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Lexikon der Optik: photographisches Objektiv

photographisches Objektiv, Photoobjektiv, ein Objektiv, das in Aufbau und Korrektion den besonderen Bedingungen der Photographie angepaßt ist. Das p. O. ist der Hauptbestandteil der photographischen Kamera. Es hat die Aufgabe, eine vorgegebene Objektebene, die auch im Unendlichen liegen kann, mit ausreichender Bildqualität in eine Bildebene (Filmebene) abzubilden. Neben einer entsprechenden Korrektion des Öffnungsfehlers und der Koma muß eine gute anastigmatische Bildfeldebnung gewährleistet sein. Die Verzeichnung darf normalerweise 5% nicht überschreiten. Die Korrektion des Farbfehlers erfolgt in der Regel für den Wellenlängenbereich von ca. 436 bis 656 nm. P. O. für Sonderanwendungen, z.B. für die Röntgenschirmbild- oder die IR-Photographie, werden in ihrer spektralen Korrektion der Eigenart der jeweiligen Strahlung angepaßt. P. O. für die Farbphotographie müssen eine möglichst neutrale Farbwiedergabe aufweisen. Kommerzielle p. O. sind in der Regel für große Objektentfernungen optimal korrigiert. Die Kennzeichnung erfolgt neben dem Markennamen durch Öffnungsverhältnis bzw. Blendenzahl und Brennweite, z.B. Tessar 1:2,8 f=5 cm oder Tessar 2,8/50 (ohne Dimension ist die Angabe in mm gemeint). Die tatsächliche Brennweite kann bis zu 6% vom aufgravierten Wert abweichen.

Die Bildebene sollte durch das p. O. möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Das ist nur begrenzt möglich. Einmal wirkt der natürliche Lichtabfall infolge des cos4-Gesetzes, andererseits läßt sich aus technischen und konstruktiven Gründen eine gewisse Vignettierung nicht vermeiden. Unter Berücksichtigung aller Faktoren muß bei einem p. O. die Bestrahlungsstärke in der Bildecke noch mindestens 20% derjenigen in der Bildmitte betragen.

Die Einteilung der p. O. kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden:

1) Einteilung nach Typen. Auf Grund der Forderung nach einer einigermaßen scharfen und ebenen Abbildung eines größeren Feldes muß man für einfache p. O. solche Linsenformen auswählen, die unter Verzicht auf eine optimale Mittenschärfe ein größeres Bildfeld durch brauchbare Abbildungsqualität auszeichnen. Für Boxkameras kommen bei relativen Öffnungen von maximal 1:9 durchgebogene Menisken zum Einsatz, entweder mit Vorderblende und mit der Höhlung zum Objekt, oder mit der erhabenen Seite zum Objekt und entsprechend mit Hinterblende (Wollastonsche Menisken, Abb. 1). Werden solche Menisken achromatisiert, so erhält man die Landschaftslinsen, die eine große Bedeutung in der Anfangszeit der Photographie hatten. Die weitere Entwicklung ging in Richtung der Erhöhung der Lichtstärke und einer anastigmatischen Feldkorrektur. In diesem Zusammenhang verdient das sehr früh (um 1840) erschienene Petzval-Objektiv mit der sensationellen Lichtstärke 1:3,4 hervorgehoben zu werden.

Eine Leistungssteigerung im Bildfeld erfolgte durch die symmetrischen Objektive, die als Vorläufer der Doppelanastigmate gelten können. Bei diesen verschwinden die unsymmetrischen Bildfelder wie Koma, Verzeichnung und Farbquerfehler weitestgehend (strenggenommen nur für die 1:1-Abbildung). Ordnet man zwei Wollastonsche Menisken symmetrisch zur Blende an, so erhält man das 1865 von H.A. Steinheil angegebene Periskop. Öffnungs- und Farbfehler sind nicht korrigiert, deswegen war dieses Objektiv nur bei kleinen relativen Öffnungen anwendbar. Die Korrektur von Öffnungs- und Farbfehler erreichte Steinheil 1866 durch Einführung zerstreuend wirkender Kittflächen. Der damit geschaffene Aplanat (Abb. 2) hatte eine Lichtstärke (Öffnungsverhältnis) 1:4,5, zeigte jedoch gegenüber dem Periskop eine ungünstigere anastigmatische Bildebnung.

