Wie kommen Hersteller bei Hybridkameras zu hohen (83-fachen) Zoomstufen?

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Offensichtlich reicht der größte Hybridzoom auf dem Markt (Nikon Coolpix P900, glaube ich) nicht von 24 mm bis 2 m Länge, aber welche Art von optischen Systemen verwenden Hersteller, um optische Zooms auf ein so hohes (83x) Niveau zu bringen?

Diese Hochzoom-Hybridkameras sind im Vergleich zu normalen DSLR-Super-Teleobjektiven relativ billig, sodass sie nicht die gleichen teuren optischen Elemente verwenden. Sie schaffen es, 83x in 20 cm oder so zu packen, während die besten 600-mm-DSLR-Objektive für etwa 12x ungefähr zweimal länger sind. Ich frage mich also, wie sie das tun, wie viel Licht dabei verloren geht usw.

In einem anderen Thread über P900-Artefakte frage ich mich, ob der angeblich 83-fache "optische" Zoom auch eine elektronische Verarbeitung umfasst.

Chimel31
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Ich werde die Nebenfrage entfernen, da Stack Exchange nur eine Frage pro Beitrag bevorzugt, diese jedoch mit " Kann ich den binokularen Zoom in die Brennweite des entsprechenden Objektivs umwandeln " beantwortet wird . .
Philip Kendall
Ist das nicht nur ein Erntesensor, der "die ganze Arbeit" erledigt? Der tatsächliche optische Anteil der Optik liegt wahrscheinlich bei höchstens 10 mm und dann nur bei 83x, was der Telefonbrennweite entspricht.
Andreas
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@ Andreas Es ist eigentlich 4,3 mm-357 mm.
Michael C

Antworten:

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Ich denke, die Verwendung des Begriffs 83X ist zwar richtig, aber am irreführendsten. Die Coolpix leistet in Bezug auf ihre optische Reichweite von 83x bemerkenswerte Arbeit. Dies wird als Zoombereich bezeichnet. Die Mathematik lautet: Die Stärke des Kameraobjektivs ist einstellbar von 4,3 mm Weitwinkel bis 357 mm Tele, das ist 357 × 4,3 = 83. Mit anderen Worten, die Spanne des Zooms beträgt 83X. Um dies zu erreichen, wird das Objektiv mit 16 einzelnen Glaslinsen konstruiert . Einige sind zusammengeklebt, andere sind Lufträume. Es gibt 12 Linsengruppen, die jeweils im Luftabstand voneinander angeordnet sind. Wenn Sie zoomen, ändert sich der Luftraumabstand und auf diese Weise ändert sich die Stärke des Objektivs. Der Zoombereich reicht von Weitwinkel bei 4,3 mm bis zu Tele bei 357 mm.

Wenn Fotografen über ihre Objektive diskutieren, wird die Tatsache, dass der Zoombereich 4,3 mm bis 357 mm abdeckt, kaum verstanden. Dies liegt daran, dass eine weitaus größere Filmkamera als Maßstab für die Objektivleistung verwendet wird. Dies ist die 35-mm-Filmkamera, die seit fast 100 Jahren bei uns ist. Wegen seiner Beliebtheit sprechen wir von Kameraobjektiven, die eigentlich nur für diese ehrwürdigen Kameratypen gelten. Wir können jedoch Vergleiche anstellen

Das geht so: Die Nikon Coolpix P900 ist eine Super-Miniaturkamera, mit der Miniaturbilder aufgenommen werden können, die nur etwa 18% der Größe der geschätzten 35-mm-Kamera entsprechen. Das 35mm ist tatsächlich 5,6x größer. Wir multiplizieren also 4,3 x 5,6 = 24 und 357 x 5,6 = 2000. Jetzt können wir sagen, dass Coolplix so funktioniert, als ob der Zoombereich 24 mm - 2000 mm beträgt. Jetzt gelten 50mm als "normal". Ein kürzeres Objektiv wird als Weitwinkel bezeichnet. Ein längeres Objektiv wird als Tele bezeichnet. Da 50 mm bei Vollzoom „normal“ sind, was 2000 mm entspricht, erscheinen Objekte 2000 × 50 = 40X größer. Mit anderen Worten, ein Vogel im 1000 Fuß entfernten Baum stellt sich vor, als wäre er nur 25 Fuß entfernt.

