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Vorwort zu einem Fach-Artikel aus 1970

von Gert Redlich im Juli 2017 - Der Optik ist es wurscht, ob sie vor einer alten oder neuen Spiegelreflexkamera (SLR oder DSLR) oder einer 8mm Schmalfilmkamera oder einer 35/70mm Kinofilm-Kamera oder einer großen Fernseh-Studiokamera "hängt" oder gar an einem Filmprojektor angeflanscht ist. Die Optik projiziert das einfallende Licht auf die jeweilige "andere Seite".

So kann man es grundsätzlich verstehen. Natürlich ist die Größe des "Bildaufnehmers" ausserordentlich wichtig. Es ist natürlich ein Unterschied, ob ich einen 2/3" Chip habe oder einen Kleinbild-Diafilm oder einen 8mm oder 35mm Film oder gar einen 6x6cm Film oder eine 30cm x 30cm Plattenkamera eines astronomischen Riesen-Telescopes. Doch diese hier beschriebenen Grundsätze gelten für alles diese Optiken.

Vielleicht erst mal einen Blick auf ein angewandtes Beispiel

Die ganze Probelmatik der Spiegeloptiken und der Korrekturen von Optiken und Spiegelsystemen ist mir bei dem wirklich uralten SABA Telerama Fernsehprojektor von 1957 eingeleuchtet. Es war ungeheuer erstaunlich, was es damals an progressiven Ideen gab, ein Fernsehbild auf eine große Fläche zu projizieren.

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Aus "Moderne Fototechnik 1970"
Werdegang von Objektiventwicklungen (I)

von L A. Mannheim Juli 1970

Der augenfälligste Grund für die Entwicklung eines neuen Objektivsystems ist die Nachfrage. Ein Interessent braucht ein Objektiv einer bestimmten Leistung und bestimmter Eigenschaften, welches noch nicht verfügbar ist. (Die gestellten Anforderungen müssen natürlich auch realisierbar sein.) Oft erwachsen solche Forderungen aus neuartigen Einsatzgebieten der Fotografie. In den meisten Fällen basieren aber neue Entwicklungen auf der Forderung nach Verbesserungen bestehender Systeme.

130 Jahre der optischen Rechnung haben noch kein perfektes Objektiv ergeben, sondern nur ständig bessere Annäherungen an die Vollkommenheit. Diese beruhen auf der Entwicklung neuer Berechnungs- und Herstellungsverfahren, wobei allerdings der Forschungsdrang als solcher auch eine wichtige Rolle spielt.

  • Anmerkung : Wir sind in 1970 und der IBM 1130 Rechner der Fachhochschule Rüsselsheim war mit 2 Millionen DM bereits nahezu unerschwinglich. Und der IBM360 Rechner bei Opel stand immer nur Nachts zur Verfügung. Doch soetwas hatten die Wenigsten, um "einfach mal so" komplexe stundenlange Berechnungen wie zum Beispiel mehrgliedrige optische Linsen durchzuführen. Und Programmieren konnten wir alle noch nicht. Doch wir wußten bereits, eigentlich kann man alles aus der Physik berechnen. Unser Dozent, damals der Dr. Lertes, hatte uns glaubwürdig "gebrieft", daß darin die Zukunft liegt.

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Möglichkeiten der rechnenden Optik

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  • Anmerkung : Die Überschrift ist sehr unglücklich gewählt. Es müsste "Die berechnete Optik" heißen.

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Der heutige optische Fortschritt ist natürlich zum Großteil auf den Einsatz elektronischer Rechenanlagen zurückzuführen. Durch eine millionen- bis 1000-millionenfache Beschleunigung der Rechnungsarbeit bieten Computer eine erhebliche Automatisierung in der optischen Berechnung und Konstruktion.

Gleichzeitig ermöglichen sie die Forschung auf einer breiteren Basis in einer größeren Anzahl gleichzeitiger Richtungen; der Optikkonstrukteur kann mehr Ideen ausprobieren und häufiger seinen Ansatz ändern.

Die elektronische Berechnung ist allerdings schon weit über das erste Stadium der schnellen Ausführung einer großen Anzahl von Rechnungen hinaus; es lassen sich jetzt bereits Programme aufstellen, die ursprünglich unbekannte Wechselbeziehungen zwischen Aberrationen und Objektivparametern erkennen und anzeigen. Optische Systeme können aber auch viel voller auskorrigiert werden, da der Computer große Matrizen mit Tausenden sich dauernd ändernder Zahlenwerte voll ausschöpft.
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Nicht mehr hinterher rechnen, sondern Vorgaben machen

Die Minolta SLR Kamera von 1971
  • Anmerkung : Die Japaner machten es uns damals vor und klotzten damit auch in der Werbung. Als 1971 die Minolta SRT101 raus kam und immer wieder mit 4 ganz tollen Wechselobjektiven ganzseitige Farb-Anzeigen füllte, haben wir nur gestaunt. Als dann in den europäischen Tests festgestellt wurde, die ganzen Farb- und Verzeichnungs- korrekturen würden wirklich funktionieren, also randscharf bis in die Ecken und keine Farbsäume und keine Schatten, da war klar, soetwas kann der Computer viel besser als der Mensch.

