Abbildungsfehler

Eine einzelne Linse verursacht zahlreiche Abbildungsfehler, die sich in Unschärfen, Farbsäumen und Verzerrungen äussern. In Objektiven kombiniert man daher mehrere Linsen aus unterschiedlichen Glassorten, um die Fehler möglichst weitgehend zu eliminieren. Diese Korrektur ist so weit fortgeschritten, dass heute nur wenige Leistungsschwächen in der Abbildung eindeutig einem dieser Fehler zugeordnet werden können, was Objektivtests komplizierter macht.

Die Sphärische Aberration (Öffnungsfehler) tritt auf, weil die Linsenoberfläche eine Kugeloberfläche beschreibt. Die Bündelung parallel eintreffender Strahlen in einen Brennpunkt ist daher nur für achsennahe Strahlen gegeben. Asphärische Linsen mit parabelförmigem Querschnitt vermeiden diesen Fehler, sind aber in hoher optischer Qualität sehr teuer zu fertigen. Das scharfe Kernbild wird durch die sphärische Aberration von einem unscharfen überlagert, was bei Weichzeichnerobjektiven, bei denen dieser Fehler absichtlich unterkorrigiert ist, ausgenutzt wird. Die Bildschärfe lässt sich durch Abblenden wesentlich steigern, allerdings verschiebt sich dabei die Ebene der maximalen Bildschärfe (Fokusverschiebung), was ein Nachfokussieren notwendig macht. Die Chromatische Aberration (Farblängsfehler) tritt auf, weil der Linsenrand das Licht wie ein Prisma in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Schlechte Korrektur führt im Bild zu Farbsäumen. Da das Licht, welches die Linse am Rand passiert, am meisten zur Aberration beiträgt, verringern sich diese Fehler mit dem Abblenden. Er lässt sich korrigieren, indem zwei Linsen aus unterschiedlichen Glassorten zu einer sogenannten Gruppe zusammengekittet werden. Man wählt die Glassorten so, dass der rote und der blaugrüne Spektralteil zusammenfällt. Man bezeichnet diese Konstruktionen als Achromaten, den nicht korrigierten Spektralteil als sekundäres Spektrum. Aufwändigere Konstruktionen, bei denen drei Wellenlängen zusammenfallen, bezeichnet man als Apochromaten. Der Mehraufwand lohnt sich insbesondere bei langen Brennweiten. Bei Spiegelobjektiven tritt chromatische Aberration nicht auf. Der Farbvergrösserungsfehler (Farbquerfehler) hat ähnliche Ursachen wie die chromatische Aberration: Die roten, grünen und blauen Teilbilder werden unterschiedlich gross abgebildet. Dies hat zur Folge, dass der Fehler in der Bildmitte nicht, zum Rand und zu den Ecken hin jedoch immer stärker auftritt. Der Fehler ist unabhängig von der Blende, die Korrektur bei der Objektivkonstruktion erfolgt wie bei der chromatischen Aberration. Die Koma (Asymmetriefehler) kommt zustande, weil sich bei einem schrägen Eintritt des Strahlenbündels die sphärische Aberration aufgrund der Asymmetrie stärker auswirkt. Ein Lichtpunkt in der Bildecke wird bei einem unkorrigierten Objektiv oval mit unscharf verlaufender Seite (kometenartig) wiedergegeben. Bei der Korrektur spielt die Lage der Blende eine wesentliche Rolle, eine vollständige Korrektur ist bei einem völlig symmetrischen Objektivaufbau mit mittiger Blende möglich. Abblenden verringert den Fehler. Mitunter ist die Koma auch bei heutigen Objektiven bei starken Kontrasten und grosser Blende noch sichtbar, zum Testen empfiehlt sich z. B. der Sternenhimmel. Astigmatismus (Punktlosigkeit) betrifft auch Strahlenbündel, die schräg eintreffen: Der Querschnitt dieses Strahlenbündels ist in der Schnittebene der Linse nicht kreisrund, sondern elliptisch. Die längere (meridionale) Schnittebene unterliegt daher einer stärkeren sphärischen Aberration als die kürzere (sagittale). Damit ergeben sich für diese Strahlenbüschel unterschiedliche Brennpunkte. Ein heller Punkt am Bildrand wird daher als tangentialer (im sagittalen Brennpunkt) oder radialer Strich (im meridionalen Brennpunkt) in zwei Ebenen abgebildet. Der Fehler äussert sich in Schärfeabfall zum Bildrand hin, Abblenden bringt Verbesserung. Die Bildfeldwölbung ist insbesondere bei Weitwinkelobjektiven ein Problem, eine schlechte Korrektur führt zu unzureichender Schärfe am Bildrand (oder in der Mitte, je nach Fokussierung) bei grossen Blenden. Beim Abblenden spielt sie wegen der höheren Schärfentiefe eine geringere Rolle. Sie kommt zustande, weil achsferne Punkte näher zur Hauptebene abgebildet werden als achsnahe. Aufgrund des Astigmatismus treten darüberhinaus zwei Bildschalen auf, eine für meridionale und eine für sagittale Strahlenbüschel.