Alan Marcus
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Beachten Sie, dass der Erntefaktor ein Vergleich von linearen Messungen ist. In Bezug auf die Fläche ist ein FF-Sensor mit 35 x 24 mm etwa 30 x größer als der Sensor des P900.
Michael C
Für diejenigen, die sich fragen: 1/30 = 0,18 ^ 2 (ungefähr, aber es ist eine anständige Annäherung).
BallpointBen
Der Industriestandard besteht darin, Unterschiede zwischen den Bildgrößen von Format A bis zu Format B zu vergleichen. durch Vergleichen von Unterschieden in den Diagonalmaßen. Dieser Wert ist in der Industrie als Vergrößerungs- oder Erntefaktor bekannt. Auch die räumlichen Unterschiede sind wertvoll. Die Äquivalenz der Brennweite basiert jedoch auf dem Erntefaktor. Die Verwendung der Diagonale bei Werbebildwinkeln bläht sich auf und hilft so dem Verkauf. Dies ist die gleiche Taktik, die bei der Werbung für Fernsehgeräte angewendet wird. Das diagonale Maß wird angegeben, weil es die angegebene Größe des Sets aufbläst.
Alan Marcus
Ich wusste nicht, dass der Sensor so viel kleiner ist, 1 / 2.3 "spricht mich nicht wirklich an und die Kamerataschen sind auch nicht sehr klein. Ich verstehe jetzt besser, wie der Zoom des Coolpix 83x erreichen kann (P900) oder 125x (P1000): Die Objektive sind viel kleiner und daher viel billiger, so dass Sie mehr hinzufügen und trotzdem im Budget bleiben können.
Chimel31
Manchmal täuscht Mathe. Angenommen, ein Fernglas liefert eine 10-fache Vergrößerung. Man könnte ehrlich sagen, dass die "Flächenvergrößerung" 100X beträgt. Es hängt alles davon ab, wie Sie solche Dinge sehen. Die Nikon P900 ist mit einem Bildsensor ausgestattet, der eine Höhe von 4,55 mm und eine Länge von 6,17 mm aufweist. Die Diagonale dieses Rechtecks ​​beträgt 7,67 mm. Die Fläche dieses Rechtecks ​​beträgt 28,07 mm². Der geschätzte 35-mm-Füllrahmen, der als Vergleichsbasis dient, misst 24 mm Höhe und 36 mm Länge. Seine Diagonale beträgt 43,27 mm. Seine Fläche beträgt 864 mm². Im Vergleich zu Diagonalen ist das P900 17,7% größer als das FX. Im Vergleich dazu ist das P900 3,25% so groß wie ein FX.
Alan Marcus
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Wie kommen sie zu 83x?

Sensorgröße (1 / 2.3 "), physikalische Länge, Aperturverlust (f / 2.8-8).

Sensorgröße

Das Samsung S9 + Telefon verwendet einen 1 / 2,55 "Sensor, die Nikon P900 und P1000 verwenden einen 1 / 2,3" Sensor.

Offensichtlich reicht der größte Hybridzoom auf dem Markt (Nikon Coolpix P900, glaube ich) nicht von 24 mm bis 2 m Länge, aber welche Art von optischen Systemen verwenden Hersteller, um optische Zooms auf ein so hohes (83x) Niveau zu bringen?

Brennweite des Objektivs:

P900 : 4,3-357 mm (Sichtwinkel entspricht 24-2000 mm Objektiv im 35 mm Format) 67 mm Filter

Objektiv f / -Nummer: f / 2.8-6.5, Objektivaufbau: 16 Elemente in 12 Gruppen, Objektivzoom: 83x

P1000 : 4,3-539 mm (Sichtwinkel entspricht 24-3000 mm Objektiv im 35 mm Format) 77 mm Filter

Objektiv f / -Nummer: f / 2.8-8, Objektivaufbau: 17 Elemente in 12 Gruppen, Objektivzoom: 125x

P1000

Länge mit Körper, unzoomed: 7,2 Zoll (181,3 mm). Voll gezoomt verdoppelt das.