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Als nächster Schritt wäre das Programmieren einer Rechenanlage zur Berechnung der Optimallösung auf Basis der geforderten Leistungsparameter eines Systems zu erwarten. Zu diesem Schritt ist aber ein mindestens so großer Fortschritt wie von der Hand- oder Tischrechenmaschine zur elektronischen Rechenanlage nötig. Auf diesem Gebiet findet jetzt der größte Forschungseinsatz der Programmautomatik statt.

Gegenwärtige Programme bestehen aus einer Kombination von Computerlösungen und Neuansätzen durch den Optikkonstrukteur. Dieses Verhältnis verschiebt sich langsam zugunsten der automatischeren Berechnung mit weniger Neuansätzen.

Ein Beispiel ist die Entwicklung des Zeiss Planar 1:0,7/50mm, welches von einem Ansatz des Gauss-Typs mit einem Öffnungsverhältnis 1:1,0 abgeleitet wurde (Bild 1).
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Vergütung in der Optikkonstruktion

Die drei wichtigsten Faktoren, die zur fortgeschrittenen Korrektur moderner Objektive beitrugen, sind

  1. die reflexmindernden Schichten,
  2. der Einsatz asphärischer Flächen und
  3. der Einsatz neuartiger Gläser.


Bekanntlich verbessern reflexmindernde Schichten - die sogenannte Vergütung - sowohl die Lichtdurchlässigkeit wie die Kontrastleistung; die letztere ist bei verhältnismäßig einfachen Objektiven mit drei oder vier Gliedern wichtiger.
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Der Lichtverlust an den Grenzflächen

Bei einem Lichtverlust von 4% pro Grenzfläche Luft/ Glas hat ein unvergüteter Dreilinser einen Lichtverlust von 22% und eine viergliedrige Konstruktion (z. B. ein Gauss-Typ mit zwei verkitteten Elementen) etwa 29%, also etwas unter bzw. etwas über einer halben Blendenstufe. Das an den Grenzflächen zurückgespiegelte Licht erscheint aber wieder als Streulicht in der Bildebene und vermindert daher die Kontrastleistung.

Die Bildbrillanz

Für den praktischen Fotografen ist die verbesserte Bildbrillanz wichtiger als der Gewinn an Lichtdurchlässigkeit. Für den optischen Konstrukteur bedeutet aber die Vergütung, daß er nicht mehr auf eine beschränkte Anzahl von Gliedern in einem optischen System angewiesen ist.

In einem unvergüteten Objektiv lag die Grenze eines akzeptablen Lichtverlustes bei etwa fünf Gliedern (zehn Grenzflächen Luft/Glas), wodurch die in eine optische Konstruktion einbeziehbare Korrektur und Leistung verhältnismäßig begrenzt war.
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Die Entwicklung von 10gliedrigen Optiken

Die neuen Möglichkeiten des Einsatzes von acht, zehn oder noch mehr Gliedern wurde allerdings erst in den letzten zehn Jahren mit der Entwicklung von ultralichtstarken, Ultraweitwinkel- und Vario-Objektiven (die letzteren mit zwischen 16 und 32 Grenzflächen) voll ausgenützt. (Ohne Reflexschutzschicht ginge bei einem Objektiv dieses letzteren Typs fast 80% des durchgehenden Lichtes verloren; mit Vergütung entspricht der Lichtverlust etwa jenem eines unvergüteten Dreilinsers.)

Die Asphärische Konstruktion

Während asphärische Linsenflächen jahrelang fast nur in Fernrohren verwendet wurden, bilden sie heute schon ein Mittel wachsender Bedeutung für den Optikkonstrukteur selbst bei sogenannten Normalobjektiven - also Optiken normaler Brennweite für Kleinbild- bzw. Kleinbildreflexkameras.

Der Vorteil einer asphärischen Fläche ist, daß sie zur ausgiebigen Korrektion einzelner Aberrationen oder Aberrationengruppen herangezogen werden kann und so eine komplizierte rechnerische Matrix vereinfacht.

Z. B. kann eine asphärische Fläche in der Nähe der Blende ausschließlich zur Korrektion der sphärischen Aberrationen dienen, aber gleichzeitig Fehler aller Ordnungen beheben. Kurz vor der Bildebene (oder etwas weiter vor der Blendenebene) kann eine asphärische Fläche dagegen die Verzeichnung
steuern.

Mit zwei symmetrisch zur Blende eingesetzten asphärischen Flächen lassen sich weitere Aberrationen (z. B. Koma und die schiefe sphärische Aberration) beeinflussen. Eines der bekanntesten Beispiele ist das Noctilux von Leitz, welches mit einer vordersten und einer hintersten asphärischen Fläche ein maximales Öffnungsverhältnis 1:1,2 und einen Bildwinkel von 46° mit nur sechs Linsen erreicht (Bild 3).

Asphärischer Schliff ist deutlich teurer als sphärischer Schliff

Der Nützlichkeit asphärischer Linsenflächen müssen allerdings die hohen Herstellungskosten entgegengesetzt werden, so daß solche Flächen meistens entweder dort eingesetzt werden, wo die asphärische Fläche die Anzahl der Linsen in einem System erheblich herabsetzen kann (und so hier an Herstellungskosten spart) oder wo sich geforderte Öffnungsverhältnisse und andere Leistungsmerkmale nicht mit sphärischen Linsenflächen allein erreichen lassen.

