Objektiv (Optik)

Weitwinkelobjektiv an einer Großformatkamera

Das Objektiv eines Licht-Mikroskopes

Projektionsobjektiv eines Diaprojektors der 1960er Jahre

Lichtstarkes Foto-Normalobjektiv mit maximal geöffneter Blende

Zoomobjektiv für digitale Spiegelreflexkameras

Nikon-Tilt-Shift-Objektiv

Objektiv mit M-39-Schraubgewinde für Vergrößerungsgeräte

Makroobjektiv, Tele und Weitwinkel (v. l. n. r.) im Vergleich

Ein Objektiv ist ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Gegenstandes (Objektes) erzeugt. Es ist die wichtigste Komponente abbildender optischer Geräte, zum Beispiel von Kameras, Ferngläsern, Mikroskopen, Projektoren oder astronomischen Teleskopen. Das Wort Objektiv ist eine verkürzte Form von Objektivglas, das seit dem 18. Jahrhundert bezeugt ist. Das Objektivglas ist die dem Gegenstand (Objekt) zugewandte Linse.

Das einfachste Objektiv ist eine einzelne Sammellinse, wie sie um 1608 die ersten Fernrohre hatten. Bestandteile eines Objektivs können jedoch sowohl Linsen, als auch Spiegel oder (seltener) Beugungsgitter sein, die sich je nach Einsatzzweck in einem oder mehreren Tuben befinden, der innen geschwärzt und gerippt ist, um Streulicht zu reduzieren. Die Hauptmerkmale eines Objektivs sind dessen Brennweite, die für einen gegebenen Objektabstand den Abbildungsmaßstab bestimmt, und die Apertur (freie Öffnung der Frontlinse).

Wichtige weitere Eigenschaften sind:

• die Bildqualität (geringe Abbildungsfehler): eine geeignete Kombination mehrerer Linsen unterschiedlicher Brechungsindizes, Dicken und Krümmungsradien dient zur Verringerung optischer Abbildungsfehler
• geringes Streulicht (wichtig bei Gegenlicht, erreichbar durch geschwärzte Blenden und Vergütung).

Brennweite und Scharfstellung

Die Größe des Bildes wird von der Größe des Bildwinkels und des Bildfensters bzw. der Sensorgröße bestimmt. Als Näherung gilt, dass Gegenstände, die optisch „im Unendlichen“ liegen (als Faustformel Entfernungen größer als das 20fache der Brennweite), direkt in der Fokalebene des Objektivs abgebildet werden, die auch seinen Brennpunkt (Fokus) enthält. Näher gelegene Objekte bilden sich erst etwas hinter dem Brennpunkt ab, wobei sich diese Bildweite b aus der Entfernung (Gegenstandsweite g) und der Linsengleichung ergibt

$\frac 1b + \frac 1g = \frac1f$.

Ebenso wie das Objekt ist das erzeugte Bild dreidimensional. Es kann aber nur in einer Ebene, der Bildebene, betrachtet bzw. fotografiert werden und erfordert daher - je nach Entfernung des Objekts - eine Scharfeinstellung (Fokussierung):

• bei Fernrohren und Ferngläsern durch Verschieben des Okulars (das die Funktion einer Lupe hat)
• bei Kameras durch Verschieben von Linsen oder optischer Gruppen im Objektiv
• bei Mikroskopen durch Verschieben des ganzen optischen Systems (Veränderung von g).

Die Verschiebung erfolgt manuell durch ein feines Gewinde, bei Geräten mit Autofokus durch kleine Schrittmotoren. Frühere Kameras hatten einen auf Metallstangen laufenden Auszug (Balgen), der manchmal auch für Objektive verschiedener Brennweite zu benutzen war. Das Balgenprinzip wird auch heute noch in der Großbild- und Makrofotografie genutzt.

