Sind konventionelle Objektive für die digitale ... - Leica Camera AG

Sind konventionelle Objektive für die digitale Fotografie geeignet?
Gegenwärtig gibt es kaum ein mit der Fotografie zusammen hängendes Thema, welches so
umfangreich, kontrovers und widersprüchlich diskutiert wird. Der Fotograf ist verunsichert
und weiß nicht, ob er seine bestehenden Objektive durch neue „digitaltaugliche“ Objektive
ersetzen soll. Oder kann er vielleicht doch genauso gute digitale Bilder mit seinen normalen
Objektiven aufnehmen?
Um es vorweg zu nehmen, diese Fragen lassen sich nicht mit einem einfachen Ja oder Nein
beantworten. Zunächst müssen folgende Fragen beantwortet werden:
Worin unterscheiden sich die Ansprüche zwischen digitaler und analoger
Fotografie?
Wie in der Fotografie mit Film geht es auch in der Digitalfotografie um das Einfangen von
Momenten, die dann in Form von Bildern wiedergegeben werden. Hierzu bricht das Objektiv
die vom Objekt kommenden Lichtstrahlen in einer Art und Weise, dass ein
zweidimensionales Bild von dem Objekt entsteht. Dieses Bild wird dann von einem
lichtempfindlichen Sensor aufgefangen (diese Rolle hatte vorher der Film gespielt) und auf
einem Speichermedium dauerhaft festgehalten (auch hierfür wird in der Analogfotografie der
Film benutzt).
Der Betrachter von Digitalfotos hat nun aber im Gegensatz zur Analogfotografie die
Möglichkeit, einfach und komfortabel beliebige Ausschnittsvergrößerungen an seinem
Monitor durchzuführen. Solche in der Analogfotografie sehr teuren
Ausschnittsvergrößerungen sind nur ganz selten von Fachlaboren angefertigt worden. In der
Digitalfotografie ist dies mit nur wenigen Mausklicks in einigen Sekunden vollbracht und
gängige Praxis. Hiermit werden dem Betrachter damit auch die geringsten Schwächen in der
optischen Abbildungsqualität unmittelbar offenbart. Obwohl mit der digitalen Fotografie
vielleicht der genauso „kleine“ 10 x 15 Abzug hergestellt werden soll, für den vorher ein
durchschnittliches Objektiv mit einem durchschnittlichen Film voll ausgereicht hat, ist der
Anspruch an das digitale Objektiv nun enorm gestiegen. Einfach schon durch den Umstand,
dass nun jeder Kunde bei jedem Bild eine Ausschnittsvergrößerung kostenlos durchführen
kann.
So kann man sich leicht vorstellen, dass durchschnittliche Objektive, die für durchschnittliche
analoge Fotografie geeignet sind, an hochauflösenden Digitalsensoren Ihre Schwächen sofort
offenbaren. Diese Schwächen waren und sind aber in der analogen Fotografie bei
hochauflösenden Filmen und entsprechenden Vergrößerungen genauso sichtbar. An dieser
Stelle will ich unbedingt darauf hinweisen, dass für qualitativ hochwertige Bilder in der
digitalen und analogen Fotografie die gleiche Grundvoraussetzung erfüllt werden muss:
Objektive mit hoher Abbildungsqualität. So kann man auch erwarten, dass ein hervorragendes
für die analoge Fotografie geeignetes Objektiv den Digitalfotografen unter Einhaltung
bestimmter Rahmenbedingungen nicht enttäuschen wird. Diese Rahmenbedingungen werden
im Kapitel „Welche Besonderheiten gilt es in der Digitalfotografie zu beachten?“ behandelt.

