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Objektivtechnik für die digitale Welt

Mit dem Wechsel von der analogen zur digitalen Fotografie wurden auch die Anforderungen an die verwendeten Objektive neu definiert. Um die Leistung hoch auflösender Bildsensoren optimal auszuschöpfen, müssen zum Teil andere, zusätzliche Qualitätsparameter erfüllt werden als bisher.

Zum besseren Verständnis der veränderten Bedingungen für die Bilderfassung ein kleiner Ausflug in die Sensortechnik. Wie auch bisher, bestimmen das Aufnahmeformat des Sensors und die Brennweite die Größe des erfassten Bildausschnitts und damit auch den Abbildungsmaßstab, der wiederum in Abhängigkeit von der für die Aufnahme verwendeten Blende die Schärfentiefe beeinflusst. Anders als in den letzten Jahrzehnten der analogen Fotografie, wo das Kleinbildformat vorherrschend war und daher jeder mehr oder weniger mit dem Zusammenhang von Brennweite und erfasstem Bildwinkel vertraut war, hat sich die Zahl der in der professionellen und privaten Fotografie verwendeten Formate deutlich erhöht. So werden in der allgemeinen digitalen Fotografie mehrheitlich Sensoren eingesetzt, deren Bildfläche kleiner ist als das bisher in diesem Bereich übliche Kleinbildformat mit 24 x 36 mm. Das hat zur Folge, dass Objektive gleicher Brennweite an Kameras mit kleineren Sensoren auch einen kleineren Bildausschnitt erfassen als mit einer Kleinbildkamera. Die Bildwirkung entspricht in einem solchen Fall der einer längeren Brennweite. Bei längeren Brennweiten kann die größere Telewirkung als Vorteil gesehen werden, da mit ihnen ein größerer Teleeffekt erreicht wird. In der Weitwinkelfotografie bedeutet das vor allem bei den extrem kurzen Brennweiten einen sichtbaren Verlust der Weitwinkelwirkung. Die zunehmende Anzahl kleinerer Aufnahmeformate verlangt also nach neuen Objektiven mit extrem kurzen Brennweiten. Was für den Vergleich mit den Kleinbildsystemen gilt, trifft im gleichen Maße auch auf die Mittel- und Großformatfotografie zu. Auch hier verlangen neue Aufnahmeformate neue Objektivberechnungen.

Die Guten ins Töpfchen
Die lichtempfindlichen Elemente eines Sensors oder Pixel sind wie kleine Töpfchen oder Röhrchen zu beschreiben, die das vom Objektiv projizierte Licht sammeln. Je schräger die Strahlen auf die Röhrchen fallen, umso weniger Licht dringt bis zur lichtempfindlichen Schicht am Boden eines Pixels vor. Ein Lichtabfall am Rand, wo die Strahlen gemeinhin schräger auftreffen, ist die Folge. Während der Film auch schräg auftreffende Lichtstrahlen mit gleicher Helligkeit erfasst, führt dies bei digitalen Kameras zu Vignettierungen. Dieser Effekt wird bei größeren Aufnahmeformaten stärker, da die Lichtstrahlen hier zum Rand hin stärker gebrochen werden müssen, um auch in die äußersten Ecken des Sensors zu gelangen. Dem begegnet die Industrie gleich mit mehreren Maßnahmen.

Die einzelnen Pixel der Sensoren werden mit Mikrolinsen versehen, damit sie das Licht besser einfangen können. Die Objektive werden mit Informationssystemen ausgestattet, die mit dem Prozessor der Kamera kommunizieren. Dieser kann daraus ermitteln, wo er bei der Entwicklung des Bildes in der Kamera die Empfindlichkeit der Pixel erhöhen muss, um einen Lichtabfall zum Rand zu vermeiden. Auch andere Objektivschwächen, wie etwa leichte Verzeichnungen, können so rechnerisch ausgeglichen werden. Doch nach wie vor gilt: Je besser das projizierte Bild erfasst werden kann, umso einfacher ist es, daraus ein perfektes Foto zu entwickeln.