Systematik

Man unterscheidet Objektive primär nach ihrem Verwendungszweck:

• fotografisches Objektiv: Kamera- oder Fotoobjektiv (für Himmelsaufnahmen: Astrograf)
• Feldstecher- und Fernrohrobjektiv (bei Fernrohren)
• Hauptspiegel oder Teleskopspiegel (bei Spiegelteleskopen)
• Mikroskopobjektiv
• Projektionsobjektiv (für Dia- und andere Projektoren).

Systematik von Fotoobjektiven

Bei Fotoobjektiven unterscheidet man weiter nach dem Bildwinkel, der bei gegebenem Bildformat die Brennweite bestimmt:

• Normalobjektiv
• Tele- bzw. Fernobjektiv
• Weitwinkelobjektiv und
• Fischaugenobjektiv.

Diese vier Kategorien gelten für Objektive mit fester Brennweite. Populärer unter heutigen Amateurfotografen sind jedoch Zoomobjektive, die eine Veränderung der Brennweite erlauben und je nach deren Bereich auch mehrere der genannten Kategorien abdecken können. Zoomobjektive werden auch nach ihrem relativen Brennweitenbereich kategorisiert (z.B. Zoomobjektiv 1:3) und sind umso schwerer und teurer, je lichtstärker sie sind.

Fotografische Objektive werden auch nach konstruktiven Merkmalen unterschieden, z. B.

• Spiegellinsenobjektiv
• Makroobjektiv
• Tilt- und Shift-Objektiv
• Infrarotobjektiv
• Objektive mit integrierter Bildstabilisierung
• Objektivanschluss
• Electric-Objektive (mit elektrischer Übertragung von Blendenwert etc. an die Kamera).

Weitere Eigenschaften sind die fotografische Lichtstärke (= Öffnungsverhältnis) und die Naheinstellgrenze, welche bestimmt, wie nah man an das Motiv „herangehen“ kann, siehe „Makroobjektiv“.

Grundkonstruktionen

Ein an einer DSLR montiertes Wechselobjektiv mit sehr flacher Bauweise, ein sogenanntes „Pancake“ (inkl. Streulichtblende)

Das 30cm-Objektiv (1:2,5/75cm) der Satellitenkamera BMK 75 von Zeiss Oberkochen

• Achromat
• Aplanat
• Apochromat
• Aristostigmat
• Biogon
• Biotar
• Distagon
• Frontar
• Gaußsches Doppelobjektiv
• Heliar
• Hypergon
• Pankratisches System (umgangssprachlich: "Zoomobjektiv")
• Petzval-Objektiv
• Periskop (Objektiv) (Symmetrisches Doppelobjektiv)
• Plasmat
• Protar
• Sonnar
• Telezentrisches Objektiv (Messtechnik)
• Tessar
• Cooke-Triplet

Verwendung

Ein Projektor benutzt ein Objektiv, um ein stehendes oder bewegtes Bild vergrößert auf eine Wand zu projizieren.

In einem Mikroskop oder einem Teleskop betrachtet man das durch das Objektiv erzeugte reelle Bild sehr kleiner oder weit entfernter Objekte durch ein Okular, ein weiteres Linsensystem. Beim Mikroskop hat das Objektiv verglichen mit dem Okular eine kurze Brennweite, beim Teleskop hat es die größere Brennweite. Bei beiden liegt die Bildebene in der Nähe des Okulars.

Das Objektiv ist Teil von Fotoapparaten, Digital- und Videokameras. Es erzeugt dort ein reelles Bild in der Bildebene, wo sich der lichtempfindliche Film oder ein Bildsensor befindet.

