Vignettierung

Vignettierung (Randabschattung) bei einer Aufnahme mit einem Mikroskop

Beabsichtigte Vignettierung zur Betonung der Bildmitte

Als Vignettierung (frz. vignette „Randverzierung“) bezeichnet man in der Fototechnik eine Abschattung zum Bildrand hin (Randlichtabfall), die durch eine axiale Anordnung von zwei oder mehr Öffnungen hervorgerufen wird. Sie kann auch bei Spiegelteleskopen auftreten und wird beim Schmidt-Teleskop durch Vergrößerung des Hauptspiegels umgangen.

Im Allgemeinen ist der Randlichtabfall ein ungewollter Effekt. Manchmal verwenden Fotografen die resultierende Abdunklung zum Rand hin aber auch absichtlich, um die Mitte des Bildes zu betonen oder um die Stimmung der Aufnahme zu ändern. Der Effekt kann auch nachträglich bei der digitalen Bildbearbeitung hinzugefügt werden.

Echte Vignettierung

Konstruktiv bedingte Vignettierung

(auch: optische Vignettierung)

Vignettierung durch eine Blende. Der vignettierungsfreie, der vollständig abgedunkelte sowie der vignettierte Bereich dazwischen sind gekennzeichnet

Sie entsteht dadurch, dass die Lichtstrahlen mehrere aufeinanderfolgende Öffnungen (Linsenränder, Blenden) durchqueren müssen, bevor sie die Bildebene erreichen. Ein zur optischen Achse symmetrisches Strahlenbündel (von einem Objektpunkt auf der Achse ausgehend) wird von einer dieser Öffnungen (Aperturblende; meist eine Irisblende) begrenzt und füllt sie vollständig aus. Wenn die Strahlen jedoch in einem Winkel zur Achse einfallen (Abbildung eines Objektpunktes neben der Achse), dann kann das Bündel außerdem von weiteren Öffnungen beschnitten werden und füllt die Aperturblende nicht mehr ganz aus, wodurch entsprechend weniger Licht die Bildebene erreicht. Dies nennt man Vignettierung.

Die Animation verdeutlicht diese Zusammenhänge.

Vignettierung durch die Austrittslinsenöffnung bei einem Teleobjektiv.
H ist die bildseitige Hauptebene

Die meisten Fotoobjektive werden bewusst mit Vignettierung konstruiert, da man dadurch einen besseren Kompromiss zwischen Lichtstärke, Korrektion der Abbildungsfehler, Kosten und Größe des Objektivs erreichen kann. Vor und nach der Aperturblende gibt es meist noch weitere Blenden, die bei voll geöffneter Aperturblende vom achsparallelen Strahlenbündel ganz ausgefüllt werden. Bereits in einem kleinen Winkel einfallende Bündel werden dann vignettiert. Beim Abblenden des Objektivs verringert sich die Vignettierung, und es gibt einen Bereich um die Bildmitte herum, in dem keine Vignettierung mehr auftritt. Typischerweise reicht eine Abblendung um zwei bis vier Blendenstufen, um diesen Bereich bis zu den Ecken auszudehnen, so dass die Vignettierung ganz verschwindet.

In dem Zusammenhang gibt es keinen Unterschied zwischen einer Blende und einem Linsenrand. Letzterer wirkt genauso begrenzend auf die Strahlenbündel. Im Folgenden ist dies am Beispiel eines Teleobjektivs gezeigt (Tele bezeichnet ein Konstruktionsprinzip, das die Baulänge von langbrennweitigen Objektiven verkürzt). Es ergibt sich die gleiche Vignettierung durch die Öffnung der Austrittslinse wie bei einer Blendenöffnung.

Der Einfluss einer Blende auf die Zone der Vignettierung

Auf den ersten Blick scheint es erstaunlich, dass man eine Verdunkelung durch noch weiteres „Abschatten“ durch die Blende (verkleinern der Blendenöffnung) reduzieren kann. Tatsächlich vergrößert man durch das Abblenden den vignettierungsfreien Bereich, aber man verkleinert dadurch unter Umständen auch den maximal nutzbaren Bereich, wenn nämlich der äußerste, mit maximalem Winkel einfallende Strahl, der bei offener Blende gerade noch durchkommt, durch die verkleinerte Blendenöffnung aufgehalten wird. Die Zone der Vignettierung wird dadurch schmaler.