Wenn einmal Fortschritte diesen wirtschaftlichen Nachteil asphärischer Flächen aufheben, dürften asphärische Systeme häufiger zum Erreichen hoher optischer Leistung in Normalobjektiven zum Einsatz kommen. Verständlicherweise wollen optische Hersteller die Fertigungsmethode solcher Linsenelemente nicht preisgeben; z. B. ließ die japanische Firma Canon (deren Objektiv 1:1,2/55 mm neben dem Noctilux das einzige „normale" asphärische Kameraobjektiv darstellt) nur verlauten, daß sie die genaue Form der asphärischen Fläche während der Fertigung mit Laserstrahlen kontrolliert. Wahrscheinlich erfolgt das durch Methoden der Interferenz-Holographie.

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  • Anmerkung zu : Sphärische oder asphärische Linsen
    Die Oberfläche einer Linse ist im einfachen Fall ein Kugelausschnitt und die Stärke der Brechung wird durch den Radius des Kugelausschnitts bestimmt. Sphärische Linsen (vom griechischen "Sphäre") sind relativ einfach herzustellen, weisen jedoch einen Abbildungsfehler auf - die sogenannte "sphärische Aberration". Dabei werden auftreffende, parallele Lichtstrahlen nicht alle in einem Punkt gebündelt, sondern je nach Abstand zur Hauptachse mehr oder weniger weit von dieser entfernt.
  • Die parabolische Linsenform (auch Spiegelform - Parabolspiegel)
    Komplexere Linsenformen sind asphärische Linsen, die diesen Fehler nicht aufweisen, aber deutlich aufwendiger in der Herstellung sind. Die Oberfläche wird hier so gestaltet, dass parallele Lichtstrahlen alle den gleichen Brennpunkt durchlaufen.

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Neue Gläser

Die Korrektur optischer Bildfehler (mit Ausnahme der Farbfehler) wird um so leichter, je kleiner der Winkel, in welchem die Lichtstrahlen auf die Linsenoberfläche einfallen, und daher je kleiner deren Krümmung ist.

Diese Krümmung läßt sich durch den Einsatz hochbrechender Gläser herabsetzen. Die neuesten mit seltenen Erden hergestellten Gläser erreichen Brechungszahlen bis zu 2,0. In vielen modernen Objektiven ließ sich mit solchen hochbrechenden Gläsern allein das Öffnungsverhältnis um rund eine halbe Blendenstufe vergrößern.

Meistens vereint sich eine hohe Brechzahl mit einer hohen Dispersion. Zur chromatischen Auskorrektur brauchen aber Optikkonstrukteure hochbrechende Gläser niedriger Dispersion und niedrigbrechende Gläser hoher Dispersion.

Die "Kurzflinte" und die "Schwerkrone"

Die ersteren sind die sogenannten "Kurzflinte", die letzteren die "Schwerkrone". Eine Neuentwicklung in Gläsern mit niedriger Dispersion sind kristalline Fluoride (zum Beispiel hat die Firma Canon in letzter Zeit sehr viel für Objektive mit solchen Gläsern geworben), welche aber in ihrer Beständigkeit beschränkt sind und daher beim Einbau in übliche Objektivsysteme besonders gegen atmosphärische Einflüsse abgedichtet werden müssen.

Berylliumfluorid hat eine der niedrigsten Dispersionen, mit einem Abbe-Wert bis zu 95 (je höher die Abbe-Zahl, desto niedriger die Dispersion), aber die Giftigkeit der Berylliumverbindungen führt zu Gefahren in der Herstellung und selbst im Einsatz solcher Materialien.

Die glas-keramischen Materialien

Eine weitere Neuentwicklung in der Herstellung von Gläsern und besonders von Fernrohrreflektoren sind die glas-keramischen Materialien. Hier werden Aluminium-und andere Gläser mit niedriger Wärmeausdehnung auf eine Keramisiertemperatur erhitzt, bei welcher eine gesteuerte Kristallbildung erfolgt.

Die Wärmeausdehnung des Glases wird dabei auf ein Vierzigstel bis ein Fünfzigstel der Wärmeausdehnung normaler Gläser herabgesetzt. Solche Gläser sind für astronomische Fernrohre ideal, wo es besonders auf die Präzision und Stabilität einer Spiegeloberfläche ankommt.

Da solche Gläser praktisch keinen dimensionalen Änderungen durch Temperaturschwankungen unterliegen, können Fernrohrreflektoren bis zu 4cm Durchmesser ihre maximale optische Präzision in einem Temperaturbereich von -150° bis + 200°C beibehalten - was besonders in Raumteleskopen wichtig ist. (wird fortgesetzt)

Werdegang von Objektiventwicklungen (II) aus 1970
"Objektive höchster Auflösung"

Ein Beispiel der zu neuen optischen Konstruktionen führenden Forderungen ist der Einsatz von Objektiven höchster Auflösung in der Reprografie, bei der Herstellung gedruckter und integrierter Schaltungen. Leiterlinien in einer Mikroschaltung haben oft nur eine Stärke von einigen Mikrometern, müssen aber ohne Verzerrung und ohne Stärkeverlust reproduzierbar sein.