Geschichte und Entwicklung

Teleskopobjektive

Die Suche nach leistungsfähigen Objektiven wurde von Anfang des 17. Jahrhundert von den Bedürfnissen der Astronomie bestimmt. Die ersten Objektive waren noch einteilige Sammellinsen aus Glas, und zeigten starke chromatische und sphärische Aberrationen. Es gab verschiedene Weiterentwicklungen, um diese zu beseitigen oder zu minimieren:

• die Verwendung langer Brennweiten mit kleinen Öffnungen, wie das Luftteleskop von Johannes Hevelius mit 45 m Länge, Mitte des 17. Jahrhunderts,
• um 1668 das Spiegelobjektiv von Newton, welches durch die Verwendung von einem Hohlspiegel prinzipbedingt keine chromatische Aberration aufweist. Anfang des 18. Jahrhunderts gelang den Brüdern John, George und Henry Hadley die Korrektur der sphärischen Aberration bei Spiegelobjektiven durch eine parabolische anstelle der wesentlich einfacher herzustellenden sphärischen Oberfläche.
• Ebenfalls Anfang des 18. Jahrhunderts die Entwicklung von Achromaten, zwei miteinander verbunden Linsen aus unterschiedlichen Glassorten, welche die chromatische Aberration bei zwei Wellenlängen vollständig korrigiert und in dem umliegenden Bereich minimiert. Dieser Verbund zweier Linsen minimiert zudem die sphärische Aberration.

Die Herstellung großer achromatischer Linsen gelang erst Anfang des 19. Jahrhunderts.^[1] Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden dann Teleskop-Objektive mit Linsen von einem Durchmesser bis zu einem Meter gebaut, Spiegelteleskopobjektive mit einem Durchmesser von beinahe 2 Meter.

Karl Schwarzschild untersuchte um 1900 Abbildungsfehler in Teleskopobjektiven, seine Analysen führten George Willis Ritchey und Henri Chrétien zu der nach ihnen benannten Spiegelkonfiguration, welche die dominantesten Abbildungsfehler minimierte und Beobachtungen mit größerem Bildwinkel zuließ. Diese Konfiguration diente als Grundlage vieler moderner Spiegelteleskope, bis hin zu einem Durchmesser von annähernd 10 Meter.

Mikroskopobjektive

Mikroskope, zusammengesetzt aus Objektiv und Okular, waren schon seit Anfang des 17. Jahrhunderts bekannt, in der Bildqualität aber einfachen, einer Lupe ähnelnden Mikroskopen unterlegen. Dies änderte sich mit der wissenschaftlichen Untersuchung von Abbildungsfehlern und der Berechnung von abbildungsfehlerarmen Mikroskopobjektiven durch Ernst Abbe, Ende des 19. Jahrhunderts. Kurze Zeit darauf gelang es Otto Schott, Glassorten zu entwickeln, mit denen er ein apochromatisches, für drei Wellenlängen korrigiertes Objektiv herstellte.^[2]

Wichtige Informationen, die auf dem Objektiv gekennzeichnet sein können sind Hersteller, Objektivklasse, Maßstab, numerische Apertur, Deckglaskorrektur, (mechanische) Tubuslänge, Kontrastmethode und weitere. Eine Beschriftung gemäß

PlanC

40x / 0.30

∞ / 0.17

kennzeichnet demnach ein Planchromat-Objektiv mit 40-facher Vergrößerung und einer numerischen Apertur von 0.3. Die Tubuslänge ist auf unendlich und die Deckglaskorrektur auf 0.17 (Standarddicke) eingestellt. Eine Bezeichnung der Art

100x / 0.80 / Oil / Ph3

160 / -

weist auf ein Immersionsobjektiv mit hundertfacher Vergrößerung und numerischer Apertur 0.8 hin, das mit Öl als Immersionsmedium betrieben werden soll und für das Phasenkontrastverfahren mit Ringgröße 3 geeignet ist. Tubuslänge wäre 160, gegen Deckglasstörungen ist es unempfindlich.