Neue Gläser
Glas zählt zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit. Für optische Geräte wird besonders reines Glas mit hoher Durchlässigkeit und verschiedenen Brechungseigenschaften aber auch bestimmten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Härte und Kratzfestigkeit, benötigt. Neue Gläser finden sich heute bei den Objektiven, die zum Teil abweichende Reflexions- beziehungsweise Brechungsindices besitzen. Der Fortschritt bei der Entwicklung und Herstellung neuer optischer Gläser, macht neue Objektivberechnungen möglich und schuf die Voraussetzungen für Objektive mit verbesserten Abbildungsleistungen. Zu neuen optischen Gläsern gesellten sich auch neue optische Kunststoffe, die sich leichter als Glas formen lassen.

Zu neuen Materialien kommen auch neue Verfahren bei der Linsenherstellung mit sehr speziellen, bisher nur schwer zu erreichenden Linsenformen. Durch innovative Verfahren lassen sich Linsen mit von der Kugelform abweichenden Oberflächen inzwischen pressen, gießen oder mit Laserverfahren formen. Hybrid-Linsen aus Verbindungen von Gläsern und aufgebrachten optischen Kunststoffen haben die Möglichkeiten der Entwickler zur Schaffung von Objektiven mit höherer Leistung erweitert. Das Ergebnis: kleinere Zooms mit größeren Brennweitenbereichen.

Spezielle Schichten
Jede Glasoberfläche lässt nur einen Teil der auftreffenden Lichtstrahlen durch. Ein kleiner Teil wird reflektiert. Durch das Auftragen spezieller Schichten auf die Linsenoberflächen werden die Reflexionseigenschaften der Linse optimiert. Gleichzeitig wird aber auch die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen mechanische Beschädigungen, wie Kratzer, verbessert. Die sogenannte Vergütung steuert die Farbeigenschaften und sorgt neuerdings durch die Lotusblütentechnik dafür, dass Feuchtigkeit und Wassertropfen abperlen. Schmutz setzt sich nicht fest und kann so leichter und gefahrloser entfernt werden, ohne dass befürchtet werden muss, die Linsenoberfläche zu beschädigen.

Da Objektive aus komplexen Linsensystemen bestehen, wo bei allen Glasluftflächen innerhalb der Konstruktion Reflexionen entstehen können und auch der Sensor selbst Lichtstrahlen in einem gewissen Umfang unkontrolliert reflektiert, kommt es innerhalb des Objektivs zu herumirrenden Lichtstrahlen. Sie mindern die Kontrastleistung des Objektivs und führen zu flauen, unscharf wirkenden Abbildungen. Auch die unschönen Blendenflecken können den Bildeindruck durch minderwertige Vergütung verschlechtern. Um vagabundierende Lichtstrahlen und deren negative Auswirkung auf die Bildqualität zu vermeiden, werden spezielle Lackfarben verwendet, die unerwünschte Reflexionen in Tubus und an den Linsenrändern ausschließen. Reflexionen durch die Sensoroberfläche werden dadurch aber nicht vermieden. Innovative Beschichtungsmethoden der dem Sensor zugewandten Linsenoberflächen sorgen bei modernen Objektivkonstruktionen dafür, die störenden Lichtstrahlen auszuschalten.

Mit dem Boom der digitalen Spiegelreflexkameras mit wechselbaren Objektiven erfuhr auch die optische Industrie einen gewaltigen Schub, der sich in innovativen Objektivkonstruktionen mit verbesserten Abbildungsleistungen bei höheren Lichtstärken und größeren Brennweitenbereichen bei kleinerer Bauweise niederschlägt.
 

Digitalfotografie 03 / 2009

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Ab in die Tiefe, Jörg Teubert

Blende ,"Ab in die Tiefe"
Jörg Teubert