Grundlegend für die modernen p. O. wurde der Anastigmat. Bei ihm ist neben der Korrektur der sphärischen Aberration auch eine anastigmatische Ebnung des Bildes über ein größeres Feld erreicht. Wesentlich ist dabei die verringerte Petzval-Summe, für deren Minimierung verschiedene Prinzipien zur Anwendung kommen: einmal die Wahl einer geeigneten Linsenform (Prinzip des Höeghschen Meniskus), zum anderen der Einsatz spezieller optischer Gläser (hochbrechende Kron- und niedrigbrechende Flintgläser). Zu den Anastigmaten ist deshalb auch das aus zwei Höeghschen Menisken symmetrisch zusammengesetzte Hypergon der Firma Goerz zu rechnen, bei dem die Petzval-Summe verschwindet und das Bild bis zu einem FeldwinkelP=135° vollständig anastigmatisch geebnet ist. Da das Objektiv sphärisch nicht korrigiert ist, bleibt seine Anwendung auf kleine relative Öffnungen 1:22 bis 1:32 beschränkt. Nichtsdestoweniger stellt es die Grundform einer Gruppe von Weitwinkelobjektiven dar, zu denen u.a. das Topogon gehört (Abb. 3). Der Doppelanastigmat zeichnet sich dadurch aus, daß er sphärisch korrigiert ist und bei einem mittleren Öffnungsverhältnis eine gute anastigmatische Bildfeldebnung und Verzeichnungsfreiheit bis zu relativ großen Feldwinkeln zeigt. Er besteht aus zwei symmetrischen oder nahezu symmetrischen (d.h. hemisymmetrischen) ein- oder mehrgliedrigen Objektivhälften, die die Blende einschließen (Abb. 4). Zu den Doppelanastigmaten gehört das aus nur zwei Gliedern bestehende Dagor der Firma Goerz, das symmetrische Unofokal wie auch das hemisymmetrische Selenar der Firma Steinheil. Die letzte Bauform findet heute noch Anwendung bei vielen Reproduktionsobjektiven.

Durch Aufspaltung der zerstreuend wirkenden Kittflächen beim Dagor erhält man das Orthometar (Abb. 5), das mit der relativen Öffnung 1:4,5 und der Brennweite f=210 mm auch als Luftbildobjektiv verwendet wurde. Modifikationen dieses Objektivtyps werden wegen der kompakten Bauform auch heute noch für Großformatkameras und als anspruchsvolle Vergrößerungsobjektive benutzt. Beim Aristostigmat der Firma Meyer (Abb. 6) werden die Objektivhälften des Doppelanastigmaten durch die Grundform des Gaußschen Fernrohrobjektivs gebildet. Das eigentliche Doppel-Gauß-Objektiv stellt eine Weiterentwicklung des Aristostigmaten hin zu hohen Lichtstärken dar. Bei diesem sind die der Blende benachbarten Menisken dicker und enthalten zur besseren Korrektionsmöglichkeit des Farbfehlers Kittflächen, die auch aufgespaltet werden können. Bekannt geworden ist das Biotar (Abb. 7). Modifizierte Doppel-Gauß-Objektive werden heutzutage fast ausschließlich als Standardobjektive für Kleinbildkameras eingesetzt, bis zu relativen Öffnungen 1:1,8 in 6linsiger, bei höheren Öffnungsverhältnissen um 1:1,4 in 7linsiger Ausführung (Abb. 8).