Das bezieht sich besonders auf die Reproduktion im Abbildungsmaßstab 1:1 von einer Vorlage der gedruckten Mikroschaltung auf Halbleiterplättchen (z. B. bei der Erzeugung fotografischer Masken im Fertigungsverlauf der integrierten Schaltung).

Objektive vom Gauss-Typ

Die meisten der heute zu diesem Zweck eingesetzten Objektive basieren auf dem Gauss-Typ (welcher besonders gut die Korrektion der Verzeichnung und bestimmter anderer Bildfehler ermöglicht), wobei hier zusätzliche Glieder für weitere Korrektionen und zur Bildfeldebnung eingesetzt werden.

Bild 5 zeigt einen solchen Entwicklungsgang, bei dem ein Objektiv mit numerischer Apertur (NA) von 0,125 im Auflösungsvermögen sukzessiv von etwa 200 bis 350 Linienpaaren/mm hochgetrieben wurde.

Die numerische Apertur besser als die Blendenöffnung

Bei hauptsächlich für Abbildungsmaßstäbe 1:1 oder größer eingesetzten Objektiven ist eine Angabe der numerischen Apertur sinnvoller als die relative Blendenöffnung. Die NA hängt von dem aus der Bildebene gesehenen Öffnungswinkel des Objektivs ab, welcher sich messen oder zumindest berechnen läßt.

Die Blendenzahl dagegen bezieht sich auf das Objektiv bei Einstellung auf unendlich. Bei dem Maßstab 1:1 entspricht eine NA von 0,125 einer äquivalenten Blendenzahl 1:4, so daß die Blendenzahl bei einer theoretischen Einstellung auf unendlich 1:2 betragen würde. Objektive dieser Art werden heute von den meisten führenden optischen Herstellern geliefert; die angeführten Beispiele stammen von Carl Zeiss (Bild 5) und von Canon (Bild 6).

Ein Objektiv "auskorrigieren"

Zum Erreichen einer solchen Auflösungsleistung muß das Objektiv ziemlich genau bei einem bestimmten Abbildungsmaßstab auskorrigiert sein, während die Belichtung ausschließlich bei monochromatischem Licht (möglichst kurzer Wellenlänge) erfolgt. Auf diese Weise kann auf eine Korrektur der Farbfehler zugunsten anderer die Bildauflösung beeinflussender Faktoren verzichtet werden.

Die theoretische Auflösungsgrenze wird durch die Lichtbeugung bestimmt, welche wiederum von der Objektivöffnung abhängt. Die theoretische Grenzauflösung geht mit größeren Objektivöffnungen in die Höhe; z. B. soll ein Ultra-Micro-Nikkor von Nippon mit 250mm Brennweite und NA=0,24 etwa 400 Linienpaare/mm in einem Bildfeld bis 50mm Durchmesser auflösen.

Sonderfall : reprografische Verkleinerungen

Für reprografische Verkleinerungen, z. B. Projektionsmaskierungen im Maßstab 1:20 in der Herstellung gedruckter Schaltungen, ist nicht nur eine andere Berechnung der Korrektion erforderlich, sondern auch - entsprechend der unsymmetrischen Anordnung der konjungierten Schnittweiten - ein unsymmetrischer Objektivaufbau oft geeigneter.

Spezielle Weitwinkel-Systeme

Die Konstruktion neuer Weitwinkelobjektive verfolgt gegenwärtig (wir sind in 1970) drei Richtungen:

  1. verzeichnungsfreie Ultraweitwinkelsysteme,
  2. Fisheye-Objektive und
  3. Retrofokuskonstruktionen.


Unter „Ultraweitwinkel" ist hier ein totaler Bildwinkel von über 90° zu verstehen, der verzeichnungsfrei von nur sehr wenigen Optiken erreicht wird, aber das Haupteinsatzgebiet der Fisheye-Objektive bildet.
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Beispiel : das "Hologon" von Carl Zeiss

Das bekannteste der neueren verzeichnungsfreien Weitwinkelobjektive ist das Hologon 1:8/15mm von Carl Zeiss mit seinem Bildwinkel von 110°, welches nicht nur in seiner Leistung, sondern auch in seiner computergesteuerten Korrektion bemerkenswert ist. Es erwuchs aus der Verwirklichung eines Triplets mit negativen Brechkräften in den Außenlinsen, eine Lösungsmöglichkeit, welche sich aus der Theorie dünner Linsen ableiten läßt.

Beim theoretischen rechnerischen Verfolgen dieses Gedankens entstand eine Objektivkonstruktion, welche nicht nur die sphärische und schiefe sphärische Aberration gut korrigierte, sondern durch die starke Durchbiegung der Außenlinsen auch einen großen Bildwinkel erzielte.

Die Weitwinkelverzeichnung

Diese Weitwinkelverzeichnung, welche sich in der Verlängerung von körperlichen Objekten (z. B. Köpfen) an den Bildrändern zeigt, beruht auf den Gesetzen der geometrischen Optik und nicht auf der Konstruktion des Objektivs. Verzeichnungsfehler heben aber zum Teil auch eine Beschränkung der Weitwinkeloptiken auf, nämlich den Lichtverlust an den Bildrändern. Es handelt sich hier um das bekannte cos4-Gesetz, nach dem die Bildhelligkeit an einem gegebenen Bildpunkt im Verhältnis zur vierten Potenz des Cosinus des Winkels zur optischen Achse steht, in welchem an diesem Bildpunkt die Lichtstrahlen einfallen.