Fotografieobjektive

Objektiv einer Mittelformatreisekamera aus den 1930er Jahren

Zum Fortschritt der Fotografie in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts trug entscheidend die Fortentwicklung der verwendeten Objekte bei. In den Anfangstagen der Fotografie benutzte man einfache achromatische Linsen, welche zur Erzielung scharfer Bilder stark abgeblendet werden mussten oder ohnehin nur eine geringe Öffnung aufwiesen (größte Öffnung 1:16). Aufgrund dieser Lichtschwäche und der niedrigen Empfindlichkeit des seinerzeitigen Aufnahmematerials ergabens sich sehr lange Belichtungszeiten, die bei Personenaufnahmen zum Teil den Einsatz von Hilfsvorrichtungen zum „Ruhighalten“ der Abgebildeten erforderten.

Ein großer Fortschritt für die Fertigung von Portraits war daher die Erfindung des Petzvalobjektivs um 1840, einem Porträtobjektiv des Wiener Physikers Josef Petzval. Das lichtstarke Objektiv (größte Öffnung bereits 1:3,6) besteht aus zwei Doppellinsensystemen. Es ermöglichte Porträts mit der dafür erforderlichen kurzen Belichtungszeit und hatte einen günstigen Bildwinkel von 20° (leichtes Teleobjektiv). Richtungsweisend beim Petzvalschen Portraitobjektiv war auch der Einsatz mathematischer Verfahren während des Objektiventwurfs. So untersuchte später Ludwig Seidel die Abbildungsfehler der Linsen und veröffentlichte 1866 ein Formelsystem, das die Objektivkonstruktion erleichterte.

Für Landschafts- und Architekturaufnahmen, bei denen es weniger auf hohe Lichtstärke, sondern großen Bildwinkel ankam, wurde aber weiterhin mit kleinen Blendenöffnungen gearbeitet; noch um 1890 brachten zum Beispiel Zeiss und Goerz Konstruktionen mit größten Öffnungen von maximal 1:6,3 oder 1:7,7 auf den Markt. Um 1860 wurden einige spezielle Objektivkonstruktionen für derartige Zwecke entwickelt, die erste war wohl von Thomas Sutton 1858 mit einem 120° Winkel^[3][4], bald gefolgt von Hugo Adolf Steinheil mit einem aus symmetrischen Menisken bestehenden Periskop (Objektiv), welches er kurze Zeit später zum Aplanat verbesserte.^[5] Eine ähnliche Konstruktion wies das Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte Hypergon auf, welches aus zwei Menisken gleicher Flächenkrümmung^[6] besteht und einen Bildwinkel von 135° besitzt und eine geringe Bildfeldwölbung hatte.

In der Folgezeit wurden abgeleitet von dem Linsen-Triplet und den symmetrischen Konstruktionen (siehe Gaußschen Doppelobjektiv) eine ganze Reihe von Objektiven entwickelt. Schärfe, Abbildungsqualität und auch Lichtstärke waren meist deutlich verbessert. So konstruierte Paul Rudolph bei Zeiss mit dem Protar-Objektiv 1890 den ersten Anastigmaten (maximale Öffnung 1:6,3)^[7]

Nach der Jahrhundertwende konnte die Lichtstärke der Objektive sehr beachtlich gesteigert werden. Das erste wirklich lichtstarke Objektiv, mit dem man, allerdings auch aufgrund der Fortschritte bei der Lichtempfindlichkeit des Negativmaterials, auch in Innenräumen ohne zusätzliche Beleuchtung Aufnahmen aus der Hand machen konnte, war wohl das ab 1924 verkaufte Ernostar mit einer Öffnung von 1:2, später 1:1,8.^[8]. Andere Hersteller zogen um 1930 (Zeiss Sonar, 1:1,5 oder 1:2, Leitz Hektor, 1:1,9, Leitz Summar 1:2 und das Tachon der Astro-Berlin mit anfänglich 1:0,95 (!).^[9]

