Ist Focus Stacking mit Mikroskopobjektiven wirklich nötig, um eine kleine Struktur im Foto detailliert wiederzugeben? Oder reicht eine Einzelaufnahme mit einem guten Makroobjektiv dafür völlig aus?
Gelegentlich ist in sozialen Medien zu lesen, Fokus Stacking mit Mikroskopobjektiven sei eigentlich völlig überflüssig, um Mikrofotos mit hoher Detailgenauigkeit zu erzeugen, weil man mit Makroobjektiven, Umkehrringen oder Super-Makrooptiken wie dem Canon MP-E 65 mm vergleichbare Bilder erzeugen könne, die man dann einfach nur entsprechend hochskalieren müsse. Immerhin hat man bei diesen Objektiven eine Blende, mit deren Hilfe man mehr Schärfentiefe erzeugt, so dass das Focus Stacking nicht erforderlich ist. Auf diese Weise, so wird mitunter gesagt, ließen sich vergleichbar detailreiche Bilder mit viel weniger Aufwand erzeugen.
Aus meiner 18-jährigen Erfahrung mit Focus Stacking heraus bin ich zwar der festen Überzeugung, dass das nicht zutrifft, weil spezielle Mikrooptiken einfach eine weit höhere Auflösung und damit eine bessere Detailerfassung besitzen. Doch mich interessierte, wie groß der Unterschied zwischen diesen beiden Wegen nun tatsächlich ist. Darum erstellte ich eine Aufnahmereihe, die zeigen sollte, was die einzelnen Objektive aus dem gleichen Motiv an Detailzeichnung herausholen können. Als Motiv nahm ich natürlich meinen Lieblingsschmetterling Chrysiridia rhipheus, weil seine Flügelschuppen nicht nur unbeschreiblich schöne Farbkombinationen bieten, sondern filigrane Rillenstrukturen, mit deren Hilfe sich der Detailreichtum einer Aufnahme sehr gut beurteilen lässt. Und auf den Punkt gebracht: Die Unterschiede waren noch größer, als ich erwartet hatte.
Die Testkandidaten waren die folgenden Objektive:
1. Canon Makroobjektiv RF 100 mm f/2,8 Makro L, bis 1,4:1
2. Canon Lupenobjektiv MP-E 65 mm f/2,8, 1:1 bis 5:1
3. Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 5 x mit Tubuslinse Raynox DCR 150
4. Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 10 x mit Tubuslinse Raynox DCR 250
5. Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 10 x mit Tubuslinse Raynox DCR 150
6. HLB-Mikroskopobjektiv Plan Apo 20 x mit Tubuslinse Raynox DCR 150
Vorgehensweise beim Vergleich
Um sicherzugehen, dass nicht aufgrund eines schlechten oder fehlerhaften Stackingvorgangs Unschärfen auftreten, erzeugte ich jede Bildserie zweimal und führte auch den Stacking-Prozess zweimal durch, denn bei irgendwelchen Arbeitsfehlern müssten zwischen beiden Ergebnisbildern Unterschiede zu erkennen sein. Das war aber nicht der Fall.
Auch stellte ich sicher, dass der zu vergrößernde Teil des Bilds jeweils im Zentrum der Aufnahme liegt, um auszuschließen, dass bei einem der Objektive die fehlerträchtige Randzone der Linsen verwendet wird. Im Zentrum bringt jedes Objektiv seine optische Bestleistung, und zur Peripherie der Objektivlinsen hin erreichen Abbildungsfehler stärkere Ausprägung. In einem solchen Vergleich wäre daher es fatal, wenn zwischen den einzelnen Objektiven unterschiedliche Zonen der Linsen zum Einsatz kämen. Darum wurde hier also jeweils nur der zentrale Teil der Aufnahmen für den Vergleich vergrößert (Inhalt des weißen Rahmens).
