Fotografie: vignetering, citroenen en cat's eye

(hoeken van het beeld zijn donkerder dan het midden)

Vignetering

Fotografie » TechTalk » Fysica » Beeldfouten » Vignetering

Vaak zijn de hoeken van een foto donkerder dan het midden van het beeld (vignetering of lichtafval). Dit effekt valt meer op met breedhoeklenzen en vermindert bij kleinere openingen. Een dergelijk fenomeen wordt aangezien als een defekt, een fout aan de optiek of het fototoestel, terwijl dit een normaal natuurkundig verschijnsel is. En zeggen dat ik heb moeten wachten tot kerstmis om een dergelijk fenomeen te kunnen uitleggen!

Lichtafval of vignetering

Foutieve lichtafval

Vignetering is het gemakkelijkst zichtbaar als er een verkeerde lenskap gebruikt wordt of omdat de optiek op een verkeerde body gemonteerd is (bijvoorbeeld een Sigma DC-lens op een full size body). Dit heet mechanische vignetering. Het effekt valt altijd duidelijk op wegens de scherpe overgang. Een te kleine filter of een verkeerde extender (en vooral converter) kunnen ook voor mechanische vignetering zorgen.

Bepaalde optieken vertonen een vignetering dat niet verklaard kan worden door het natuurlijk effekt: de individuele lenzen zijn duidelijk te krap ontworpen zodat de uittredepupil slechts nipt de volledige sensor kan bereiken (optische vignetering). De optische vignetering komt vaak voor en kan verminderd worden door een kleinere opening te gebruiken. Meestal is het effekt sterker voor onderwerpen op oneindig; dit heeft te maken met de weg die lichtstralen afleggen in de lens.

Bij landschapsfotografie en luchtfotografie is een gelijkmatige belichting noodzakelijk. Maar bij portretfotografie is een kleine mate van vignetering zelfs gewenst: alle aandacht gaat naar het model.

Natuurlijke lichtafval
Natural falloff

Vignetering heb je altijd! Als de lichtstralen de optiek loodrecht bereiken, dan is het diafragma een cirkel. Als de lichtstralen de optiek schuin bereiken, dan heeft het diafragma een meniscus-vorm (de doorsnede van een citroen, zeg maar). Er kan minder licht door, en daarom zijn de hoeken altijd donkerder. Een dergelijk effekt treed meer op bij breedhoeklenzen (die een grotere openingshoek hebben) dan bij tele-lenzen. Het is niet ongewoon dat de hoeken één stop minder belicht zijn dan het midden van het beeld. Er bestaat een formule voor het bepalen van de natuurlijke lichtafval (iets met de cosinus tot de vierde macht) maar ik zal u die besparen. Natuurlijke lichtafval vermindert nauwelijks bij het sluiten van het diafragma.

Natuurlijke en optische vignetering kunnen softwarematig gecompenseerd worden, maar de nieuwe spiegelreflexen voeren deze correctie automatisch uit naargelang

de gebruikte lens,
de brandpuntsafstand (breedhoek: meer lichtafval),
de afstand tot het onderwerp (oneindig: meer lichtafval) en
de lensopening (open diafragma: meer optische lichtafval).

De correctie heet peripheral illumination correction bij Canon.

Bij de tweede foto (links) zie je dat de lichtafval veroorzaakt wordt door zowel een natuurlijk effekt (het diafragma dat een afgeplatte vorm aanneemt), maar ook door de lensbehuizing die in de weg staat. Om exact te bepalen of de lichtafval natuurlijk ontstaan is of veroorzaakt werd door bijvoorbeeld een te goedkoop gefabriceerde lens moeten we een kleine omweg doen. Welk soort vignetering er onstaat kan je best bepalen tijdens de kerstperiode.

Bokeh en Cat's Eye

Scherp beeld	Onscherp beeld met "cat's eye" effekt
Uitsnede halverwege boven rechts	Uitsnede uiterste onder rechts

Nicolas à la Noël

De bokeh is de mooie “onscherpe” achtergrond die men bekomt bij portretfotografie. Het onderwerp is scherp in beeld en de achtergrond lijkt wazig. De onderwerpen op de achtergrond krijgen de vorm van het diafragma (blur disc); dit is goed zichtbaar als er lichtbronnen in de achtergrond zijn (out-of-focus highlights). Eigenlijk is het beeld nooit onscherp (zoals bij de photoshop "blur"-filter), en dit draagt bij tot het “mooi” zijn van de foto.