Das Triplet, ursprünglich als Cooke-Linse bezeichnet, ist eine von H.D. Taylor 1894 angegebene Form eines unsymmetrischen Anastigmaten mit einer bemerkenswert guten Korrektion von Koma und Astigmatismus über ein größeres Bildfeld. Es ist aus nur drei Linsen aufgebaut, von denen die beiden äußeren sammelnde und die innere zerstreuende Wirkung haben. Die erste, 1894 erschienene Ausführung mit der relativen Öffnung 1:4 zeigt äußerlich einen nahezu symmetrischen Aufbau und ähnelt sehr den modernen lichtstarken Triplets. Die folgenden Varianten aus dem Jahre 1895 weisen erhebliche Abweichungen von der Symmetrie auf (Abb. 9). Bei ihnen ist der erste Luftraum extrem klein, der zweite groß. Diese Varianten haben eine geringere Lichtstärke, dafür aber ein größeres Bildfeld mit einem Feldwinkel bis 60°. Die guten Eigenschaften des Triplets und sein einfacher Aufbau bewirkten, daß es Ausgangspunkt vieler moderner Objektivkonstruktionen wurde. In der dreilinsigen Ausführung konnte die Lichtstärke auf 1:3,5 und darüber hinaus gesteigert werden. Am weitesten verbreitete sich die als Tessar bekanntgewordene Variante, bei welcher die Hinterlinse als Neuachromat ausgeführt ist. Eine weitere Tripletmodifikation ist das Sonnar.

Neben diesen historischen Grundtypen gibt es unzählige Objektivformen, die keinem Typ mehr direkt zugeordnet werden können, die Übergangsformen darstellen und meist auf Grund von Anforderungen der Anwender entstanden sind. Dazu gehören u.a. die zahlreichen Varianten der Teleobjektive und der umgekehrten Teleobjektive (Retrofokusobjektive).

2) Einteilung nach Leistungsparametern. Hierbei wird meist der Feldwinkel herangezogen, und man unterscheidet:

a) Normalobjektive (Standardobjektive, Universalobjektive). Diese Gruppe umfaßt p. O. mit einem Feldwinkel 2σP von 40° bis 55°, wobei die Brennweite gleich oder etwas größer als die Formatdiagonale ist.

b) Weitwinkelobjektive. Sie erfassen einen objektseitigen Feldwinkel 2σP von über 55° bis zu etwa 90°. Objektive mit einem noch größeren Feldwinkel bezeichnet man oft als Überweitwinkel- oder Superweitwinkelobjektive.

Für Weitwinkelaufnahmen kommen bei mäßigen Feldwinkeln Doppelanastigmate oder spezielle Doppel-Gauß-Objektive, bei größeren echte Weitwinkelobjektive wie z.B. das Topogon (s.o.) oder das Biogon (s.u.) zum Einsatz. Bei Weitwinkelaufnahmen wirkt sich bezüglich der Bildfeldausleuchtung bereits der natürliche Lichtabfall gemäß dem cos4-Gesetz ungünstig aus. Um dieser Erscheinung entgegenzuwirken, wurden Objektivtypen geschaffen, bei denen eine optische Vergrößerung der Eintrittspupille mit wachsendem Feldwinkel bewirkt wird. Solche Weitwinkelobjektive symmetrischer Bauart erkennt man daran, daß die erste und die letzte Linse zerstreuende Menisken sind. Ein Beispiel hierfür ist das neue Biogon (Abb. 10).

Weitwinkelobjektive für einäugige Spiegelreflexkameras erfordern besondere Konstruktionen. Bei diesen muß die bildseitige Schnittweite größer als die Brennweite sein, m.a.W., der bildseitige Hauptpunkt muß hinter dem Objektiv liegen. Man erreicht dies, ähnlich wie bei einem umgekehrten Teleobjektiv, durch die Anordnung von Linsen negativer Brechkraft vor einem Grundobjektiv. Solche Objektivkonstruktionen bezeichnet man auch als Retrofokusobjektive. Zu diesen gehören alle Weitwinkelobjektive für einäugige Spiegelreflexkameras, die die ungehinderte Verwendung des Klappspiegels erlauben (Abb. 11). Zu den Weitwinkelobjektiven zählen u.a. auch die Fischaugenobjektive.