Was zeichnet ein gutes Objektiv aus?
Jedes Objektiv hat eine schwierige Aufgabe zu erfüllen. Es muss die vom Objekt kommenden
Lichtstrahlen in einer Art und Weise sammeln und brechen, dass sie ein exaktes und scharfes
Bild auf dem Film oder Sensor erzeugen. Hierzu werden typischerweise Glaslinsen benutzt.
Jede dieser Linsen hat viele verschiedene Abbildungsfehler. Jeder dieser Abbildungsfehler ist
ein Hindernis auf dem Weg, ein hochauflösendes und wirklichkeitsnahes Bild vom Objekt zu
erzeugen. Einem erfahrenen Entwicklungsingenieur kann es unter zu Hilfenahme modernster
Simulations- und Optimierungsprogramme gelingen, verschiedene Linsen mit verschiedenen
Radien und Glasmaterialien mit den unterschiedlichsten Brechungseigenschaften in teilweise
veränderlichen Abständen zueinander so zu wählen und zu positionieren, dass sich die
Abbildungsfehler der einzelnen Linsen gegenseitig aufheben. Je höher die Ansprüche an die
Qualität der Abbildung, desto höher ist der Aufwand des Entwicklers als auch die
Herausforderung und der benötigte Erfahrungsschatz. Die Auslegung des optischen Systems
ist aber nur die eine Hälfte auf dem Weg zu einem guten Objektiv. Die Herstellung der Linsen
und der Mechanik ist ein weiterer bedeutender Punkt. Wenn vom Objektiv gefordert wird,
dass es im Bild Strukturen von wenigen µm (1µm=0,001mm) Größe auflöst, müssen die
Linsen entsprechend genau gefertigt und positioniert werden. Im Hause Leica durchaus
vorkommende Forderungen an die Genauigkeiten sind beispielsweise eine Verkippung der
Linse auf der Optischen Achse von nur 0,0033°. Bestimmte Linsen dürfen nicht mehr als
5µm=0,005mm falsch positioniert werden. Da diese Extremtoleranzen auch für erfahrene
Feinwerker nur schwer zu erreichen sind, werden bestimmte Objektive einzeln von Hand
korrigiert. Hierzu werden einzelne Linsen oder Linsengruppen so verschoben und
anschließend fixiert, dass die im System vorhandenen Toleranzen ausgeglichen werden.
Hierzu ist es erforderlich, dass der voraussehende Optik-Ingenieur den Entwurf des
Linsensystems so ausgelegt hat, dass durch das verschieben des entsprechenden Optikgliedes
keine neuen Abbildungsfehler entstehen.
Leica-Mitarbeiter beim „Schieben“ eines Optik-Gliedes

Ist nun das Linsensystem so zusammengefügt und von der Mechanik gehalten, dass all diese
Forderungen erfüllt werden, muss das Objektiv im teilweise harten Alltag bestehen. Es muss
Temperaturen aushalten, wie sie in der Wüste oder in der Arktis auftreten. Es muss den
Transport im Rucksack oder im Geländewagen trotzen, den einen oder anderen Stoß
überstehen. Und immer dürfen die Linsen nicht ein bisschen von ihrer Position weichen, da
sonst die hervorragende Abbildungsqualität zerstört wird, auf die sich so viele Profi- und
Amateurfotografen bei Leicaobjektiven verlassen. Es wird schnell klar, dass nur die besten
Materialien wie Aluminium und Messing gerade gut genug für die mechanische Fassung des
sensiblen Linsensystems sind.
Welcher Anspruch wird an die Kamera gestellt?
Um das Einfangen von hochaufgelösten Bildern auf Film oder einem Sensor zu ermöglichen,
muss das Aufnahmemedium absolut plan und nicht verkippt an einer genau definierten Stelle
sitzen. Schon leichteste Abweichungen führen zur Herabsetzung der Auflösung. Da eine
Kamera aus unzähligen Einzelteilen besteht, ist diese Forderung nahezu unmöglich. Die
Toleranzen der verschiedenen Teile addieren sich unter Umständen zu einer im Vergleich zur
Forderung gewaltigen Gesamttoleranz. Hier bedient sich die Leica Camera AG eines
besonderen Tricks. Die Filmbahn der LEICA R9, die auch Anlagevorlage für den Sensor des
Digital-Modul-R ist, wird erst am Ende des Fertigungsprozesses gefertigt. Hierzu wird die
Kamera am Objektiv-Bajonett aufgenommen, der fest definierten Schnittstelle zum optischen
System, und nun mit einer Präzisions-Werkzeugmaschine die Filmbahn gefräst. So werden
die Einzeltoleranzen der einzelnen Teile ausgeschaltet und es bleiben nur die vergleichsweise
kleinen Toleranzen der Werkzeugmaschine übrig.
Die Filmbahn der Leica R9 wird gefräst