Voor de duidelijkheid (en vooral het gemak) heb ik hier het volledig beeld uit focus gebracht (foto boven rechts). Ik heb echter geen goedkoop lenske met een lelijke driehoekige diafragma om aan te tonen dat de onscherpte de vorm van het diafragma aanneemt (en ook een spiegellens behoort niet tot mijn assortiment lenzen). Zoals verwacht is de vorm van de blur disc een cirkel in het midden van het beeld en een meniscus in de hoeken. Dit is volkomen normaal, dit is de oorzaak van de natuurlijke cosinus lichtafval. De citroenvorm die men bekomt heet Cat's Eye

In de uiterste hoek (tweede uitsnede) zie je echter een vreemd fenomeen: een deel van de citroen is afgesneden. Ook op de laatste foto (portret van Nicolas) zijn de citroenen rechts in beeld afgesneden. Dit is een teken dat er iets in het lichtpad zit. In het eerste geval is het een te krap berekende lens, de foto is namelijk met mijn kitlens EF-S 18-55 ƒ/3.5-5.6 in uiterste breedhoekstand genomen. Het is niet ongewoon dat de afknapping slechts in één hoek van het beeld optreed. Spiegel- en catadioptische lenzen vertonen een blur ring in plaats van een blur disc, maar ook daar merk je duidelijk de afgeplatte vorm.

Als er verschillende lichtpunten zijn rond het onderwerp, dan bekom je een ronddraaiend effekt (draaikolk) zoals op de laatste foto. Dit effekt kan toegepast worden bij portretfotografie om de aandacht te trekken op een ongebruikelijke manier. Het midden van de foto moet je tussen de ogen plaatsen.

Cat's eye
De internet referentie-foto wat betreft het ronddraaiend effekt.

Een extreme vorm van vignetering kan je waarnemen als je een lens gemaakt voor een cropsensor monteert op een body uitgerust met een full size sensor.

Interne reflekties

Lichtafval wordt ook veroorzaakt door interne reflekties; doorgaans is dit geen probleem met de huidige meervoudige gecoate lenzen.

Reflekties treden op bij ieder overgang van iedere individuele lens, dus bij alle lucht-glas en glas-lucht overgangen. Deze reflekties treden sterker op naarmate de lichtstralen de overgang schuiner raken, dus vooral in de hoeken. Deze verloren lichtstralen veroorzaken een algemene verlies aan contrast, spookbeelden en flares.

Sensorvignetering

Een andere oorzaak van vignetering wordt door de sensor zelf veroorzaakt, namelijk door de constructie. Microscopisch gezien is de sensoroppervlakte allesbehalve vlak. De photosite (het gevoelig element van ieder pixel) wordt omgeven door stuurelectronika; slechts een deel van de oppervlakte van de sensor is een photosite (dit varieert naargelang de technologie, maar is in de grootte-orde van 30 à 85%).

Om de sensor lichtgevoeliger te maken moet er voor iedere photosite een microlens geplaatst worden die het licht naar de bijhorende photosite stuurt. In de praktijk werkt dit heel goed, behalve in de hoeken: de microlens stuurt het licht namelijk niet precies naar het gevoelig element, waardoor je sensorvignetering hebt. Sensorvignetering is beperkt en de lichtafval veroorzaakt door de optiek speelt een veel grotere rol (de afbeelding is voor educatieve doeleinden bedoeld en het effekt is overdreven getekend).

Leica heeft daar een oplossing gevonden met zijn befaamde M8: de microlens offset: aan de buitenkant van de sensor worden de microlenzen verschoven zodat de lichtstralen het midden van iedere photosite raken. Dit zijn echt microscopische correcties! Bij de Leica M8 is deze correctie absoluut noodzakelijk want het toestel heeft geen mirrorbox (het is geen reflex maar een rangefinder) en de makers hebben gekozen geen retrofocus te gebruiken, waardoor de lichtstralen de sensor onder een schuine hoek raken. Opgelet, de afbeelding is hier ook overdreven om het effekt duidelijker te maken, namelijk dat je zelfs met microlens shift de sensorvignetering nooit volledig kan vermijden.