Lange Zeit war eine Begrenzung auf vier Linsengruppen üblich. Eine höhere Anzahl von Gruppen war aufgrund der an den Glasoberflächen auftretenden Reflexionen nicht sinnvoll. Jede reflektierende Glasoberfläche vermindert die Lichtmenge, die auf der photographischen Schicht ankommt. Ein Teil des mehrfach reflektierten Lichts kommt zudem zwar auf der photographischen Schicht an, aber am falschen Ort und mindert so den Kontrast des Bildes. Einen Durchbruch schaffte die Beschichtung der Linsen mit Antireflexionsschichten, die 1934 von Alexander Smakula bei Zeiss entwickelt wurde. Damit war der Weg frei zu viellinsigen Objektiven, bei denen die Bildfehler minimiert sind, wie beispielsweise das Superachromat^[7], das als Teleobjektiv für vier Wellenlängen korrigiert ist und Schärfe bis zur Beugungsgrenze liefert. Fortschritte in der Computertechnik erleichtern seit Anfang der 1960er Jahren die Berechnung solch aufwendiger Optiken.

Seitdem und zwischenzeitlich wurden eine ganze Reihe spezieller Objektivkonstruktionen entwickelt. Im 19. Jahrhundert wurden Konzepte für Zoom-Objektive diskutiert, bei denen sich die Brennweite verstellen lässt, das erste Produkt wurde das Bell and Howell Cooke "Varo" 40–120 mm für 35 mm Filmkameras, 1932. Auch bei diesen Objektiven wurde die Abbildungsqualität im Laufe der Jahre verbessert. Aufgrund ihrer Flexibilität wurden sie dann seit 1959 auch für die Fotografie eingesetzt. Lichtstärke und Brennweitenbereich wurde seitdem verbessert, so sind mittlerweile (2008) für HDTV-Kameras professionelle Objektive mit einem Brennweitenverhältnis 1:100 und einer Anfangsapertur von 1,7 verfügbar.^[10]

Eine andere Objektivkonstruktion sind sogenannte Retrofokus-Weitwinkelobjektive, die seit 1931 für Film- und seit 1950 für Spiegelreflexkameras eingesetzt werden.

Projektionsobjektive

Die Entwicklung von Projektonsobjektiven folgt in den vergangenen Jahren zwei verschiedenen Grundlinien. Die traditionellen Projektionsobjektive dienen der Abbildung einer Vorlage auf einen Projektionsschirm mittels Licht ("Projektion"). Optische Projektionsobjektive werden insbesondere eingesetzt in

• Vergrößerungsgeräten
• Diaprojektoren,
• Episkopen, Epidiaskopen und Antiskopen,
• Filmprojektoren,
• Videoprojektoren und
• Beamern.

• 

  Dia: Leitz Elmaron 1:2,8/85 (A), 1"3,6/200 (B), 1:4/250 (C); Colorplan 1:2,5/90 (D & E); Hektor 1:2,5/120 (F), 1:2,5/100 (G), 1:2,5/85 (H)

• 

  Dia: Ed. Liesegang oHG Sankar 1:2,5/85 mm

• 

  Dia: Will Wetzlar Maginon 1:2,8/100 mm

• 

  Dia: Meyer-Optik Diaplan 1:3,5/140 mm

Diese Projektionsobjektive sind - bei allen konstruktiven Eigenheiten - mit den Objektiven für die Fotografie nahe verwandt. Neben Dia- und Film-Projektoren und benutzen auch Vergrößerungsgeräte für die Fotografie Projektionsobjektive. ^[11]. Die meisten Projektionsobjektive, die in Kleinbild-Diaprojektoren eingesetzt werden, sind von Aufbau her nahe Verwandte des Cooke-Triplets (z.B.Meyer-Optik-Diaplan, Leitz-Elmaron, Will Wetzlar-Maginon). Auch kompliziertere vier- (z.B. Ed. Liesegang oHG-Sankar, Leitz-Hektor) oder fünflinsige (Leitz-Colorplan) Projektionsobjektive kommen vor. Eingesetzt wurden früher auch Doppel-Anastigmaten (z.B. Helioplan von Meyer-Optik). Neben Projektionsobjektiven mit einer festen Brennweite gibt es auch solche mit variabler Brennweite (Zoom-Funktion).