Man erkennt, dass sich durch Abblenden der vignettierungsfreie Bildkreis vergrößert. Dies ist von Bedeutung z. B. in der Großformatfotografie. Viele Objektive für Großformat erlauben es, durch Abblenden einen größeren Bildkreis zu nutzen (was aber vor allem daran liegt, dass die Abbildungsfehler durch Abblenden vermindert werden und dadurch ein größerer Bildbereich ausreichend scharf wird). Aber auch normale Kleinbild- oder Kompaktkamera-Objektive zeigen bei Offenblende oft eine sichtbare Vignettierung, die durch Abblenden reduzierbar ist.

Nutzungsbedingte Vignettierung

Mechanische Vignettierung auf einer 13-×-18-cm-Fotoplatte. Grund war ein unpassender Verschlussvorsatz, der den Strahlengang behinderte

Darunter versteht man Abschattungen, die durch zusätzliche Teile vor oder nach dem Objektiv verursacht werden, beispielsweise falsch gewählte Streulichtblenden oder zu viele Filter oder Vorsatzlinsen, deren Fassungen die Randstrahlen abblocken. Diese Abschattungen werden mitunter auch als mechanische oder physikalische Vignettierung bezeichnet.

Pixel-Vignettierung

Pixel-Vignettierung ist ein Randlichtabfall der nur bestimmte Aufnahmemedien betrifft, wie zum Beispiel Bildsensoren oder Mikrokanalplatten. Er kommt dadurch zustande, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente eines Sensors nicht auf der Oberfläche liegen, sondern sich konstruktionsbedingt in winzigen Vertiefungen befinden. So wie die flachen Lichtstrahlen der Abendsonne nicht mehr in die Täler reichen, können auch flach auftreffende Lichtstrahlen die lichtempfindliche Fläche der Sensoren nur noch teilweise ausleuchten. Die Pixel-Vignettierung lässt sich technisch prinzipiell verbessern, wie zum Beispiel durch Einsatz von Mikrolinsen oder die Minimierung der Vertiefungen. Moderne Bildsensoren können die Pixel-Vignettierung durch entsprechende Algorithmen bereits elektronisch „OnChip“ kompensieren.

Einflüsse auf den Randlichtabfall

Natürlicher Randlichtabfall für verschiedene Brennweiten, bezogen auf das Kleinbildformat (43,2 mm Diagonale)

Ein Abfall der Bildhelligkeit zum Rand hin bei einem durch optische Abbildung entstehenden Bild wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

• der natürliche Randlichtabfall (cos⁴-Gesetz), der physikalisch bedingt und unvermeidbar ist
• die echte Vignettierung, die durch das Objektiv oder zusätzliche Bauteile am Objektiv verursacht wird
• Pixelvignettierung, die z. B. durch die Eigenschaften eines digitalen Bildsensors bewirkt wird
• Verzeichnung
• Pupillenaberration
• ungleichmäßige Ausleuchtung des Motivs, typischerweise durch Blitzgeräte bei direktem Blitzen

Der natürliche Randlichtabfall erzeugt einen Lichtabfall, der proportional zur vierten Potenz des Cosinus des Winkels zur optischen Achse ist. Er kann weder durch Abblenden noch durch konstruktive Maßnahmen behoben werden. Dieser Helligkeitsabfall erfolgt sehr gleichmäßig von der Mitte bis zum Rand und fällt daher kaum auf, wenn er nicht zu stark ist. Er wird am deutlichsten bemerkt bei der Abbildung von konturlosen Flächen gleichmäßiger Helligkeit (z. B. blauer Himmel).

Eine tonnenförmige Verzeichnung bewirkt, dass die Beleuchtungsstärke der Bildebene zum Rand hin zunimmt. Die Bildpunkte drängen sich mit zunehmender Bildhöhe immer dichter, da sie zur Bildmitte hin verschoben sind. Das vermindert den Helligkeitsabfall. Dieser Effekt wirkt sich aber nur bei Fischaugenobjektiven erheblich aus, die stark tonnenförmig verzeichnen. Umgekehrt wird der Helligkeitsabfall durch eine kissenförmige Verzeichnung verstärkt.