Z. B. beträgt bei einem Winkel von 110° (Einfallswinkel an den Bildrändern 62°) die Bildhelligkeit am Rand nur ein Viertel jener in der Bildmitte. Mit bestimmten Konstruktionen läßt sich der Lichtabfall auf die dritte Cosinuspotenz oder noch weniger herabsetzen. Zwei andere Wege zu diesem Ziel sind die absichtliche Einbeziehung einer Tonnenverzeichnung und der Einsatz von Retrofokus-Konstruktionen.

In beiden Fällen wird zum Vergleich mit dem Einfallswinkel der Lichtstrahlen vor dem Objektiv der Ausfallwinkel hinter dem Objektiv verringert.

Fischaugenobjektiv mit einem Bildwinkel von über 180°


In den meisten Weitwinkelsystemen wird eine restliche Verzeichnung als ein Kompromiß akzeptiert - teilweise weil bei der Abbildung von Objekten in einer flachen Bildebene mit einem Ultraweitwinkelobjektiv eine unvermeidliche Weitwinkelverzeichnung vorhanden ist. Der Extremfall ist das Fischaugenobjektiv, welches mit einem gesamten Bildwinkel von über 180° einen Lichtkegel von nur 60 bis 80° (Halbwinkel 30 bis 40°) hinter dem Objektiv aufweist.

Die Verzeichnung kann in diesem Fall 50% übersteigen, aber der Lichtabfall an den Bildrändern entspricht unter einer Blendenstufe. (Theoretisch kann eine normale Optik auf keinen Fall einen Bildwinkel von 180° umfassen, da dann unmögliche Bedingungen der Bildgeometrie vorliegen. Außerdem würde die Lichtintensität an den Bildrändern in einem solchen Fall unendlich klein sein.)

Abgesehen von Sondereffekten in der gestalterischen Fotografie gibt es auch Fischaugenobjektive für spezielle wissenschaftliche Zwecke. (Die Urform des Fischaugenobjektivs wurde auch für wissenschaftliche Aufnahmen - in der Meteorologie - entworfen.)

Teilchenwege in der Blasenkammer des CERN aufzeichnen

Ein Beispiel neuerer Konstruktion ist ein für die 3,7m Blasenkammer der CERN gebautes S-Distagon mit einem Bildwinkel von 106° und einer 20%tigen Verzeichnung bei 100°. Um die Teilchenwege in der Blasenkammer aufzuzeichnen, muß das Objektiv einen großen Bildwinkel umfassen; die Verzeichnung ist aber weniger störend, da sich in der endgültigen Bildauswertung ein bekannter Verzeichnungsgrad ohne weiteres berücksichtigen läßt.

Bei diesem Objektiv (Bild 9) sind drei konzentrische Menisken-Fenster in die Blasenkammer eingesetzt und stellen einen Teil der Optik dar, dessen Rest aus einer Retrofokus-Konstruktion besteht. Während Fischaugenobjektive normalerweise eine verhältnismäßig große Öffnung haben, ist bei diesem System das Öffnungsverhältnis auf 1:11 beschränkt, um die bei der Aufzeichnung der Blasenkammerereignisse erforderliche Tiefenschärfe zu erzielen.

Objektive für die Ultraviolett-und Infrarotfotografie

Die zwei Probleme bei der Ausbreitung des Einsatzbereichs von optischen Systemen in die unsichtbaren Strahlenbereiche sind die Farbkorrektur und die Strahlungsdurchlässigkeit der betreffenden Objektivsysteme. Die Probleme sind eng verwandt, denn die wenigen optischen Medien, welche Ultraviolettstrahlen bis zur Empfindlichkeitsgrenze einer Halogensilberemulsion (um 200mm) durchlassen und dabei noch isotropisch bleiben, weisen auch verhältnismäßig niedrige Brechzahlen (meistens unter 1,5) und kleine Dispersionen auf. Konstruktionsmethoden der chromatischen Korrektion im sichtbaren Spektrum - durch die Kombination von Gläsern unterschiedlicher Brechzahl und Dispersion - sind daher im Ultraviolettbereich nur sehr beschränkt anwendbar.

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  • Anmerkung zu : Dispersion = unterschiedlicher Brechungsindex der Farben.

    Der Brechungsindex eines optischen Materials ist allerdings nicht nur vom Material selber abhängig, sondern auch von der Wellenlänge des Lichts. Die verschiedenen Farbanteile des weißen Lichts, etwa Rot und Blau, werden also unterschiedlich stark gebrochen. Wenn nun der Brechungsindex stark mit der Wellenlänge des Lichts variiert, sprechen die Optiker von einer hohen Dispersion.

    Eine hohe Dispersion führt zur chromatischen Aberration, also dem Effekt dass die farbigen Komponenten des Lichts nicht deckungsgleich abgebildet werden, und es somit zu Farbsäumen insbesondere an Kanten im Bild kommt. Um den negativen Einfluss auf das Bild zu minimieren, kommen in modernen Objektiven einzelne Elemente zum Einsatz die aus Glassorten gefertigt sind, die eine sehr geringe Dispersion aufweisen.

