Achromat

Achromatischer Zweilinser; bei grünem Licht durchläuft die Schnittweite ein Minimum

Ein Objektiv wird als achromatisch oder als ein Achromat bezeichnet, wenn die Änderung der Schnittweite mit der Wellenlänge für eine Wellenlänge verschwindet.

Wegen der Dispersion der optischen Materialien zeigt jede einzelne Linse den sogenannten Farblängsfehler (siehe chromatische Aberration). Dabei nimmt der Brechungsindex kontinuierlich von Rot nach Blau zu, die Brennweite der Linse ab. Durch Kombination von zwei Linsen aus Gläsern mit unterschiedlich steilem Brechzahlverlauf, siehe Abbe-Zahl, lässt sich eine Umkehr im Verlauf der Schnittweite mit der Wellenlänge erreichen.

Wenn die beiden Linsen dünn sind und einen kleinen Abstand voneinander haben, kann auch der Farbquerfehler, der insbesondere am Rand des Bildfeldes störende Farbsäume an den Kanten der beobachteten Objekte verursacht, weitgehend korrigiert werden.

Erfindung in der Mitte des 18. Jahrhunderts

Die ersten achromatischen Doublet-Objektive wurden vom englischen Amateur-Optiker Chester Moor Hall entworfen.^[1][2] Hall wollte seine Arbeit geheim halten und beauftragte zwei verschiedene Firmen mit der Herstellung der Kronglas- und der Flintglas-Linsen (Edward Scarlett und James Mann).^[3][4][5] Diese gaben jedoch beide demselben Optiker einen Unterauftrag zur tatsächlichen Fertigung, George Bass. Dieser erkannte, dass die beiden Linsen eigentlich für einen Kunden sind. Nachdem er die beiden Linsen aneinander gefügt hatte, erkannte er deren achromatische Eigenschaften. Hall erkannte die Trageweite seiner Erfindung nicht und blieb weithin unbekannt.

In den späten 1750er Jahren erwähnte Bass die Hallsche Erfindung dem französisch-stämmigen Engländer John Dollond gegenüber, der deren Potential erkannte und ihr Herstellungsprinzip reproduzieren konnte.^[2] Dollond reichte ein Patent ein, das ihm 1758 erteilt wurde. Um 1760 baute er die ersten guten, mit Achromat-Objektiven ausgestatteten Fernrohre. Die Linsen waren dabei an ihrer Kontaktfläche miteinander durchsichtig verbunden (verkittet), wodurch störende Reflexe gering bleiben. Früher verwendete man dazu Kanadabalsam. Die Aperturen (Linsendurchmesser) waren zunächst auf 2 bis 3 Zoll beschränkt, stellten aber gegenüber 1-linsigen Objektiven, die man für ein scharfes Bild stark abblenden musste, einen gewaltigen Fortschritt dar.

Um 1875 erzielte man bereits Öffnungen von 25 Zoll (z.B. der große Refraktor der Universitätssternwarte Wien), und bis zur Jahrhundertwende 40 Zoll (Yerkes-Sternwarte). Doch stößt bei solchen Ein-Meter-Linsen schon die Durchbiegung der Linsen an ihre Grenzen, sodass man wieder zu kleineren Objektiven beziehungsweise auf Spiegelteleskope überging.

Weiterentwicklungen

Der Achromat korrigiert das primäre Spektrum, wie man den unkorrigierten Farbfehler zwischen den beiden Design-Wellenlängen bezeichnet. Ein Maß für den verbleibenden Farbfehler nennt man sekundäres Spektrum.^[6]

Vom ursprünglichen Design des Hall-/Dollond-Achromaten wurden verschiedene Varianten abgeleitet. So fügte Joseph von Fraunhofer die beiden Linsen nicht direkt zusammen, sondern ließ zwischen ihnen einen schmalen Luftspalt ("Fraunhofer-Doublet" oder "Fraunhofer-Achromat"). Der Luftspalt kann in gewissem Umfang in der Breite verändert werden und erlaubt es v.a., den gegenüber liegenden Linsenoberflächen einen unterschiedlichen Radius zu geben. Ein Achromat mit schmalen Luftspalt wird auch Dialyt genannt.^[7] Mit den gewonnenen Freiheitsgraden kann man den sogenannten Gauß-Fehler (Abhängigkeit der sphärischen Aberration von der Wellenlänge) korrigieren.