Diese Hochzoom-Hybridkameras sind im Vergleich zu normalen DSLR-Super-Teleobjektiven relativ billig, sodass sie nicht die gleichen teuren optischen Elemente verwenden. Sie schaffen es, 83x in 20 cm oder so zu packen, während die besten 600-mm-DSLR-Objektive für etwa 12x ungefähr zweimal länger sind. Ich frage mich also, wie sie das tun, wie viel Licht dabei verloren geht usw.

200-500mm

Nikon AF-S 200-500 mm 1: 5,6E ED VR, 95 mm Filter. Ca. Maße (Durchmesser x Länge): 4,2 in x. 10.5 . Dieses Objektiv ist beim Zoomen weder doppelt so lang noch so dunkel oder lang wie beim Zoomen. Außerdem kostet es 1300 U $, mehr als ein P1000 U $ 1000 oder mehr als das Doppelte des Preises eines P900 U $ 600.

Objektiv Blendenzahl: 1: 5,6, Objektivkonstruktion: 19 Elemente in 12 Gruppen, Objektivzoom: 200/35 = 5,71 und 500/35 = 14,29, wenn Sie es so vergleichen möchten.

Sigma 300-800mm

Sigma 300-800 mm F5.6 HSM APO CONV EX DG D, 46 mm hinterer Filter, Ca. Maße (Durchmesser x Länge): 6,2 x 21,3 in . Linsenkonstruktion: 18 Elemente in 16 Gruppen. Objektivzoom: 300/35 = 8,57 und 800/35 = 22,86, wenn Sie es so vergleichen möchten. Preis U $ 8000 (erhältlich im August 2018).

Vergleichen Sie diese Consumer-Objektive mit einem professionellen Objektiv, dem Fujifilm UA107x8.4BESM.

UA107x8.4BESM

Fujifilm UA107x8.4BESM 8.4-900mm und mit eingebautem 2x Extender 16.8-1800mm, das sind 214x . Während eines Fußballspiels scheint eine 1000 Fuß entfernte Kamera weniger als 5 Fuß entfernt zu sein. Filtergröße: über 250 mm (10 Zoll), HT-EBC-Beschichtung und stabilisiert. Es hat eine Blende von f / 1,7 bei 8,4-340 mm und reduziert sich auf 4,5 bei 900 mm, wobei die Blende 2x auf f3,4-f9 abfällt.

Höhe x Breite x Länge: 258x264x610mm. Dies ändert die Länge beim Zoomen nicht und bietet verschiedene Voreinstellungs-, Fokus- und Zoomoptionen. Es wurde für eine Sensorgröße von 9,6 x 5,4 mm (2/3 ") entwickelt und hat einen Zuschnittsfaktor von etwa 4x im Vergleich zum Vollbild. Erhältlich für nur US $ 198.750 zzgl. Versandkosten.

... wie viel Licht dabei verloren geht, etc.

Sie verlieren fast die Hälfte Ihres Lichts und eine beachtliche Bildqualität sowie viel Länge und Gewicht, wenn Sie sich für eine Bridge-Kamera anstelle einer DSLR entscheiden. zusammen mit vielen anderen Überlegungen.

In einem anderen Thread über P900-Artefakte frage ich mich, ob der angeblich 83-fache "optische" Zoom auch eine elektronische Verarbeitung umfasst.

Wenn sie sagen, optisch ist das, was sie bedeuten, haben die P900 und P1000 4x Digitalzoom.

