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Wissen Wie funktionieren moderne Objektivkonstruktionen?

Gerade Zooms mit großem Brennweitenbereich erfordern komplexe Designlösungen. Uwe Artmann erläutert, wie aus unterschiedlichsten Gläsern mit verschiedenen Schliffen in der richtigen Kombination ein Objektiv wird.
Objektiv - Querschnitt © Alexandr Mitiuc - Fotolia.com

Die Anforderungen an ein modernes Objektiv sind sehr komplex. Es soll eine große Lichtstärke bieten, beste Bildqualität über das gesamte Bildfeld liefern, egal ob Nahaufnahme oder Landschaftsaufnahme, und als Zoom einen großen Brennweitenbereich abdecken. Das Ganze in einer kleinen und leichten Form zum günstigen Preis.

Wunsch und Wirklichkeit gehen hier teilweise deutlich auseinander, da sich manche Dinge nur schwer kombinieren lassen, insbesondere die exquisite Bildqualität in kleiner Bauform und zum günstigen Preis. In diesem Artikel betrachten wir die verschiedenen technischen Aspekte der Objektivkonstruktion und zeigen die Möglichkeiten und Limitierungen in der Fertigung.

Lichtbrechung

Ein Objektiv besteht zumeist aus einer Anordnung von verschiedenen Linsen bzw. zu Elementen zusammengefügten Einzellinsen. Jeweils am Übergang von einem Medium ins andere wird Licht gebrochen. Das kann zum einen der Eintritt des Lichts von der Luft ins Glas sein, der Übergang zwischen zwei zusammengefügten Gläsern oder der Austritt aus dem Glas in die Luft. Stellt man sich das Licht als einen Strahl durch das Objektiv vor, so ist die Brechung ein Abknicken des Strahls an jedem Übergang.

© http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Sammellinse.svg&file timestamp=20100902211045

Wie stark das Licht gebrochen wird, beschreibt der Brechungsindex des verwendeten Materials. Vakuum hat einen Brechungsindex von genau 1, Luft von ca. 1,0003, Wasser 1,33 und optische Gläser zwischen 1,5 und 2. Die Brechung entsteht durch die unterschiedliche Ausbreitungs­geschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Materialien.

Trifft der Lichtstrahl genau im Lot auf einen Übergang, verändert sich die Richtung nicht. Trifft der Lichtstrahl schräg auf den Übergang, so wird dieser entweder zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen. Stark vereinfacht ist das wie bei einem Auto, bei dem die Räder einer Seite stärker abgebremst werden als auf der anderen, was eine Änderung der Fahrtrichtung zur Folge hat. Sonderfälle wie Beugung oder Reflexion an Spiegelelementen zur Bilderzeugung in Objektiven werden später behandelt.

Linsenformen

Ausschlaggebend für die Eigenschaft einer Linse ist die Form. Eine simple Glasscheibe, deren Oberflächen genau parallel zueinander liegen (planparallel), kann nicht als Linse benutzt werden. Die Brechung beim Eintritt des Lichts aus der Luft erfolgt in gleicher Stärke beim Austritt aus dem Glas an die Luft. Mehrere parallele Lichtstrahlen sind auch nach dem Durchdringen noch parallel zueinander, es kann kein Bild entstehen. Die Lichtstrahlen wurden nur parallel verschoben.

© www.fkg-wuerzburg.de/schule/faecher/nut/Linsen/Linsen.htm

Man unterscheidet zwischen Sammellinsen und Zerstreuungslinsen. Eine Sammellinse bündelt auftreffendes Licht in einem Punkt hinter der Linse, während Zerstreuungs­linsen das auftreffende Licht verteilen, als käme es von einem Punkt vor der Linse.

Die Brennweite beschreibt den Abstand zwischen der Hauptebene der Linse und der Brenn­ebene. Die Hauptebene ist eine Vereinfachung der Linse auf eine dünne Schicht mit der Eigenschaft der gesamten Linse. Die Brennebene ist die Ebene, in der sich parallele Strahlen beim Durchdringen der Linse treffen.

Kaufberatung: Objektiv kaufen - was Sie wissen müssen

Bei einer Sammellinse ist die Brennweite positiv, bei einer Zerstreuungslinse negativ. Flexible und veränderbare Linsen, ähnlich der menschlichen Augenlinse, wurden bereits mehrfach vorstellt, eine wirkliche Marktreife aber (noch) nicht erreicht.