Für kleinere Fernrohre mit den früher üblichen "langsamen" Öffnungsverhältnissen von ca. 1:15 treten bei der Beobachtung kaum störende Farbsäume auf. Bei großen achromatischen Refraktoren, die bei gutem Seeing prinzipiell wesentlich höhere Auflösungen erreichen mussten, tritt jedoch das sekundäre Spektrum bei höheren Vergrößerungen wieder stark störend hervor. Der Grund liegt darin, dass der absolute Farbrestfehler in Bogensekunden für ein bestimmtes Öffnungsverhältnis (abhängig von den Glasdaten) konstant ist und im Gegensatz zum beugungsbegrenzten Auflösungsvermögen nicht mit zunehmenden Objektivdurchmesser abnimmt.

Eine weitere Variante des achromatischen Doublets wurde von C. A. Steinheil & Söhne als "Steinheil-Objektiv" vermarktet. Die Anordnung der Linsen ist etwas anders als beim Standard-Achromaten. Als erstes, feldseitiges Element dient eine negative Flintglas-Linse, der eine positiven Kronglas-Linse folgt. Wie beim Fraunhofer-Achromaten trennt ein enger Luftspalt die beiden Linsen. Die Innenradien der Linsen sind stärker gekrümmt als beim Fraunhofer-Objektiv. Um Zonenfehler zu vermeiden, wird eine Fläche per Hand retuschiert. Dies bedingt, dass die Lage der Linsen zueinander nicht verändert werden darf.^[8]

In der Fotografie wurden als Objektive von Anfang an Achromate eingesetzt (offizielles Datum der Erfindung: 1839). Für die Porträtfotografie wurde etwa gegen 1850 das optisch bessere Petzvalobjektiv entwickelt. Ab etwa 1870 wurden zwei leicht Meniskus-förmig gebogene Achromate zum Aplanat kombiniert. Aplanate wurden früher auch für Projektoren und werden auch heute noch für hochwertige Lupen eingesetzt. Es folgte als nächste wichtige Erfindung das noch schärfere, 3-linsige Cooke-Triplet. Heutige Fotoobjektive enthalten oft 5 bis 10 Linsen.

Für weitergehende Ansprüche, vor allem in der Mikroskopie, wurden sogenannte Apochromate entwickelt, die typischerweise aus drei Linsen bestehen.

Weblinks

Hannfried Zügge: Achromat, Apochromat, Superachromat – Worin unterscheiden sie sich? Carl Zeiss, Oberkochen, 2000, abgerufen am 26. Oktober 2011 (pdf, deutsch). 

Einzelbelege

1. ↑ Daumas, Maurice, Scientific Instruments of the Seventeenth and Eighteenth Centuries and Their Makers, Portman Books, London 1989 ISBN 978-0-7134-0727-3
2. ↑ ^{a b} Fred Watson: Stargazer: the life and times of the telescope, S. 140–55, Allen & Unwin 2007, ISBN 9781741753837
3. ↑ Fred Hoyle, Astronomy; A history of man's investigation of the universe, Rathbone Books, 1962, LC 62-14108
4. ↑ Sphaera—Peter Dollond answers Jesse Ramsden. Abgerufen am July 31, 2009. A review of the events of the invention of the achromatic doublet with emphasis on the roles of Hall, Bass, John Dollond and others.
5. ↑ Techniques in microscopy for biomedical applications 2006, ISBN 9812564349 (Zugriff am July 31, 2009)
6. ↑ Karl Schwarzschild: "Untersuchungen zur geometrischen Optik. III. Ueber die astrophotographischen Objective." Seite 169 in: "Gesammelte Werke", ISBN 0-387-52457-6
7. ↑ Kingslake, R. (1987) Lens design fundamentals. Academic Press, S. 87
8. ↑ http://kuffner-sternwarte.at/v_archiv/verein_archiv2000/vks_refraktorzustand.html