Ich gebe zu, dass ich den einzelnen Objektiven mit diesem Ansatz nicht wirklich gerecht werden konnte, denn um ihre jeweilige Leistungsfähigkeit wirklich authentisch darzustellen, müsste man die Nachvergrößerung des Bildausschnitts auf dem Monitor, der mit einer rechteckigen, weißen Umrandung markiert ist, eigentlich bei allen Objektiven im identischen Verhältnis durchführen. Da sich aber die Abbildungsmaßstäbe der Objektive radikal unterscheiden, machte das in diesem Vergleich keinen Sinn. Mit kam es lediglich darauf an, zu demonstrieren, dass ein hochwertiges Mikroskopobjektiv, das nur mit aufwändigem Focus Stacking eingesetzt werden kann, ganz erheblich mehr Detailzeichnung produziert, als ein normales Kleinbild-Makroobjektiv für eine SLR oder eine Spiegellose. Die Bilder der beiden Makroobjektive mussten darum sehr stark nachvergrößert werden, die der Mikroskopobjektive 5x und 10x nur moderat, und die des 20x und 50x hätte ich eigentlich sogar verkleinern müssen. Doch ich wollte ja zeigen, wie viel mehr Detailinformationen die Mikroskopobjektive im Vergleich zu Makroobjektiven liefern können und nicht die Leistungsfähigkeit der einzelnen Objektive demonstrieren oder bewerten.
Kern des Beitrags: 5x-Lupenobjektiv und 5x-Mikroskopobjektiv
Ausnahme waren hier allerdings zwei Objektive, die mit dem gleichen Abbildungsmaßstab ins Rennen gingen: das Canon-EF-Lupenobjektiv MPE65 in Stellung 5:1 und das Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 5 x mit Tubuslinse Raynox DCR 150 bei Auszugslänge (Distanz Sensor zu Tubuslinse) von 210 mm. Diese beiden Linsen produzieren eine weitgehend identische Objektvergrößerung (beim Mitutoyo liegt der Abbildungsmaßstab minimal höher, weil die Tubuslinsenbrennweite mit 208 mm etwas über den geforderten 200 mm lag). Hier lässt sich die Detailwiedergabe der Abbildungen also direkt vergleichen, und darum stellen diese beiden Objektive gewissermaßen den Kern dieses Blogbeitrags dar, denn sie zeigen recht authentisch, welche Auflösungsvorteile ein Mikroskopobjektiv gegenüber einem hochspezialisierten Lupenobjektiv bei gleichem Abbildungsmaßstab hat.
Freilich gehen die Ausschnittsvergrößerungen weit über das hinaus, was man einem Foto normalerweise antun würde, denn in diesem Maßstab betrachtet würde das Foto bei einer hochauflösenden Kamera eine ganze Wand abdecken. Aber hier kam es mir eben darauf an, die Unterschiede sichtbar zu machen, und das erfordert, einen Bildausschnitt bis weit über die Schmerzgrenze hinaus hochzuskalieren.
Beim Betrachten der Bilder muss man auch bedenken, dass jede einzelne Flügelschuppe des aufgenommenen Schmetterlings praktisch ein Staubkorn mit einer Breite von etwa einem Zehntel Millimeter ist. Fällt eine solche Flügelschuppe auf eine weiße Tischplatte, dann ist sie für unser Auge schlichtweg verschwunden und nur noch mit einer Lupe mit wenigstens zehnfacher Vergrößerung aufzuspüren. Derart winzige Strukturen mit so großer Detailgenauigkeit zu reproduzieren, ist für jedes der hier verglichenen Objektive eine Meisterleistung. In dieser Hinsicht ist also auch die Leistung der beiden Canon-Kleinbildobjektive in den extrem stark vergrößerten Ausschnitten absolut beeindruckend, auch wenn sie dort unscharf erscheint.
