrequenz-MTF ist notwendig für diesen Look, garantiert ihn aber nicht: Ein gut korrigiertes Objektiv, das gegen das Licht fotografiert und ein verschmiertes Frontelement hat, kann trotzdem ein feines Diagramm liefern und druckt sich wie Nebel. Wenn ein Abzug also knallt, gilt: Dank der Kontrastkurve für die Tonaltrennung, dank der Vergütungen und der Gegenlichtblende für die sauberen Tiefen.
Die MTF, die du letztlich im Abzug siehst, ist das Produkt aller Stufen: Objektiv × Film × Vergrößerungsobjektiv × Auge. Bei einem guten 35-mm-Objektiv auf einem hochauflösenden Schwarzweißfilm wird das Hochfrequenzende dieses Produkts durch das Objektiv begrenzt, nicht durch den Film. Nasse verwendet Kodak T-Max 100 als Beispiel: Dessen publizierte MTF bleibt bis etwa 20 lp/mm über 100 Prozent – ein tieffrequenter Anstieg durch Kanteneffekte, charakteristisch für T-Korn-Emulsionen –, bevor sie abfällt, und hält bei hohen Frequenzen genug Kontrast, sodass der Film nicht das schwächste Glied ist. Die Auflösungsleistung von T-Max 100 wird bei zwei Zielkontrasten angegeben, weil kein Objektiv bei den feinsten Strukturen den Hochkontrastwert liefert: 63 Linien/mm bei einem niedrigkontrastigen 1,6:1-Target, 200 Linien/mm bei einem hochkontrastigen 1000:1-Target. Aus der 200-Linien-Angabe auf die Praxisleistung zu schließen, sei zu optimistisch, bemerkt Nasse.
Zwei Grenzen liegen jenseits von Objektiv und Film. Das Auge löst bei der deutlichen Sehweite von 25 cm nur etwa 8 lp/mm auf; zurückgerechnet auf 24 mm Bildhöhe entspricht das ungefähr 66 lp/mm auf dem Negativ – die für einen Betrachter relevanten Frequenzen liegen also im Bereich bis etwa 40 lp/mm, genau deshalb enden Datenblätter dort. Und die Beugung setzt die physikalische Obergrenze: Als Faustregel entspricht die Punktbildbreite in Mikrometern ungefähr der Blendenzahl, und die Beugungsgrenzfrequenz liegt bei etwa 1500 geteilt durch die Blendenzahl; f/2 erlaubt also etwa 750 lp/mm, f/16 hingegen nur etwa 94, wo die Airy-Scheibe auf rund 16 Mikrometer angewachsen ist. Genau deshalb erreicht das Summicron bei f/4 sein Optimum und verliert bei starkem Abblenden wieder Feinauflösung.
Das Gelesene zahlt sich an der Vergrößerung aus. Jene lichtstarken Objektive der 1960er-Jahre mit 60–70 Prozent MTF bei 10 lp/mm waren nicht undruckbar; Fotografen kompensierten den geringen Kontrast, indem sie auf ein härteres, höhergradiges Papier vergrößerten, um die Knackigkeit zurückzugewinnen. Ein modernes Objektiv mit hoher MTF kehrt diese Freiheit um: Der Kontrast steckt bereits im Negativ, sodass du auf einem weicheren Grad mit scheinbar gleicher Brillanz drucken kannst und dabei mehr Tonumfang in Lichtern und Tiefen behältst. (Oft wird argumentiert, dass der Farbfilm, dessen Entwicklung weit weniger flexibel ist, die Objektivhersteller überhaupt erst zu besserer Kontrastkorrektur getrieben hat.) Mach es an einem konkreten Prozess fest – T-Max 100 belichtet bei EI 100, entwickelt in D-76 unverdünnt für 6,5 Minuten bei 20 °C, fixiert und gewässert – und hören Objektiv, Film und Papiergrad auf, separate Ausrüstungsdebatten zu sein; sie werden zu einer einzigen Tonentscheidung. Ein Objektiv über seine vollständige MTF zu interpretieren und durch die Kette, in der es sitzt, ist der verlässlichste Weg vorauszusagen, wie es ein Motiv in Schwarzweiß wiedergeben wird.
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