Fotoobjektiv

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Weitwinkelobjektiv an einer Großformatkamera

Zoomobjektiv für digitale Spiegelreflexkameras

Das Objektiv eines Licht-Mikroskopes

Lichtstarkes Normalobjektiv mit maximal geöffneter Blende

Objektiv mit M 39-Schraubgewinde für Vergrößerungsgeräte

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 einfachste Objektiv ist eine einzelne Sammellinse, wie sie um 1610 die ersten Fernrohre hatten.
Bestandteile eines Objektivs können jedoch sowohl Linsen als auch Spiegel sein, die sich je nach Einsatzzweck in einem Tubus befinden, der innen geschwärzt und gerippt ist, um Streulicht zu vermeiden. Das Hauptmerkmal eines Objektivs ist dessen Brennweite, die für einen gegebenen Objektabstand den Abbildungsmaßstab bestimmt.

Wichtige weitere Eigenschaften sind:

• die Bildqualität (geringe Abbildungsfehler): eine geeignete Kombination mehrerer Linsen unterschiedlicher Brechungsindizes dient zur Verringerung optischer Abbildungsfehler
• die Lichtstärke (minimale Blendenzahl beziehungsweise großes Öffnungsverhältnis) und Vergütung der Linsenoberflächen
• 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 Linsenfernrohren)
• Hauptspiegel oder Teleskopspiegel (bei Spiegelfernrohren)
• Mikroskopobjektiv
• Projektionsobjektiv (für Dia- und andere Projektoren).

Systematik von Fotoobjektiven

Bei Fotoobjektiven unterscheidet man weiter nach der Brennweite:

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

Diese 4 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 und je größer ihr Verhältnis zwischen längster und kürzester Brennweite ist.

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

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

Weitere Unterscheidungsmerkmale sind die fotografische Lichtstärke (= Öffnungsverhältnis), der Bildwinkel, in dem ein Objektiv ein scharfes Bild zeichnet. Eine weitere Objektiv-Eigenschaft ist die Naheinstellgrenze (die kleinste Distanz, auf die es fokussieren kann). Sie bestimmt, wie nah man an das Motiv „herangehen“ kann, siehe „Makroobjektiv“. Für den praktischen Einsatz ist vor allem der zur Kamera passende oder adaptierbare Objektivanschluss und die zugehörige Brennweite entscheidend.

Grundkonstruktionen

• Achromat
• Aplanat
• Apochromat
• Biogon
• Biotar
• Distagon
• Frontar
• Heliar
• Hypergon
• Pankratisches System (umgangssprachlich: "Zoomobjektiv")
• Petzval-Objektiv
• Periskop (Symmetrisches Doppelobjektiv)
• Planar bzw. Gauß-Typ (auch: Doppel-Gauß-Konstruktion)
• Sonnar
• Telezentrisches Objektiv (Messtechnik)
• Tessar
• Triplet

Siehe auch: Winkelobjektiv

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. Man unterscheidet hier nach der Brennweite zwischen Weitwinkelobjektiven, Normalobjektiven und Fernobjektiven (zumeist:Teleobjektiven). Bei Zoomobjektiven lässt sich die Brennweite ändern, ansonsten liegt eine Festbrennweite vor.

Fischaugen-Objektive (Fischauge, fisheye) und TS-Objektive sind Spezialobjektive.

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 Mikroskope 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]

Fotografieobjektive

Objektiv einer Mittelformatreisekamera aus den 1930er Jahren

Zum Fortschritt der Fotografie in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts haben zahlreiche Vervollkommnungen der Objektive beigetragen. Früher benutzte man einfache achromatische Linsen, welche zur Erzielung scharfer Bilder abgeblendet werden mussten oder nur eine geringe Öffnung aufwiesen. Infolgedessen gaben sie sehr lichtschwache Bilder, die eine lange Belichtungszeit nötig machten.

Ein großer Fortschritt war die Erfindung des Petzvalobjektivs um 1840, einem Porträtobjektiv von Josef Petzval - ein lichtstarkes Objektiv, das aus zwei Doppellinsensystemen besteht und bedeutend lichtstärker war als vorherige und damit die Aufnahme von Porträts mit der dafür erforderlichen kurzen Belichtungszeit ermöglichte, und dafür mit einem Bildwinkel von 20° gut geeignet war. Ebenfalls richtungsweisend war der Einsatz mathematischer Verfahren, mit denen er dieses Objektiv berechnete. So untersuchte später Ludwig Seidel die Abbildungsfehler der Linsen und veröffentlichte 1866 ein Formelsystem, das die Objektivkonstruktion erleichterte.

Zur Aufnahme von Landschaften, Architektur etc. ist dagegen weniger eine hohe Lichtstärke nötig, jedoch ein weiterer Bildwinkel. Um 1860 wurden einige Objektivkonstruktionen für größere Bildwinkel 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 eine ganze Reihe von Objektiven entwickelt, meist auf vier Linsengruppen begrenzt, bei denen Schärfe und Lichtstärke verbessert wurden. So konstruiert Paul Rudolph bei Zeiss mit dem Protar-Objektiv 1890 den ersten Anastigmat^[7], in den 1920er Jahren waren mit dem Ernostar mit einer Öffnung von 1:2 bereits Aufnahmen aus der Hand in Innenräumen möglich^[8]. Eine höhere Anzahl von Gruppen war aufgrund der an den Glasoberflächen auftretenden Reflexionen nicht sinnvoll, da diese den Kontrast des Bildes minderten. 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^[9], 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 aufwendigen Optiken.

Seitdem und zwischenzeitlich wurden eine ganze Reihe spezieller Objektivkonstruktionen entwickelt. Im 19. Jahrhunderts 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 einen 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

Waren Projektionsobjektive bis Mitte des 20. Jahrhunderts noch nahe mit den Objektiven für Fotografie verwandt, so hat sich für die Lithographische Strukturierung von Integrierten Schaltkreisen seitdem ein hochspezialisiertes optisches System entwickelt. Die Projektion erfolgt nunmehr mit Lasern, also mit Licht einer Wellenlänge, für die Objektive mit höchster Abbildungsleistung geschaffen wurden. Um immer feinere Strukturen Abbilden zu können, werden Laser kurzer Wellenlänge eingesetzt (2008: 193 nm), für die 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.). Halle: Fotokino-Verlag 1963
• Johannes Flügge: Das photographische Objektiv (Die wissenschaftliche und angewandte Photographie, hrsg. v. Kurt Michel, Band 1). Wien: Springer-Verlag 1955
• Rudolf Kingslake: A History of the Photographic Lens (engl.), Academic Press, 1989, ISBN 0124086403
• C. E. Kenneth Mees: The Fundamentals of Photography (engl.), 1921, Eastman Kodak Company, ISBN 0548970467 (Reprint)

Weblinks

• guter Überblick über typische Objektivkonstruktionen (Franz-Manfred Schüngel)
• Überblick über Testverfahren (Franz-Manfred Schüngel)
• Analog Photography (Objektiv-Ranking für manuelle Objektive)
• Evolution of the Photographic Lens in the 19th Century (engl.)

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. ↑ http://www.zeiss.de/c12567a10053133c/Contents-Frame/9703e2b70798150841256a7800681dd6
8. ↑ http://www.taunusreiter.de/Cameras/Biotar.html
9. ↑ http://www.zeiss.de/c12567a10053133c/Contents-Frame/9703e2b70798150841256a7800681dd6
10. ↑ Canon: Datenblatt XJ100 x 9.3 B 9.3-930 AF 1:1.7