Im Vergleich des 100-mm-Makroobjektivs mit dem Lupenobjektiv MP-E 65 muss man allerdings auch bedenken, dass das Canon MP-E 65 letztlich nichts anderes ist als ein 65-mm-Kleinbildobjektiv, das umgekehrt montiert und mit einem Teleskoprohr zur Verlängerung des Auszugs ausgestattet ist, analog zu einem Balgengerät. Vom Prinzip her ähnelt das einer Standardbrennweite, die mit Umkehrring und Zwischenringen an der Kamera montiert wurde. Dadurch wird das Bildmotiv im Foto zwar größer dargestellt, weil man den Aufnahmeabstand verringern kann, aber die Detailerfassung ist auf diese Weise nicht größer als bei einem vergleichbaren Standardobjektiv in Normalstellung, sieht man einmal davon ab, dass das erwähnte Lupenobjektiv auf den Nahbereich hin optimiert wurde, hier also seine Bestleistung bringt, während die Standard-Festbrennweite mit großer Wahrscheinlichkeit auf Unendlich hin optimiert wurde und im Nahbereich randseitig möglicherweise Abbildungsfehler hätte. Für eine erheblich höhere Detailwiedergabe im Foto benötigt man einfach andere Linsen.
1. Canon Kleinbildobjektiv 100 mm Makro f2,8
Beim 100-mm-Makroobjektiv Canon RF 100 mm f/2,8 Makro zeigt der vergrößerte Bildausschnitt die geringste Qualität in der Detailwiedergabe. Das liegt natürlich daran, dass es bei nur 1,4-facher Vergrößerung* erheblich stärker hochskaliert werden musst als alle anderen Bilder. Hiermit sollte eben nur gezeigt werden, wieviel weniger Details in einem Foto enthalten sind, das mit diesem hervorragenden Makroobjektiv erstellt wurde. Es wurde eben für einen anderen Zweck konzipiert, und dem wird es absolut gerecht. Das Beispiel zeigt aber eben, dass ein nachvergrößertes Makrofoto nicht annähernd die Detailwiedergabe hat wie eines, das mit einer mikroskopischen Optik erzeugt wurde. (*Das Canon RF 100 mm f/2,8 Makro leistet im Gegensatz zu der älteren EF-Variante nicht nur 1:1, sondern 1,4:1)
2. Canon Kleinbildobjektiv MP-E 65
Das Lupenobjektiv Canon MP-E 65 mm f2,8 zeigt bei Stellung 5:1 in der extremen Ausschnittsvergrößerung schon etwas mehr Details als das 100er-Makro. Das allerdings dürfte nicht wirklich auf eine höhere Auflösung zurückgehen, sondern eher darauf, dass hier ein Teil des Vergrößerungseffektes auf optischem Weg erfolgte, also verlustfrei durch die Objektivlinsen, während beim 100-mm-Makroobjektiv der gesamte Vergrößerungsvorgang mit einfachem Hochskalieren durchgeführt wurde, also verlustbehaftet. Befände sich dieses Lupenobjektiv in der Stellung 1,4:1, also synchron zum oben beschriebenen Makroobjektiv, wäre seine Detailwiedergabe in einer Nachvergrößerung eines Ausschnitts vermutlich kaum besser als die des Makroobjektivs.
Man darf auch nicht übersehen, dass die Markteinführung des MP-E 65 mm schon viele Jahre zurückliegt, während die Linsen des vergleichsweise noch sehr jungen (Stand Mitte 2024) RF 100 mm f/2,8 Makro intensiv überarbeitet wurden und quasi den Stand der Technik repräsentieren. Ein Indiz dafür sind z. B. die chromatischen Aberrationen, die Farbsäume, die das Canon MP-E 65 mm in manchen Vergrößerungen kritischer Motive erkennen lässt.
Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 5 x
Das Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 5 x, das hier mit der Tubuslinse Raynox DCR 150 (Brennweite 208 mm) eingesetzt wurde, spielt erkennbar in einer anderen Liga. Diese Aufnahme ermöglicht einen direkten Vergleich mit dem vorausgegangenen Lupenobjektiv Canon MP-E 65 mm, und hier wird deutlich, dass die Detailwiedergabe weit oberhalb der eines herkömmlichen Kleinbild-Makroobjektivs liegt. Besonders gut ist das an der mittig liegenden, hellgrün-türkisfarbenen Flügelschuppe zu sehen, deren Rillenstruktur bereits hervorragend zu erkennen ist, während man diese Rillen beim MP-E 65 mm bestenfalls erahnen kann.
Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 10 x + DCR 250
Noch mehr Detailpräzision lässt sich erreichen, wenn man ein Mikroskopobjektkiv mit stärkerer Vergrößerung und höherer Numerischer Apertur einsetzt, diesem aber nicht die eigentlich erforderliche Tubuslinsenbrennweite gibt, sondern eine geringere, kombiniert mit einem geringeren Abstand zwischen Kamerasensor und Tubuslinse. Das klingt kompliziert, ist aber eigentlich ganz einfach, und ich will es in einem der künftigen Blogbeiträge einmal ausführlich beschreiben.
Das funktioniert zwar nicht bei allen Mikroskopobjektiven im gleichen Maß, weil die Flexibilität der Optiken hier sehr unterschiedlich ist, und man muss dies einfach mit Versuch und Irrtum erarbeiten. Die beiden hier verwendeten Mitutoyo-Objektive sind dabei jedoch hervorragend.
Auf diesem Weg wurde das Mitutoyo M Plan Apo 10 x mit der Tubuslinse Raynox DCR 250 (Brennweite 125 mm) auf einen Abbildungsmaßstab von etwa 6x gebracht. Man erkennt, dass die Gesamtaufnahme etwas größer ist als die der beiden vorgenannten Objektive bei 5x, so dass ein Quäntchen weniger digital durch Hochskalieren vergrößert werden musste. Die Detailwiedergabe ist wiederum deutlich besser als beim vorausgegangenen Objektiv Mitutoyo M Plan Apo 5 x, was durch die höhere numerische Apertur zu erklären ist (Details im Beitrag "Mikroskopobjektive – was ist die numerische Apertur?"). Und genau dies eröffnet die wenig bekannte Möglichkeit, höher aufgelöste Aufnahmen zu erstellen, als dies mit einem Mikroskopobjektiv mit einem bestimmten Abbildungsmaßstab möglich ist. Es ist gewissermaßen, als verwende man die Normalversion eines Objektivs (z. B. Mitutoyo M Plan Apo 5x), erstellte aber Aufnahmen, die der Detailzeichnung der sehr viel teureren HR-Version (high resolution, hohe Auflösung) vergleichbar sind. Details darüber möchte ich, wie gesagt, künftig in einem separaten Beitrag vorstellen. Der Gewinn an dargestellten Details ist wiederum sehr gut an der türkisfarbenen Flügelschuppe im Zentrum des Bildausschnitts zu sehen.
Mitutoyo-Mikroskopobjektiv M Plan Apo 10 x + DCR 150
Wiederum erkennbar detailreicher wird der Bildausschnitt, wenn man dem verwendeten Mikroskopobjektiv Mitutoyo M Plan Apo 10x die Tubuslinsenbrennweite gibt, die es eigentlich verlangt, um die Nominalvergrößerung zu erreichen, also den Wert, der außen auf dem Objektivkorpus aufgedruckt ist. In diesem Fall sind das 200 mm, denen die Raynox DCR 150 mit ihren 208 mm fast entsprach. Dadurch ist mit dieser Optik dann noch mehr Detailpräzision zu erreichen, als mit der oben erwähnten kleineren Tubuslinsenbrennweite, was wiederum im Vergleich der türkisfarbenen Flügelschuppe in der Mitte des Bildausschnitts zu erkennen ist: Die Rillenstruktur wird abermals deutlicher. Das zeigt, dass das 10x-Objektiv zwar an Auflösung verliert, wenn die Tubuslinsenbrennweite nach unten abweicht (125 mm statt der geforderten 200 mm), dass aber die damit erreichbare Feinzeichnung im Foto immer noch besser ist, als die des schwächer vergrößernden 5x-Objektivs mit der tatsächlich passenden Tubuslinsenbrennweite von 200 mm (bzw. 208 mm).