Welche Besonderheiten gilt es bei der Digitalfotografie zu beachten?
Wie ein Film braucht auch ein Sensor ein hochauflösendes Objektiv, wenn höchste
Abbildungsqualität erwartet wird. Es gibt aber auch Besonderheiten, die von den
Entwicklungsingenieuren in der Digitalfotografie beachtet werden müssen.
Schutzfilter:
Beispielsweise hat der Sensor einen Schutzfilter aus Glas, der bei der Auslegung von
Analogobjektiven nicht berücksichtigt worden ist. Beim LEICA Digital-Modul-R ist dieser so
dünn wie möglich gewählt worden. Dies hat zwei Ursachen. Zum einen darf der in das
Filmfenster der LEICA R8 oder R9 hineinragende Sensor nicht den dicht davor sitzenden
Verschluss behindern. Zum anderen bleibt hierdurch der „störende“ Einfluss auf die
Abbildungsqualität der Leica R-Objektive vernachlässigbar.
Die folgenden Grafiken sollen Ihnen zeigen, wie gering der Einfluss des dünnen
Sensorschutzglases ist. In den Grafiken finden Sie in der linken Spalte die optische
Abbildungsleistung ohne Schutzglas und in der rechten Spalte mit Schutzglas. In den
betreffenden Linsenschnitten sind die Schutzgläser vor dem Sensor positioniert.
Als Bildhöhe (halbe Formatdiagonale) wurde für die bessere Vergleichbarkeit bei allen MTF-
Darstellungen das Maß des Sensors des Digital-Modul-R von 15,8mm gewählt. Bei den
Linsenschnitten sind die entsprechenden Bildgrößen berücksichtigt. So ist bei den linken
Strahlengängen in der Bildebene das etwas größere Filmformat dargestellt.
[%] MTF (Blende 2.8)
[%] MTF (Blende 2.8)
[%] MTF (Blende 1.4)
[%] MTF (Blende 1.4)
100
100
100
100
90
90
90
90
80
80
80
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
40
40
40
30
30
30
30
20
20
20
20
10
10
10
10
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
100
100
100
100
90
90
90
90
80
80
80
80
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50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
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50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
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Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
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50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
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40
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30
30
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0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
ELMARIT-R 1:2,8/19mm SUMMILUX-R 1 :1,4/50mm

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
[%] MTF (Blende 2.8)
[%] MTF (Blende 2.8)
[%] MTF (Blende 4.0)
[%] MTF (Blende 4.0)
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100
100
100
90
90
90
90
80
80
80
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
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60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
40
40
40
30
30
30
30
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10
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10
10
0
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
Y' [mm]
Y' [mm]
Y' [mm]
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
[%] MTF (Blende 5.6)
100
100
100
100
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90
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80
80
80
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60
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Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
40
40
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30
30
30
20
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10
10
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0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
Y' [mm]
Y' [mm]
Y' [mm]
APO-MACR-ELMARIT-R 1 :2,8/100mm
APO-TELYT-R 1 :4/280mm
[%] MTF (Blende 3.5)
100
[%] MTF (Blende 3.5)
100
[%] MTF (Blende 2.8)
100
[%] MTF (Blende 2.8)
100
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90
90
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60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
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30
30
30
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0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
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0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
[%] MTF (Blende 5.6)
100
[%] MTF (Blende 5.6)
100
[%] MTF (Blende 5.6)
100
[%] MTF (Blende 5.6)
100
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90
90
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Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
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Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
80
70
60
50
Ortsfrequenzen
5.0 Lp/mm
10.0 Lp/mm
20.0 Lp/mm
40.0 Lp/mm
40
40
40
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30
30
30
30
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20
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10
10
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0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Y' [mm]
VARIO-ELMAR-R 1 :3,5-4/21-35mmASPH. (21mm)
VARIO-ELMARIT-R 1:2,8-4,5/28-90mm ASPH (28mm)
Allgemeine Erläuterungen zu den MTF-Graphiken (Modulation Transfer Function):
Die MTF ist jeweils für die volle Öffnung und für die Öffnung 5,6 für große Aufnahmeentfernungen (unendlich) angegeben.
Aufgetragen ist der Kontrast in Prozent für 5, 10, 20, 40 Ip/mm über die Höhe des Kleinbildfilms für tangentiale (gestrichelte
Linie) und sagittale Strukturen (durchgezogene Linie ) bei weißem Licht. Die 5 und 10 Ip/mm geben einen Eindruck über das
Kontrastverhalten für gröbere Objektstrukturen, die 20 und 40 Ip/mm dokumentieren das Auflösungsvermögen feiner und
feinster Objektstrukturen.