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Sonderoptiken für die Ultraviolettfotografie

Bisher wurden Sonderoptiken für die Ultraviolettfotografie (hauptsächlich aus Quarz-und Fluoridlinsen bestehend) daher meistens mit monochromatischer Korrektion berechnet.

Die Brennweite des Objektivs variierte also je nach der verwendeten Strahlungswellenlänge, so daß nur Ultraviolettstrahlen in einem beschränkten Wellenlängenbereich verwendbar waren.

In den bisherigen Einsatzgebieten solcher Objektive - der Fotomikrografie, der Kriminalistik usw. - war diese spektrale Beschränkung zum Großteil akzeptabel, wenn auch bei der kleinen verwertbaren Strahlungsintensität nicht sehr wirtschaftlich. Der neuere Einsatz der Ultraviolettaufzeichnung in der Satelliten- und Raumfahrtfotografie forderte aber Objektive achromatischer Eigenschaften sowohl im Ultraviolett- wie im sichtbaren Spektralbereich.

Optik-Hersteller in Deutschland, Japan und den USA bieten jetzt schon eine Anzahl solcher Systeme mit der erforderlichen Korrektion für Farbfehler, welche mit einer größeren Anzahl von Linsenelementen erreicht wird. Z. B. kommt beim UV-Sonnar 1:4,3/105 mm für die Satellitenfotografie mit der Hasselblad ein System von sieben Linsen mit einem Bildwinkel von 40° zum Einsatz. In einem beschränkteren Spektralbereich wäre eine vergleichbare Leistung schon mit drei oder vier Linsen möglich gewesen.

Objektive für die Ultraviolettfotografie dürfen übrigens keine verkitteten Linsen besitzen, da die meisten Linsenkitte zu viel der Ultraviolettstrahlung schlucken.
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Die Infrarotaufzeichnung mit Bildumwandlern

Für die Infrarotaufzeichnung mit Bildumwandlern oder Scannersystemen kommen Wellenlängen bis zu 2-3 Mikron zum Einsatz. Hier muß der optische Werkstoff nur diese Wellenlängen durchlassen und darf sichtbares Licht auch schlucken. Mit Silicium- und Germaniumelementen erreicht die Brechzahl des Mediums bis zu 3,0 und selbst 4,0. Es lassen sich hier Optikkonstruktionen üblicher Art anwenden, wobei die Durchbiegung der Linsenflächen viel geringer wird. Es sind daher selbst große Öffnungsverhältnisse relativ guter Korrektion erreichbar; die Korrektionsgrenzen hängen eher von der Wellenlänge der Strahlung ab.

Astronomische und langbrennweitige Systeme

Die Hauptanwendungen von Objektiven extremer Brennweite liegen einerseits auf Spezialgebieten der Telefotografie (darunter der Satellitenfotografie und militärischer Anwendungen) und andererseits in der Astronomie. Während manche Fortschritte der astronomischen Optik - z. B. Spiegelobjektive - auch zu nützlichen Verbesserungen in anderen langbrennweitigen Systemen führten, muß sich die astronomische Optik auf Grund der extrem langen Brennweiten mit ganz besonderen Problemen auseinandersetzen. Diese Brennweiten erreichen zuweilen bis 120m und führen zu erheblichen Konstruktionsschwierigkeiten, da die letzteren mit der Brennweite der Optik anwachsen.

Ein Durchmesser von mehreren Metern

Außerdem kann der reine Durchmesser solcher extrem langbrennweitiger Systeme selbst bei verhältnismäßig geringen Öffnungsverhältnissen mehrere Meter erreichen.

In der Konstruktion extrem langbrennweitiger Objektive geht es um zwei wichtige Punkte: die Korrektur der chromatischen Fehler und die Baulänge des ganzen Systems. Bei Glasobjektiven bildet das sogenannte sekundäre Spektrum eine bedeutende Beschränkung bei anwachsender Brennweite.

Dieser Bildfehler hängt nicht vom Bildwinkel des Objektivs ab; mit Hinsicht auf andere Korrektionen umfassen extrem langbrennweitige Systeme glücklicherweise nur einen Bildwinkel von einigen Graden, der (besonders in der astronomischen Fotografie) vom Format der verwendeten Platte abhängt. Bei einem Normalformat (der Foto-Platten) von etwa 30x30cm beträgt der Bildwinkel nur 1 oder 2°.

Der Hohlspiegel mit wenigen Fehlern

Der Einsatz von Hohlspiegeln als abbildende Elemente behebt zum Großteil die Farbfehler (da Hohlspiegel nicht unter Farbaberrationen leiden) und ermöglicht auch eine mehrfache Umlenkung des Lichtweges mit einer daraus erfolgenden Ersparnis an Baulänge.

Diese Ersparnis übertrifft erheblich selbst die Verkürzung mit Telefoto-Glasoptiken, wo das Verhältnis Brennweite/Baulänge selten 2 übersteigt; in Spiegeloptiken sind Verhältniszahlen von 4:1 bei einem voll auskorrigierten Bildfeld normal und bei nur axialer Korrektur ist selbst ein Faktor von 6:1 möglich.

Die praktischen Nachteile einer Spiegeloptik sind erstens die Schwierigkeit der Fertigung großer Reflektoren mit einer ausreichenden Präzision der Spiegelfläche. Zweitens sind im Vergleich zu einer Glasoptik mit zahlreichen Elementen unterschiedlicher Brechkraft und noch mehr Grenzflächen Glas/Luft die Korrektionsmöglichkeiten einer Spiegeloptik mit ihren normalerweise zwei Spiegelflächen recht begrenzt.