Vignettierung: Prozentualer Lichtabfall in Abhängigkeit vom halben Bildwinkel

Vignettierung (Abdunkelung der Ecken) tritt ebenfalls hauptsächlich bei rectilinearen Weitwinkelobjektiven auf. Sie ist kein linsentypischer Abbildungsfehler, da man sie auch bei Lochkameras beobachtet: Schaut man schräg auf das Loch, erscheint es kleiner. So gelangt weniger Licht hindurch, die Bildecken werden weniger belichtet. Sie ist somit geometrisch bedingt, ihre Korrektur ist schwierig. Sie stört jedoch nur, wenn der Lichtverlust zur Ecke mehr als eine Blende beträgt. Bei einigen extremen Weitwinkelobjektiven kann man beobachten, dass die Eintrittspupille grösser wird, wenn man das Objektiv kippt, durch eine solche Konstruktion wird die Vignettierung verringert. Weiterhin ist die Kompensation über einen speziellen Filter möglich, der in der Mitte neutralgrau ist und zum Rand hin verläuft (Radial-Graufilter). Dabei ist das zum Objektiv passende Filter zu verwenden, wenn es eines gibt. Ansonsten muss man mit der Vignettierung leben. Verzeichnung (Distorsion) ist die gekrümmte Wiedergabe gerader Linien am Bildrand. Auch wenn die sphärische Aberration für grosse Aufnahmedistanzen korrigiert ist, tritt sie für sehr kurze Distanzen (Abbildung der Blende!) noch auf. Da die Bildpunkte (Unschärfekreise) Abbildungen der Blende sind, ist die Lage der Blende im Objektiv wesentlich. Bei einer Blende vor dem Objektiv tritt tonnenförmige Verzeichnung auf, bei einer Blende hinter dem Objektiv kissenförmige. Durch symmetrischen Objektivaufbau mit mittiger Blende lässt sich die Distorsion vermeiden. Abblenden hat keinen Effekt. Sie ist insbesondere bei Zoomobjektiven zu beobachten, da sich die Lage der Blende zur optischen Konstruktion beim zoomen verschiebt. Fisheye-Objektive bilden die Richtungskugel ab und verzeichnen daher sehr stark tonnenförmig, vignettieren aber nicht. Beugung ist ein physikalisches Phänomen, welches Lichtstrahlen (und anderen Wellen) erlaubt, um die Ecke zu laufen. Betrachtet man eine Wasserwelle, die eine Hafeneinfahrt passiert, so beobachtet man, dass sie diese Einfahrt als neuen Ausgangspunkt nimmt. Ihre Amplitude (Intensität) nimmt dabei ab, sodass die Schiffe nur sanft rumdümpeln und nicht dauernd gegen die Kaimauer geschleudert werden. Licht verhält sich ähnlich: Hält man einen schwarzen Karton gegen die Sonne, so sieht man die Kanten hell aufleuchten. Im Objektiv findet Beugung an der Blende statt, so dass ab einem bestimmten Punkt die Abbildungsqualität mit weiterem Abblenden abnimmt. Dies ist dann der Fall, wenn die Unschärfekreise (Zerstreuungskreise) durch die Beugung augenfällig werden. Die kleinstmögliche Blende, die sich nicht negativ auf die sichtbare Auflösung des Bildes auswirkt, wird als förderliche Blende bezeichnet. Sie lässt sich aus folgender Formel ableiten:
 

Für die Wellenlänge des Lichts kann man einen mittleren Wert von 550 nm annehmen. Für einen Unschärfekreis von 0.03 mm (siehe Schärfentiefe) ergeben sich die folgenden förderlichen Blenden abhängig vom Vergrösserungsmassstab:
 

Wie ersichtlich, ist dies vor allem ein Problem im Bereich der Makrofotografie.