rauben
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"Objektivzoom: 200/35 = 5,71" Entschuldigung, warum 35?
Chimel31
@ Chimel31 - Warum? Beispiel: 35 mm - Full-Frame-Sensoren sind von Hersteller zu Hersteller leicht unterschiedlich groß. "Vollbild" -Sensoren sind: 36 x 24 , 35,9 x 23,9 oder 35,9 x 24 mm - Wikipedia: " Bildformat ": Der Begriff "135-Format" bezieht sich normalerweise auf ein 36 × 24 mm - Filmformat, das allgemein als 35 mm-Format bezeichnet wird Das Format × 24 mm ist bei digitalen Bildsensoren üblich, wo es typischerweise als Vollbildformat bezeichnet wird. "
Rob
Errrr .... Ihre neueste Ergänzung ist kein "professionelles Objektiv". Es ist ein Sportübertragungsobjektiv, das nicht für die Fotografie gedacht ist.
Bitte Profil lesen
@mattdm - Chimel31 fragte nach Hybridkameras und sagte: "... es sieht nicht so aus, als ob sie die gleichen teuren optischen Elemente verwenden. Sie schaffen es, etwa 83x in 20 cm zu packen, während die besten 600-mm-DSLR-Objektive etwa zweimal länger sind ... ". Es ist also eine "optische Frage", wie machen sie das? Im Gegensatz zu einer Frage zur Karosserie des P900. Fujifilm Consumer-Objektive sind deutlich günstiger als die professionellen Objektive und befinden sich in einem anderen Bereich der Website. Ich glaube nicht, dass der Zusatz die Antwort verschlechtert.
Rob
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@Rob 5 - Sie haben gerade das Vollbildformat beschrieben, das ich sehr gut kenne, aber nicht, warum Sie die Fokuslänge durch 35 teilen, um einen "Objektivzoom" zu erhalten. Sollte es nicht 500/200 = 2,5 sein, um die Zoomstufe zu erhalten, oder 500/50 = 10, um die Vergrößerungsstufe zu erhalten?
Chimel31
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Beginnen wir mit der Grundidee eines relativ einfachen Zooms. Zum Beispiel können wir mit drei Elementen beginnen. Das hintere und das Vergrößerungselement und das mittlere sind reduzierende Elemente. Die Lupenelemente bringen die Lichtstrahlen zusammen. Das reduzierende Element spreizt sie auseinander.

Wenn wir also das mittlere Element durch das hintere Element ganz nach hinten bewegen, geht das Licht durch das vordere Element, sodass die Lichtstrahlen zusammenkommen. Sie kommen auf eine ganze Reihe von Wegen zusammen, bis sie zu dem reduzierenden Element gelangen, das sie auseinander spreizt - aber da es direkt am hinteren Element liegt, breiten sie sich nicht viel aus, bevor sie zum hinteren Element gelangen, und beginnen zu kommen wieder zusammen. Das hintere Element nimmt also im Grunde genommen fast alles auf, was durch das vordere Element gelangt ist, und fokussiert es auf den Sensor, so dass ein ziemlich weiter Blickwinkel entsteht.

Wenn wir andererseits das mittlere Element direkt neben dem vorderen Element platzieren, geht das Licht durch das vordere Element, kommt ein kleines Stück zusammen und geht dann durch das reduzierende Element, sodass es sich sofort wieder ausbreitet. Es breitet sich ziemlich weit aus, bevor es zum hinteren Element zurückkehrt. Daher trifft nur ein kleiner Teil der Bildmitte, die durch das vordere Element gelangt ist, auf das hintere Element, und nur dieser kleine Teil des Bildes wird auf den Sensor fokussiert, sodass wir eine viel engere Ansicht erhalten. Bei diesem Design ist das Zoomverhältnis jedoch durch den Abstand zwischen den vorderen und hinteren Elementen begrenzt. Um einen 83-fachen Zoom zu erzielen, benötigen wir ein Objektiv, das physikalisch extrem lang ist.

Um ein höheres Zoomverhältnis zu erzielen, replizieren wir diese Grundidee mehrmals. Stellen wir uns zum Beispiel vor, dass jedes dieser drei Elemente durch einen Satz von drei Elementen ersetzt wird, sodass wir nicht nur die mittlere Gruppe von vorne nach hinten verschieben, sondern auch die Vergrößerungs- oder Verkleinerungsstufe für jedes Element variieren.

Nehmen wir an, dass das Original ein Zoomverhältnis von 3: 1 aufweist. Wenn jedes Element durch eine Gruppe von drei Elementen ersetzt wird, die selbst ein Verhältnis von 3: 1 ergeben, wäre unser Gesamtverhältnis theoretisch etwa 3x3x3 = 27x. Fügen Sie eine vierte ähnliche Gruppe hinzu, und wir befinden uns in einem Bereich von etwa dem 80-fachen.