Eine Pupillenaberration liegt vor, wenn die Abbildung der Blende auf die Eintrittspupille mit Fehlern behaftet ist. Dann kann das Bild der Blende abhängig vom Einfallswinkel der Strahlenbündel verzerrt werden, was wiederum den Querschnitt der eintretenden Strahlenbündel und damit die Lichtmenge beeinflusst.

Für den natürlichen Randlichtabfall und die Vignettierung sind mehrere Bezeichnungen im Umlauf (etwa optische, technische, mechanische, künstliche Vignettierung), die nicht einheitlich verwendet werden. So wird der natürliche Randlichtabfall zuweilen fälschlich als natürliche oder physikalische Vignettierung bezeichnet, obwohl es sich nicht um eine Vignettierung handelt, denn die Ursache für diesen Randlichtabfall ist keine Abschattung.

Bild mit deutlich sichtbarem Randlichtabfall

Vignettierung bei vollem Zoom einer Kompaktkamera

Mitunter werden auch Randabdunkelungen durch eine mangelhafte Ausleuchtung z. B. durch den Elektronenblitz fälschlicherweise als Vignettierung bezeichnet. Beispielsweise leuchtet ein Blitzgerät auf oder in der Kamera ein flaches Objekt ungleichmäßig aus. Dabei werden die Teile des Motivs, die am weitesten von der Lichtquelle entfernt sind, schwächer ausgeleuchtet als näher liegende Teile der Szene. Leuchtet das Blitzgerät einen kleineren Winkel aus, als vom Objektiv auf dem Aufnahmemedium abgebildet wird (siehe Bildwinkel), hat dies ebenfalls eine Randabdunkelung zur Folge.

Korrektur

Bei vielen Weitwinkelobjektiven wird gezielt eine Pupillenaberration erzeugt, um den Querschnitt von Strahlenbündeln, die von Punkten neben der Achse ausgehen, zu vergrößern. Das ist der Hauptgrund, weshalb der Helligkeitsabfall bei vielen Objektiven weniger stark ist als er nach dem cos⁴-Gesetz sein sollte.

Man kann eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung auch durch einen Verlaufsfilter vermindern oder beseitigen. Das ist ein Graufilter, der am Rand ungefärbt ist und zur Mitte hin dunkler wird. Dadurch wird allerdings die effektive Lichtstärke reduziert. Die Hersteller von extremen Weitwinkelobjektiven liefern manchmal einen passenden Verlaufsfilter mit, der den Helligkeitsabfall soweit korrigiert, dass er nicht mehr stört.

Kompensation

Bei digitalen Aufnahmesystemen mit bekannter Vignettierung können Signalprozessoren diesen Effekt vor dem Speichern der Bilddaten in Echtzeit kompensieren. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Effekt nicht nur von der eingestellten Öffnungsweite, sondern auch von der eingestellten Entfernung und bei Zoomobjektiven auch von der eingestellten Brennweite abhängt. Die wechselbaren Objektive von digitalen Kamerasystemen können die Parameter ihrer Abbildungseigenschaften im dauerhaften Speicher vorhalten und sie elektronisch an das Kameragehäuse übertragen, damit die Kompensation dort vorgenommen werden kann.

Bei der digitalen Nachbearbeitung ist es einfach, den Helligkeitsabfall beliebig zu beeinflussen und auch ganz zu beseitigen. Dabei bleibt jedoch der Nachteil eines in den abgedunkelten Ecken verminderten Rauschabstands bestehen. Durch die Aufhellung dieser Bereiche tritt hier das Rauschen des Sensors stärker hervor. Beim Vergrößern einer analogen Aufnahme kann man die Ränder und Ecken abwedeln und dadurch aufhellen.

Weblinks

Commons: Vignettierung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Informationen zu Vignettierungen und Randlichtabfall bei klassik-cameras.de
• Vignettierung (Randabschattung) in der Mikroskopie und Makroskopie bei lmscope.com
• Canon Lens Vignetting the-digital-picture.com (englisch)