c) Schmalwinkelobjektive oder langbrennweitige Objektive. Sie haben Feldwinkel unter 40°. Unmittelbar an die Normalobjektive schließen sich zunächst die Porträtobjektive an. Weiter gehören dazu die Objektive mittellanger Brennweite, oft als Teleobjektive bezeichnet, sowie die echten Fernobjektive mit Feldwinkeln kleiner als 10°, die zur Aufnahme weit entfernter Objekte dienen. Die langbrennweitigen p. O. werden zur Verringerung der Bauabmessungen gern in Telebauweise ausgeführt, wobei der hintere Hauptpunkt noch vor dem dingseitigen Linsenscheitel des Objektivs liegt. Als Televerhältnis bezeichnet man den Abstand vom ersten Linsenscheitel bis zur Bildebene im Verhältnis zur Brennweite. Ein günstiges (kleines) Televerhältnis erreicht man durch ein sammelndes Vorderglied (Telepositiv), dem ein zerstreuendes Hinterglied (Telenegativ) in großem Abstand nachgeordnet ist (Abb. 12). Auch durch einige auf dem Triplet aufbauende Konstruktionen wie die des Sonnars kann man Telebauweisen erreichen. Um langbrennweitige p. O. hinsichtlich der Entfernungseinstellung handlicher zu gestalten, werden diese mit Innenfokussierung konzipiert.

d) Lichtstarke p. O. In den 30er Jahren, als Standardobjektive für Kleinbildkameras Öffnungsverhältnisse von 1:3,5 bis maximal 1:2,8 aufwiesen, galten p. O. mit relativen Öffnungen von 1:2 bis 1:1,5 als lichtstark bzw. ultralichtstark. Heute gehören solche Objektive zur Standardausrüstung der Kleinbildkameras, so daß diese Leistungsgruppe nicht mehr die ehemalige Bedeutung hat. Die eigentlichen lichtstarken p. O. sind meist Spezialanwendungen vorbehalten und daher nicht universell einsetzbar.

e) Satzobjektive. Dies ist die Bezeichnung für die Bauform eines p. O., bei dem sich durch Auswechseln einiger Glieder, vorzugsweise des Vordergliedes, verschiedene Brennweiten erzielen lassen. Anwendung fanden Satzobjektive in Zentralverschlußkameras, bei denen lediglich das Vorderglied ausgewechselt wurde, während das Grundobjektiv mit Verschluß in der Kleinbildkamera verblieb.

f) Objektive mit veränderlicher Brennweite (Varioobjektive, Zoom-Objektive). Sie blieben anfangs dem Einsatz beim Film vorbehalten. Erst nachdem kompakte Objektivkonstruktionen geschaffen und die optische Korrektur so weit verbessert war, daß sie mit Objektiven fester Brennweite konkurrieren konnten, fanden Varioobjektive immer mehr Eingang in die Kleinbildphotographie.

3) Einteilung nach Sonderanwendungen. Letztere sind meist an spezielle photographische Techniken gebunden. Hier unterscheidet man neben den bisher genannten p. O. für professionelle und Amateurphotographie u.a. die folgenden Gruppen: Makroobjektive sind spezielle, auf endliche Abbildungsmaßstäbe optimal korrigierte p. O. für kommerzielle Kameras. Reproduktionsobjektive sind Spezialobjektive für die Reproduktion (photographische Kamera). Dokumentationsobjektive dienen zur Aufnahme von Schriftstücken auf Kleinbild- oder Kleinstbildfilm (Mikrofilm). Solche Objektive müssen ein hohes Auflösungsvermögen von 100 Linien/mm und mehr besitzen und sind nur für einen vorgesehenen Bereich des Abbildungsmaßstabes verwendbar. Zu den p. O. gehören ferner die Luftbildobjektive und die Objektive für photogrammetrische Meßkammern. Es handelt sich hierbei um Spezialentwicklungen, die hochgradig verzeichnungsfrei sind, ein hohes Auflösungsvermögen und eine möglichst günstige Lichtverteilung über das Bildfeld besitzen.