Wenn man die MTF-Kurven betrachtet, fällt folgendes auf:
• Durch das Einbringen des dünnen Schutzfilters wird die Abbildungsqualität in einer
so geringen Weise beeinträchtigt, dass dies in den Bildern nicht zu beobachten sein
wird.
• Der Charakter der Abbildungseigenschaften des Objektives wird durch den
Schutzfilter nicht verändert. Das heißt, besonders leistungsfähige Objektive, die in
der Analogfotografie mit besten Bildergebnissen aufwarten, liefern auch im
Zusammenspiel mit einem Sensor beste Abbildungsqualität. Besondere Erwähnung
sollen hier die apochromatisch korrigierten Hochleistungs-Teleobjektive finden.
Mikrolinsen:
Eine weitere Besonderheit bei digitalen Sensoren sind die sogenannten Mikrolinsen. Da
zwischen den Pixeln die Ansteuerelektronik mit den zugehörigen Zuleitungen liegt,
überstreichen die einzelnen lichtempfindlichen Flächen (Pixel) bei Sensoren nicht die gesamte
Sensorfläche. Dadurch ist die effektive lichtempfindliche Fläche der Sensoren kleiner als
beim analogen Film.
Dieser Nachteil bei Sensoren kann durch sogenannte Mikrolinsen kompensiert werden. Es
werden kleinste Linsen vor jedem einzelnen Pixel positioniert. So werden auch Lichtstrahlen
eingefangen, die sonst beispielsweise die neben dem Pixel liegenden lichtunempfindlichen
Zuleitungen getroffen hätten. Allerdings können sehr schräg einfallende Lichtstrahlen von den
Mikrolinsen nicht mehr eingefangen werden.
Schematisches Bild von Mikrolinse vor Pixel

Betrachtet man nun den Strahlengang eines Objektives, erkennt man, dass die Randstrahlen
die Sensorfläche schräg treffen.
Strahlengang von ELMARIT-R 1:2,8/19mm
Bemerkung: Gemessen an dem Bildwinkel eines Superweitwinkels treffen selbst
die Randstrahlen den Sensor in moderaten Winkeln.
Würden die Mikrolinsen am Rand des Sensors genauso wie in der Mitte genau vor dem Pixel
positioniert werden, könnte zum Rand hin ein Helligkeitsverlust auftreten. Dieser zum Rand
hin stärker werdende Lichtverlust entsteht durch die zum Rand hin „schräger“ auf die
Mikrolinsen auftreffenden Strahlen.
Beim LEICA DIGITAL-MODUL-R ist dieser Effekt allerdings vergleichsweise gering. Dies
liegt an zwei Dingen:
• Sehr schräg einfallende Lichtstrahlen treten nicht auf, weil der Sensor kleiner als das
Filmformat ist. Das heißt, die „kritischen“ Ecken liegen beim Sensor außerhalb des
Bildfeldes.
• Das Auflagemaß (Abstand zwischen Bajonett und Bildebene) des LEICA R-Bajonett
ist vergleichsweise groß. Weil das Leica SL/R-Bajonett 1965 ausgelegt wurde, sind
die damaligen Systembeschränkungen berücksichtigt worden. So wurde
beispielsweise für die Feinmechanik des Rückschwingspiegels mehr Raum benötigt,
als bei erst in jüngster Vergangenheit entstandenen Bajonetten. Dies erfordert eine
größere Schnittweite des Objektives (die letzte Linse darf nicht so nah vor dem Film
liegen). Was die Optik-Konstrukteure vor große Herausforderungen stellt, wird in der
Leica-R-Digitalfotografie zum Segen. Durch den größeren Abstand der letzten Linse
treffen die Randstrahlen den Sensor nicht mehr zu schräg.
Um auch die durch die Vorteile beim Leica-R-System geringe Randabdunklung noch zu
minimieren, werden die Mikrolinsen durch ein sogenanntes Microlensshifting zum Rand hin
in Ihrer Position zum Pixel verändert.