So bestehen aktuelle Objektive aus einer Kombination vieler Linsen die jeweils feste Eigenschaften aufweisen. Während zum Beispiel das Canon 2,8/28 mm aus 5 Elementen konstruiert ist, sind es 23 Elemente in einem Sigma 2,8/120–300 mm.

© http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Negative.lens.svg&filetimestamp=20051114225201

Eine Linse hat immer zwei Oberflächen, in die das Licht ein- bzw. austritt. Die Linsen­oberfläche einer Seite kann plan, konkav oder konvex sein. Plan bedeutet, dass die Ober­fläche nicht gewölbt ist und senkrecht zur Hauptachse steht. Eine konkave Oberfläche ist zur Mitte der Linse hin gewölbt, während konvex nach außen gewölbt ist. Bei der Angabe einer Linsenform werden die beiden Angaben in Reihenfolge des auftreffenden Lichtstrahls kombiniert. Eine plan-konvexe Linse ist also auf der Eintrittseite plan und auf der Austrittsseite konvex.

Linsenelemente

Bei einer einzelnen Linse können die wichtigsten Eigenschaften durch die Wahl des Ma­terials und der Oberflächenform auf zwei Seiten definiert werden. Um bestimmte Eigenschaften in einer Optik zu erreichen, werden einzelne Linsen zu Linsenelementen zusammengefasst. Dabei werden zwei Linsen entweder mittels Kleber so zusammengefügt, dass sie sich jeweils eine Oberfläche teilen oder so gefasst, dass sie einen sehr dünnen, definierten Abstand zueinander aufweisen, der mit Luft gefüllt ist.

Dadurch hat der Objektivdesigner mehr Möglichkeiten, die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, da nun drei bzw. vier Oberflächenformen und zwei verschiedene Materialien kombiniert werden können. Insbesondere Farbfehler durch unterschiedliche Eigenschaften von Linsen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts können so stark reduziert werden.

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 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.

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.

Material

Um die Abbildungsfehler zu senken, kombinieren die Objektivhersteller unterschiedlichste Glassorten, was aber zugleich den Preis in die Höhe treibt. Ein weiterer relevanter Kostenpunkt ist die Linsenfertigung.

Glassorten: Ein hoher Brechungsindex (ne) geht meist einher mit einer hohen Dispersion (e). Die Hauptunterscheidung erfolgt in Flint-Glas (F) und Kron-Glas (K), jeweils mit weiteren spezifischen Eigenschaften vorangestellt (z.B. PSK). © Nikon
Glassorten: Ein hoher Brechungsindex (ne) geht meist einher mit einer hohen Dispersion (e). Die Hauptunterscheidung erfolgt in Flint-Glas (F) und Kron-Glas (K), jeweils mit weiteren spezifischen Eigenschaften vorangestellt (z.B. PSK).

Die optischen Eigenschaften eines Objektivs werden durch die optischen Eigenschaften der einzelnen Linsen und Elemente bestimmt. Um diese zu beeinflussen variiert zum einen die Linsenform und zum anderen das verwendete Material. Je nach gewünschtem Effekt und technischer Machbarkeit wird dann die Linse aus verschiedenen Materialien gefertigt.

In den meisten Objektiven kommt Glas als Linsenmaterial zum Einsatz. Flint-Glas und Kron-Glas bilden zwei Hauptgruppen. Beide bestehen zum Großteil aus Quarz, jeweils durch Beimischungen in ihren optischen oder mechanischen Eigenschaften verändert. Flint-Glas hat einen höheren Brechungsindex als Kron-Glas, weist dafür aber auch eine stärkere Dispersion auf.

Da es deutlich einfacher zu verarbeiten und daher günstiger ist sowie komplexe Formen erlaubt, werden Objektivelemente oder komplette Objektive auch aus Kunststoff gefertigt. Die Optiken in Mobiltelefonkameras zum Beispiel bestehen zumeist aus Kunststoff.

Aufwendig in der Verarbeitung und damit teuer sind gezüchtete Kristalle (Flourit-Kristalle) als Linsenmaterial. Das verwendete Material hat für die optische Charakterisierung zwei Hauptmerkmale: Der Brechungsindex und die Dispersion.

Brechungsindex

Je größer der Brechungsindex, desto stärker wird ein Lichtstrahl beim Übergang in das Material gebrochen. Man spricht davon, dass das Glas optisch dichter ist als Luft. Beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medium in ein anderes, wird der Lichtstrahl in seiner Richtung verändert.