Als Vergrößerungsobjektive verwendet man normalerweise einfache p. O., die aber weit abgeblendet werden sollten, da sie für die entsprechenden Abbildungsmaßstäbe nicht korrigiert sind. Für hohe Ansprüche gibt es speziell angepaßte Ausführungen. Kinoobjektive unterscheiden sich weder in der Bauart noch in der Leistung wesentlich von normalen p. O. Bezogen auf die Brennweite sind die Abmessungen meist größer, die Lichtstärken höher. Für Fernsehobjektive gilt das gleiche wie für Kinoobjektive. Bei CCD-Kameras wird die Farbkorrektur mehr auf die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers abgestimmt. P. O. im Sinne des Wortes sind auch die Objektive für die Photolithographie. Sie dienen zur Herstellung integrierter Mikroschaltkreise. Sie müssen eine hohe Apertur besitzen und das der Apertur entsprechende ideale Auflösungsvermögen (1000-2000 L/mm) erreichen. Verzeichnungsfreiheit ist auf Bruchteile von Mikrometern zu gewährleisten. Derartige Mikroreproduktionen erfolgen auf lichtempfindlichen Photolackschichten, die nur im kurzwelligen Spektralbereich (Wellenlänge 550 nm und kürzer, bis zum UV-Gebiet) empfindlich sind.

4) Einteilung nach dem Wirkprinzip. Hierbei unterscheidet man p. O., bei denen die physikalischen Gesetze der Lichtbrechung und solche, bei denen die der Reflexion wirken. Zur ersten Gruppe gehören fast alle kommerziellen p. O., zur zweiten die Spiegelobjektive. Da hier in der Regel beide Wirkprinzipien zur Anwendung kommen, spricht man von Spiegellinsenobjektiven oder katadioptrischen Systemen. Spiegelobjektive finden hauptsächlich als Fernobjektive Anwendung, da sie sich durch eine im Verhältnis zur Brennweite kurze Baulänge auszeichnen und der Farbfehler verschwindend gering ist. Öffnungsverhältnisse bis 1:4 sind möglich. Nachteilig ist, daß die Pupille durch den Gegenspiegel zentral abgeschattet wird, weswegen eine veränderliche Öffnungsblende nicht angebracht werden kann. Die Regelung der Belichtung erfolgt durch einschwenkbare Filter (Abb. 13). Neben diesen geradsichtigen Spiegelobjektiven gibt es auch Schiefspiegler, bei denen die optische Achse seitlich versetzt wird und die nur kleine Öffnungsverhältnisse ermöglichen.



Photographisches Objektiv 1: Wollastonsche Menisken; links: mit Vorderblende, rechts: mit Hinterblende.



Photographisches Objektiv 2: Symmetrische Doppelobjektive; links Periskop, rechts Aplanat.



Photographisches Objektiv 3: Anastigmatische Doppelobjektive mit großem Bildfeld; links Hypergon, rechts Topogon.



Photographisches Objektiv 4: Doppelanastigmate; links Dagor, rechts Objektivtyp des Unofokal und des Selenar.



Photographisches Objektiv 5: Orthometar.



Photographisches Objektiv 6: Aristostigmat.



Photographisches Objektiv 7: Biotar 1:1,4 von W. Merté.



Photographisches Objektiv 8: Prakticar 1:1,4; f=50 mm, eine 7-linsige Variante eines Doppel-Gauß-Objektivs für einäugige Spiegelreflexkameras.



Photographisches Objektiv 9: Triplets; links Cooke-Linse von 1894 (relative Öffnung 1:4), rechts Cooke-lens von 1895.



Photographisches Objektiv 10: Biogon 1:4,5/21 mm.



Photographisches Objektiv 11: Schnittzeichnung des Flektogon 2,8/20 mit einem axialen und einem unter dem Feldwinkel σp=46,5° einfallenden außeraxialen Bündel. Der Feldwinkel im Bildraum ist deutlich kleiner als im Objektraum. Der bildseitige Hauptpunkt H' liegt hinter dem Objektiv.



Photographisches Objektiv 12: Aufbau eines Teleobjektivs aus einem Telepositiv A und einem Telenegativ B. Der hintere Hauptpunkt H' liegt vor dem Objektiv (F' Brennpunkt).



Photographisches Objektiv 13: Strahlengang im Zeiss-Spiegelobjektiv 4/500. 1, 2 Korrektionslinsen, 3 Hauptspiegel, 4 Fangspiegel, 5 Filterrevolver, 6 Feldlinse.

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