HLB-Mikroskopobjektiv Plan Apo 20 x + DCR 150
Um der Sache die Krone aufzusetzen, sollte der gleiche Ausschnitt des Schmetterlingsflügels anschließend noch einmal mit dem HLB Planapo 20x aufgenommen werden, und zwar mit der passenden Tubuslinse Raynox DCR 150. Eine Nachvergrößerung durch Hochskalieren entfiel, weil die Bilddarstellung ohnehin größer war, als in den Ausschnitten der vorausgegangenen Versuche. Die türkisfarbene Flügelschuppe zeigt, dass die Auflösung ungleich höher ist, und selbst ein Nachvergrößern durch Hochskalieren (Bild im weißen Rahmen) kann die Auflösung nicht überfordern. Ein Blick auf den hohen NA-Wert des Objektivs von 0,42 erklärt diese Feinzeichnung, denn das 10x-Objektiv liegt bei lediglich 0,28.
Fazit
Damit kehre ich zur eingangs gestellten Frage zurück: „Ist Fokus Stacking mit Mikroskopobjektiven nötig, um Mikrofotos mit hoher Detailgenauigkeit zu erzeugen, oder lassen sich mit Makroobjektiven, Umkehrringen, Nahlinsen oder Super-Makroobjektiven wie dem Canon MP-E 65 mm vergleichbare Bilder erzeugen?“
Wenn Sie die Detailwiedergabe der Flügelschuppen aller drei Mikroskopobjektive mit der beider Kleinbildobjektive vergleichen, ist unübersehbar, dass hier Optiken aus völlig verschiedenen Anwendungsbereichen gegeneinander antreten. Standardbrennweiten mit Umkehrringen und Zwischenringen sowie Objektive, die mit einer Nahlinse versehen wurden, sind gegenüber einem Normalobjektiv dazu in der Lage, näher an das Aufnahmeobjekt heranzugehen und damit größer darzustellen. Aber das allein verbessert nicht die Erfassung winzigster Details.
Bei Makro- und Lupenobjektiven sind die Linsen auf den Nahbereich hin optimiert, und ihre Linienzeichnung ist deutlich höher als die eines Normalobjektivs. Doch ihre Detailerfassung geht über ein bestimmtes Maß einfach nicht hinaus.
Mikroskopoptiken hingegen sind speziell für höchste Detailwiedergabe konzipiert, quasi ohne Rücksicht auf Verluste, denn dafür bezahlt man teuer mit sinkender Schärfentiefe. Die nämlich ist bei Mikroskopobjektiven so abenteuerlich gering, dass man auf diese Weise kein brauchbares Foto erhält. Anders ist das natürlich beim Blick durch die Okulare eines Mikroskops, denn hier kann man durch das Hin- und Herdrehen am Feintrieb die Schärfenebene vor und zurück schieben und damit alle Details sichtbar machen. Ein Foto aber zeigt hier nur eine hauchdünne Ebene scharf wiedergegebener Details, und hier ist die Focus-Stacking-Technik tatsächlich unverzichtbar, um ein brauchbares Foto zu erhalten, das aber weit mehr Details zeigt, als ein herkömmliches Kleinbildobjektiv dazu jemals in der Lage wäre.
Ob Sie nun mit einem Makroobjektiv oder einer Mikroskopoptik arbeiten, hängt einfach davon ab, welche Detailwiedergabe Sie von den Fotos erwarten.
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