Brechung: Beim Übergang von einem Medium (Brechungsindex n) in eine anderes (Brechungsindex n‘) wird der gezeigte Lichtstrahl gebrochen. Das ist wegen der Dispersion nur für eine Lichtfarbe (Wellenlänge) gültig. © Uwe Artmann
Brechung: Beim Übergang von einem Medium (Brechungsindex n) in eine anderes (Brechungsindex n‘) wird der gezeigte Lichtstrahl gebrochen. Das ist wegen der Dispersion nur für eine Lichtfarbe (Wellenlänge) gültig.


Beim Übergang von Luft in Glas wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen, beim Austritt aus dem optisch dichteren Medium Glas in das optisch dünnere Medium Luft wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen. Definiert durch das Snelliussche Brechungsgesetz wird der Brechungsindex durch den Eintritts- und Austrittswinkel beim Übergang vom Vakuum in das zu beschreibende Medium. Oder alternativ ausgedrückt: als das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Geschwindigkeit im Medium.

Dispersion

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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Nikon kennzeichnet Ob­jektive mit diesem Element zum Beispiel mit „ED“ für „Extra-low Dispersion“, Canon nennt diese Elemente „UD“ für „Ultra-Low Dispersion“ und auch die anderen Hersteller verbauen Elemente mit geringer Dispersion. Beschrieben wird die Dispersion durch die Abbesche Zahl. Diese wird mittels der Brechungsindizes bei drei unterschiedlichen, definierten Wellenlängen des Lichts berechnet.

Linsenfertigung

Nun spielen bei der Optikfertigung nicht nur die gewünschten optischen Eigenschaften eine Rolle, sondern auch die mögliche Verarbeitung des Materials. Nicht jedes Material lässt sich gleich verarbeiten und benötigt unterschiedlich viel Aufwand. Je weniger Kompromisse bei den optischen Eigenschaften eingegangen werden, desto spezieller sind die verwendeten Glassorten und desto schwieriger wird die Fertigung.

Einfache Linsen aus Kunststoff können im Spritzgussverfahren in großer Stückzahl zu günstigem Preis gefertigt werden. So kann man erklären, warum komplette Kameramodule für Mobiltelefone für ein paar Dollar angeboten werden.

Aufwendigere Linsen aus Glas oder Kunststoff  werden geschliffen und poliert. Dabei wird der rotierende Glasrohling erst mit groben, dann mit immer feinerem Schleifmittel in Form gebracht und anschließend poliert. Abschließend wird die Linse zugeschnitten und so sicher gestellt, dass sich die optische Mitte der Linse auch in der physikalischen Mitte befindet.

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Je nach Glas oder Kunststoff kann die Formgebung auch durch Pressen erfolgen. Nicht alle Materialien erlauben dies, doch ist es für die Hersteller interessant, weil es eine günstige Produktion von asphärischen Linsen ermöglicht (parabelförmig gewölbte Oberfläche).

Nach der Politur wird die Linse oder das aus zwei Linsen zusammengesetzte Element vergütet. Diese Beschichtung reduziert Reflektionen und optimiert die Transmission.

Zukunft

Eine spannende Entwicklung sind Linsen aus Metamaterialien. Diese werden aus kleinsten Elementen zusammengesetzt, sodass diese sich für das Licht wie ein neues Element darstellen. Das erlaubt bisher für unmöglich gehaltene Eigenschaften, wie z. B. negative Brechungsindizes und damit grundlegende neue Objektivkonstruktionen. Bisher sind diese Elemente noch nicht außerhalb von Laboren zum Einsatz gekommen. Die Zukunft wird zeigen, ob und wie sich diese Materialien in großem Maßstab einsetzen lassen.

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Interessant sind auch variable Linsen. Diese Linsen verhalten sich wie unserer Augenlinse, können also durch Krafteinwirkung in ihrer Eigenschaft verändert werden. Das Konzept verspricht deutlich kleinere Konstruktionen, und es sind mittlerweile auch die ersten Mini-Objektive auf dem Markt. Ob diese überzeugen können und es die Technik dann auch in Foto-Objektive schafft, muss sich zeigen.

Objektivfertigung

Die Kombination von mehreren Linsen und Elementen macht das Objektiv aus. Die Abstände und Ausrichtungen zueinander müssen sehr genau eingehalten werden, was ein Objektiv zu einem feinmechanischen Gerät macht.

Metallfassungen lassen sich meist mit höherer Präzision fertigen, sind allerdings teurer und schwerer als Fassungen aus Kunststoff. Da Licht nicht immer zu 100% durch die Linse transmittiert wird, muss durch geschwärzte Halterungen versucht werden, die Reflexion an den verschiedenen Komponenten möglichst gering zu halten.

 
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