Schematisches Bild von Mikrolinse (geshiftet) vor Pixel am Rand des Sensors
Durch die außermittige Positionierung der Mikrolinsen vor dem Pixel am Rand des Sensors
wird der Akzeptanzwinkel optimal auf die typischen Strahlengänge der R-Objektive
abgestimmt. So werden nur die auch in der analogen Fotografie auftretenden Vignettierungen
in der digitalen Fotografie wirksam. Da die Sensorfläche kleiner als das Filmformat ist, sind
die Vignettierungen am Rand im Falle des LEICA DIGITAL-MODUL-R sogar kleiner als bei
der Benutzung eines Films.
In konventionellen Sensoren werden ganze Zeilen oder Spalten des Bildchips als sogenannte
Transportregister zum Auslesen benutzt. Die effektiv lichtempfindliche Fläche reduziert sich
hierdurch, da die licht unempfindlichen Transportregister für die eigentliche Aufnehme nicht
genutzt werden können. Dieser Verlust kann durch stark brechende Mikrolinsen ausgeglichen
werden, die dann auf einer größeren Fläche die Strahlen einfangen und auf den Pixel lenken.
Je stärker die Brechkraft einer Mikrolinse ist, desto eingeschränkter ist ihr Akzeptanzwinkel.
So arbeiten beispielsweise stark brechende Mikrolinsen nur mit nahezu senkrecht auf den
Sensor einfallenden Strahlen. Im DIGITAL-MODUL-R findet ein Sensor ohne
Transportregister Verwendung. Die effektiv lichtempfindliche Fläche ist also größer und so
können Mikrolinsen mit niedriger Brechkraft verwendet werden. Dadurch ist der
Akzeptanzwinkel größer und die Mikrolinsen können auch die schrägen Strahlen eines
konventionellen Objektives auf den Pixel lenken. Sensoren ohne Transportregister auf der
lichtempfindlichen Fläche können durch einen anderen Auslesealgorithmus kein „Lifebild“
ausgeben, wie es bei verschiedenen Digital-Kompaktkameras als Sucher benutzt wird. Da bei
einer Spiegelreflexkamera aus technischen Gründen dies aber sowieso nicht möglich ist,
entsteht hierdurch kein Nachteil beim DIGITAL-MODUL-R.

Zusammenfassung
In der Digitalfotografie ist genauso wie in der Analogfotografie eine hervorragende
Abbildungsleistung des Objektives notwendig, um sehr gute Bildergebnisse zu erhalten. Auf
die Besonderheiten in der Digitalfotografie wie den Schutzfilter oder den eingeschränkten
Akzeptanzwinkel der Mikrolinsen wurde bei der Auslegung des LEICA DIGITAL-MODUL-
R besondere Rücksicht genommen. Der Schutzfilter wurde so dünn wie möglich ausgeführt,
die Mikrolinsen werden zum Rand im Verhältnis zu den Pixel verschoben (Microlensshifting)
und die „kritischeren“ Randbereiche sind durch die etwas kleinere Sensorfläche gegenüber
dem Filmformat ausgeschlossen. Trotzdem ist der Verlängerungsfaktor mit 1,37
vergleichsweise gering.
Erste Priorität bei der Auslegung des LEICA-DIGITAL-MODUL-R ist die uneingeschränkte
Integration in das bestehende Leica-R-System, das heißt einschließlich der vorhandenen R-
Objektive.