Um auch für eine Low-End-Kamera eine ausreichende Qualität zu erzielen, müssen Sie einiges mehr tun. Sogar ein recht billiges Objektiv verwendet verschiedene Arten von Glas in den verschiedenen Elementen, um die chromatische Aberration zu verringern, wahrscheinlich einige asphärische Elemente, um die sphärische Aberration zu steuern, und so weiter.

Die Grundidee aller Zooms beruht jedoch hauptsächlich auf der relativ einfachen Situation, dass (mindestens) ein Vergrößerungselement und ein Verkleinerungselement vorhanden sind und relativ zueinander verschoben werden. Zu hohen Zoomverhältnissen zu gelangen, bedeutet meistens, diese Grundidee mehrmals zu wiederholen und mehr zu tun, um Aberrationen, Verzerrungen usw. zumindest ein wenig unter Kontrolle zu halten.

Jerry Sarg
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Ihre Anfrage enthält etwas mehr als eine einzelne Frage. Konzentration auf den ersten:

Offensichtlich ... [die] Nikon Coolpix P900 ... hat keine physische Länge von 24 mm bis 2 m, aber welche Art von optischen Systemen verwenden Hersteller, um optische Zooms auf ein so hohes (83x) Niveau zu bringen?

Verwechseln Sie zunächst nicht die äquivalenten Brennweiten von 35 mm (24 mm bis 2000 mm) mit den tatsächlichen Brennweiten des P900-Objektivs (4,3 mm bis 357 mm) . Weitere Informationen finden Sie in der verwandten Frage: Was ist der Erntefaktor und in welcher Beziehung steht er zur Brennweite?

Trotzdem haben Sie Recht, offensichtlich ist die physische Länge des P900-Objektivs nicht so kurz wie 4,3 mm und auch nicht so lang wie 357 mm. Wir müssen uns also mit der grundlegenden Frage befassen, was Brennweite ist .

Wenn Sie die Weitwinkelbrennweite des P900 durch ein einzelnes symmetrisches Objektivglas (wie ein Vergrößerungsglas) mit der gleichen Vergrößerung wie das breite Ende des P900 ersetzen könnten, würden parallele Lichtstrahlen, die in dieses Einzelelementobjektiv einfallen, auf einen Punkt von 4,3 mm fokussiert Fast ein Sechstel Zoll hinter der Linse. Das bedeutet Brennweite .

Das echte Objektiv der P900 ist nicht so kurz. Alle Objektive der realen Welt enthalten mehrere optische Elemente. Diese Elemente arbeiten zusammen, um die Lichtstrahlen mehrmals zu biegen und "aufzulösen" (zu divergieren). Der Punkt dieser mehrere Elemente (und Gruppen von Elementen) ist:

  • die Linse fokussieren zu lassen, anstatt die gesamte Linsenanordnung hinein oder heraus zu bewegen, um zu fokussieren (diese Elemente umfassen die Fokusgruppe (n));
  • das Objektiv zoomen zu lassen - dh die Brennweite zu ändern;
  • Aberrationen wie chromatische Aberration (die eine natürliche Folge des Biegens von Licht durch Materialien mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften ist) zu kontrollieren.

Daher fügen Objektivdesigner viele Elemente hinzu, um das Objektiv nützlicher zu machen als einen engen Bereich von Betriebsbedingungen. Das verlängert die Objektivbaugruppe, aber im Fall von Weitwinkelobjektiven entspricht es optisch (unter Verwendung dieses Wortes) einem einfachen Einzelelementobjektiv mit einer Brennweite, die kürzer als die physikalische Länge des realen Objektivs ist.

Auf ähnliche Weise ist das Objektiv am anderen Ende des Zoombereichs des P900 bei einer Brennweite von 357 mm physisch kürzer als 357 mm. Das liegt daran, dass das Objektiv eine Telegruppe hat , eine Gruppe von Elementen, die es einem Objektiv ermöglichen, physisch kürzer als sein dünnes Objektiv zu sein - eine äquivalente Brennweite würde diktieren. Siehe auch: Was ist der Unterschied zwischen einem Teleobjektiv und einem Zoomobjektiv?