Hier der Verweis auf die Schmidt-Optik

Astronomische Spiegelteleskope nach Schmidt und Maksutov mußten daher asphärische Korrekturelemente vor dem Hauptreflektor einsetzen. Da solche Korrekturelemente für große Teleskope (mit Durchmessern über 1,2 m) schwierig herzustellen sind, tendieren heutige astronomische Teleskope dazu, solche Korrekturelemente hinter dem Spiegelsystem - also vor der lichtempfindlichen Schicht - anzubringen. Hier können diese Elemente auch aus sphärischen Linsengliedern bestehen.

Objektivhersteller haben diese Form der Spiegeloptik zu fotografischen Spiegelobjektiven abgewandelt. Diese gibt es heute in Brennweiten von 250 bis 2.000mm !! für Spiegelreflexkameras 35mm bis 6x6 cm.

Weitee Korrekturen mit Konverterelementen

Moderne astronomische Teleskopsysteme arbeiten oft mit Konverterelementen, welche effektiv die Brennweite und die Öffnung des ganzen astronomischen Teleskops modifizieren.

Das Teleskop selbst dient hier zur Projektion eines Zwischenbildes, welches die Konverteroptik dann auf den fotografischen Film oder die Platte projiziert.

Der Vorteil des Konverters ist, daß die Brennweite außerhalb des Teleskops selbst gesteuert wird. Ein Beispiel ist ein von Carl Zeiss gebautes Fernseh-Teleskop mit einer Grundbrennweite von 6m und Öffnungsverhältnis von 1:10 (also einem Durchmesser von 600mm des Hauptreflektors).

Ein 0,3facher Konverter verringert den Abbildungsmaßstab in diesem Verhältnis - also effektiv die Brennweite auf 2m und das Öffnungsverhältnis auf 1:3. Während heute die Korrektur eines solchen Fernsehteleskops noch nicht für allgemeine fotografische Aufgaben ausreicht, dürfte es in der nicht zu fernen Zukunft zur Standardausrüstung von Satelliten gehören.

Die Asphäre - eine der aussichtsreichen Entwicklungen

Wie im Fall von Glasoptiken, ist die Asphäre eine der aussichtsreichen Entwicklungen in der Serienproduktion von Spiegeloptiken. Zur Erleichterung der Fertigung und der Prüfung solcher asphärischer Flächen dienen Kompensationssysteme; bei Spiegeloptiken hängt die Qualität des Resultates von der Berechnung dieser Kompensationssysteme ab.

Das Kompensationssystems eines Hohlspiegels

Das Prinzip eines solchen Kompensationssystems ist, daß sich ein in einem richtigen Abstand vor einem Hohlspiegel aufgestelltes Linsensystem so konstruieren läßt, daß alle vom Kompensationssystem auf die Spiegelfläche einfallenden Lichtstrahlen senkrecht (also in einem Winkel von 90° zu der Spiegelfläche) reflektiert werden.

Diese gehen dann durch die Kompensationsoptik zurück zum Ausgangspunkt des Lichtes (z. B. einer winzigen beleuchteten Apertur) und ergeben ein sogenanntes Nullbild. Wenn die aus dem Kompensationssystem austretenden Lichtstrahlen die Spiegelfläche nicht überall senkrecht erreichen, dann bildet das durch das Kompensationssystem zurückgestrahlte Licht eine Reihe von Bildern, welche nicht mehr mit dem Ausgangspunkt der Lichtstrahlen zusammenfallen.

Die Lichtverteilung dieser rückgestrahlten Bildpunkte zeigt dann die Fehler in der Spiegelform an - vorausgesetzt daß das Kompensationssystem von Anfang an richtig berechnet wurde.

Eine asphärische Spiegelfläche muß bestimmte Bildfehler eines Hohlspiegels beheben. Zur Prüfung der asphärischen Spiegelfläche werden in das Kompensationssystem erhebliche aber gesteuerte Bildfehler einkonstruiert, welche die sphärischen Lichtquellen in nichtsphärische Wellen umwandeln.

Hat das Kompensationssystem die richtigen Bildfehler, dann erhält man mit einem Spiegel der richtigen erwünschten Form wieder ein zur Kontrolle geeignetes Null-Bild. Solche Kompensationssysteme können sehr kompliziert werden, besonders wenn sie auf den konvexen Sekundärspiegel eines asphärischen Telesystems abzustimmen sind.

Neue Gedanken zu Vario-Optiken (heute Zomm-Optik genannt)

Zahlreiche konstruktive Verbesserungen zielen auf verschiedene optimale Kompromisse zwischen der Baulänge, Leistung, Lichtstärke und den Vario-Bereich von Objektiven veränderlicher Brennweite.

Daneben zeigen sich auch einige Neueinstellungen zum Einsatz von Variosystemen. Dazu gehört die Anwendung von Vario-Optiken in der Makrofotografie, bei der eine Veränderung der Brennweite zur Steuerung des Abbildungsmaßstabes ohne Änderung des Abstandes Objektiv/Objekt dient. Das ist besonders dort von Vorteil, wo die Objektanordnung verhältnismäßig kompliziert und eine Änderung des Objektabstandes oder ein Wechsel des Objektivs unbequem ist.