Die Öffnungsverhältnisse von Projektionsobjektiven für Diaprojektoren liegen heute in der Regel bei 1:2,5 bis 1:2,8 für kleinere Räume (Brennweite ca. 85-120 mm). Für größere Räume verringert sich die Apertur auf bis zu 1:4. Projektionsobjektive für die Filmprojektion haben im Vergleich eine in der Regel deutlich höhere Lichtstärke.

In den letzten Jahrzehnten haben sich neue technische Aufgabenbereiche für die Projektion entwickelt. Eine besondere Rolle hat dabei die fotolithographische Strukturierung von Integrierten Schaltkreisen, die hochspezialisierte optische Systeme benötigt. Die Projektion erfolgt hier mit Lasern, für die Objektive mit höchster Abbildungsleistung geschaffen wurden. Um immer feinere Strukturen Abbilden zu können, werden Laser kurzer Wellenlänge eingesetzt (2008: 193 nm), für deren Licht nur Quarzglas hinreichend transparent ist. Diese Objektive erzielen eine Auflösung von 45 nm auf einer Fläche von mehreren Quadratzentimetern.

Literatur

• H. E. Fincke: Das Objektiv deiner Kamera (2. neubearb. Aufl.). Fotokino-Verlag, Halle 1963
• Johannes Flügge: Das photographische Objektiv (Die wissenschaftliche und angewandte Photographie, hrsg. v. Kurt Michel, Band 1). Springer-Verlag, Wien 1955
• Rudolf Kingslake: A History of the Photographic Lens (engl.), Academic Press, 1989, ISBN 0-12-408640-3
• C. E. Kenneth Mees: The Fundamentals of Photography (engl.), 1921, Eastman Kodak Company, ISBN 0-548-97046-7 (Reprint)

Weblinks

• guter Überblick über typische Objektivkonstruktionen (Franz-Manfred Schüngel)
• Überblick über Testverfahren (Franz-Manfred Schüngel)
• Evolution of the Photographic Lens in the 19th Century (engl.)

 Wiktionary: Objektiv – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

1. ↑ http://en.wikisource.org/wiki/Men_of_Invention_and_Industry/Chapter_XII
2. ↑ http://www.cyto.purdue.edu/class/bms634/Lecture%201%20602_B.ppt
3. ↑ http://www.panoramic.net/history.htm
4. ↑ http://www.mhs.ox.ac.uk/cameras/index.htm?item52
5. ↑ http://www.retrobibliothek.de/retrobib/seite.html?id=112849
6. ↑ http://www.foto-net.de/net/objektive/kostruktion.html
7. ↑ ^{a b} http://www.zeiss.de/c12567a10053133c/Contents-Frame/9703e2b70798150841256a7800681dd6
8. ↑ http://www.taunusreiter.de/Cameras/Biotar.html
9. ↑ Zu den Lichtstärken und Entwicklungszeitpunkten der bis hier genannten Objektive: Wolfgang Baier: Quellendarstellungen zur Geschichte der Fotografie. 2. Auflage, Schirmer/Mosel, München 1980, ISBN 3-921375-60-6,S. 314 f.
10. ↑ Canon: Datenblatt XJ100 x 9.3 B 9.3-930 AF 1:1.7
11. ↑ Gottfried Kindler (ohne Jahr) Geschichte der Firma MEYER-OPTIK als Betrieb Feinoptisches Werk Görlitz nach dem 2. Weltkrieg. Mit Nachtrag: Chronik der Firma Lederwaren Görlitz. 2. Auflage. Gesellschaft für das Museum der Fotografie in Görlitz e.V. S. 10