Nun, wie können sie Zoombereiche von bis zu 83x (oder sogar mehr, wie den 125x Zoom im kürzlich angekündigten P1000 von Nikon ) erreichen ? Magie. Ein bisschen von beidem?

Diese Hochzoom-Hybridkameras sind im Vergleich zu normalen DSLR-Super-Teleobjektiven relativ billig, sodass sie nicht die gleichen teuren optischen Elemente verwenden. Sie schaffen es, 83x in 20 cm oder so zu packen, während die besten 600-mm-DSLR-Objektive für etwa 12x ungefähr zweimal länger sind. Ich frage mich also, wie sie das tun, wie viel Licht dabei verloren geht usw.

Vergessen Sie beim Vergleich von Zoomfaktor und Objektivlänge nicht, Gleiches mit Gleichem zu vergleichen. In diesem Fall wird der Platz-Würfel Gesetz (Wikipedia) ins Spiel: als ein Objekt in der Größe um einen Faktor skaliert S , wird dessen Oberfläche durch skalierte S ², und sein Volumen wird durch skalierte S ³.

Das P900 hat einen Crop-Faktor von 5,6, was bedeutet, dass der lineare Skalierungsfaktor zwischen Kameras wie dem P900 mit einem 1 / 2,3-Zoll-Sensor und 35-mm-Vollformatkameras S = 5,6 beträgt (von P900 bis 35-mm-FF). Optische Systeme (was die Geometrie der Optik anbelangt): Das vergrößerte 83x-Objektiv vom Typ P900, das jedoch für einen 35-mm-FF-Körper hergestellt wurde, würde:

  • einen etwa 5,6-fach größeren Durchmesser haben und
  • wiegt ungefähr 5,6³ = 175 mal das Gewicht des P900 Objektivs! 1

    Anmerkung 1: Das Objektiv würde wahrscheinlich nicht so viel wiegen. eine einfache S ³ Skalierung beinhaltet alle Komponenten, einschließlich der Fokussierungsmotoren Linsentuben, wobei der Schwerpunkt Wendeln und Kontrollen etc., deren Wandstärke 5,6 mal skalieren. Das ist nicht nötig, es gäbe viel Gewicht zu rasieren. Unter optischen Gesichtspunkten (ohne die optische Formel zu ändern) würde sich das Gewicht des Glases jedoch um erhöhen.

Und beachten Sie, dass selbst die Länge des ~ 20-cm-Objektivs um S auf etwa 112 cm ansteigt - das ist mehr als ein Meter lang.

Ich möchte nicht einmal wissen, wie hoch die Kosten sein würden, aber das 175-fache der 1000-Dollar-Kosten des neuen P1000 wäre für ein solch lächerlich monströses Tier ohne 35-mm-Vollformat-Karosserien nicht völlig außer Kontrolle geraten.

Danach gab es verschiedene einzigartige Objektive, die astronomische Preise erzielten, aber lasst uns nicht lächerlich werden (!).

Es gibt also offensichtliche nichtlineare Kostenvorteile bei der Verkleinerung. Da sich das P900 und das P1000 jedoch nicht an den High-End-Profi- oder Prosumer-Markt richten, können sie weitere Kosteneinsparungsentscheidungen treffen, wie z.

  • Verwenden von optischem Glas geringerer Qualität in einigen der Linsenelemente;
  • Reduzierung der Anzahl optischer Beschichtungen (wie z. B. streuungsarme und entspiegelte Beschichtungen);
  • Wettersiegelung beseitigen;
  • bieten weniger Garantiedeckung;
  • und alle anderen üblichen Verdächtigen, wenn Unternehmen in der Marktsegmentierung tätig sind.
scottbb
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Das Canon 50-1000 Cine-Objektiv könnte auch ein gutes Beispiel dafür sein, was mit Größe und Preis passiert.
Lijat
Konzentriere dich auf den ersten… kichere, kichere.
Stan
@Stan heh, das war völlig ungeplant. Ich habe es nicht einmal bemerkt, bis du es getan hast.
Scottbb