Beispiel Tessovar 4:1 von Carl Zeiss

Ein solches jetzt von Carl Zeiss lieferbares System ist das Tessovar 4:1. Die Brennweitenverstellung dient hier zur Steuerung des Abbildungsmaßstabes bei einem festen Objektiv/Objekt- Abstand. Bei einem Objektabstand von etwa 7,5cm umfaßt diese Einstellung Abbildungsmaßstäbe von 1,6 bis 6,4fach. Der Einsatzbereich des Tessovars läßt sich aber mit Vorsatzlinsen noch erweitern; zu diesem Zweck hat das Objektiv einen Vierfachrevolver. Mit jeder dieser Vorsatzlinse (bzw. ohne Vorsatzlinse) umfaßt der Variobereich 4:1 verschiedene Abbildungsmaßstäbe, wobei der gesamte Maßstabbereich sich von 0,8 bis 12,6fach erstreckt.

Die verschiedenen Vorsatzlinsen sowie auch die Vario-Einstellbereiche (welche mittels eines Knopfes am Objektivtubus gesteuert werden) sind nach zugehörigen Farbcodes verschlüsselt.

Vorteile in einem Nahaufnahme- und Makrofotosystem

Das Tessovar ist der Kern eines ausgiebigen Nahaufnahme- und Makrofotosystems. Dazu gehören, neben dem Tessovar Objektiv selbst, ein Grundkörper mit Strahlenteilerprisma und Einstellteleskop sowie eine Reihe von Spezialleuchten, Ständer, Verschlüsse, Objektauflagen und Kameragehäuse.

Während der Brennweitenverstellung wird die Blende auch automatisch zum Ausgleich des Belichtungsfaktors bei verschiedenen Abbildungsmaßstäben nachgestellt. Normalerweise hat das Tessovar eine Arbeitsblende (nicht die geometrische Blendenzahl) von 64, läßt sich aber weiter zum Vergrößern der Schärfentiefe abblenden.

Die Belichtung automatisch regeln (in 1970 !)

In dem Einstellfernrohrtubus läßt sich außerdem eine Cadmiumsulfidzelle einsetzen, welche in Verbindung mit einem elektronisch gesteuerten Verschluß automatisch die Belichtung regelt. Das Gerät ist mit verschiedenen Kameragehäusen verwendbar, z. B. für Kleinbild 35 mm, Spiegelreflexkameras, sogar Kameraansätze der Formate bis 6,5x9cm auf Planfilm und Platten oder 8,2x10,4cm auf Polaroid Filmpack.

In seinem Anwendungsbereich entspricht das Tessovar dem von derselben Konstruktion abgeleiteten Vario-M-Sonnar, welches auf der letzten „photokina" für die Hasselblad demonstriert wurde. Durch eine Kupplung der Brennweitenverstellung eines Zoom-Objektivs mit der Entfernungseinstellung lassen sich aber noch verschiedene andere Möglichkeiten ausschöpfen.

Z. B. werden jetzt einige Schmalfilmkameras mit Makro-Zoom-Objektiven ausgestattet (Bolex, Beaulieu, Eumig usw.). Die Objektivverstellung umspannt dabei entweder stufenlos oder in zwei getrennten Einstellphasen Objektabstände von unendlich bis zu einigen Zentimetern vor dem Objektiv und Abbildungsmaßstäbe bis zu 1:4 oder größer.

Die Optimierung des Vario-Objektivs

Eine weitere, aber noch nicht realisierte Möglichkeit ist eine Kupplung der Entfernungs- und Brennweitenverstellung, so daß das Vario-Objektiv ein Objekt bei verschiedenen Entfernungseinstellungen jeweils scharf abbildet, solange der Abbildungsmaßstab gleich bleibt.

Ein System dieser Art könnte in der Makrokinematografie nützlich sein: man braucht ein Kleinobjekt (z. B. Insekten, Fische usw.) nur im Sucher anzuvisieren und darauf zu achten, daß das Sucherbild jeweils gleich groß bleibt. Mit einer solchen konstanten scheinbaren Entfernung erspart man sich das gleichzeitige Nachstellen der Entfernung und des Abbildungsmaßstabes, so daß ein sich bewegendes Motiv jeweils ohne Rücksicht auf Abstandsänderungen gleich groß erscheint.

Lediglich der Perspektiven-Effekt würde sich auf eine etwas ungewöhnliche Weise ändern, da ein solches Insekt z. B. im Film anscheinend auf die Kamera zu- oder vom Betrachter wegläuft, ohne vom Fleck zu kommen.

  • Anmerkung : Warum der Autor die Firma Schneider Kreuznach mit deren großen Fernsehobjektiven nicht erwähnt hatte, ist mir schleierhaft. Dort gab es bereits Zoom-Optiken, die diese Eigenschaften hatten und erstaunlich gut funktionieren, heute noch. Über den Preis wurde ja hier bis jetzt nicht diskutiert. Das sollte bei der physkalischen Betrachtung auch erst mal keine Rolle spielen.
  • Dieser Artikel ist also entweder deutlich älter oder aus einer deutlich einseitigen Carl Zeiss Sicht entstanden und somit entweder Werbung oder indirekte Beinflussung.

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