Abbildungsfehler

In der Optik versteht man unter Abbildungsfehlern oder Aberrationen Abweichungen von der idealen optischen Abbildung durch ein optisches System wie etwa ein Foto- oder Fernrohr-Objektiv oder ein Okular, die ein unscharfes oder verzerrtes Bild bewirken. „Aberration“ kommt vom lateinischen „aberrare“, das wörtlich „abirren, sich verirren, abschweifen“ bedeutet.

Die Abbildungsfehler lassen sich im Rahmen der geometrischen Optik erfassen. Dabei wird untersucht, wie sich ein Strahlenbündel, das von einem bestimmten Objektpunkt ausgeht, nach dem Durchgang durch das System verhält. Im Idealfall schneiden sich die Strahlen wieder in einem Punkt. Aufgrund der Abbildungsfehler ergibt sich stattdessen nur eine mehr oder weniger enge Einschnürung des Strahlenbündels, die außerdem (bei Verzeichnung oder Bildfeldwölbung) an der falschen Stelle liegen kann.

Die mathematische Behandlung der Abbildungsfehler wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts durch Seidel und Petzval durchgeführt. Schon 1858 gab Maxwell Argumente, dass eine perfekte Abbildung eines räumlich ausgedehnten Objekts nur im trivialen Fall der Abbildung an ebenen Spiegeln möglich sei. Nach einigen Zwischenergebnissen legte schließlich Carathéodory 1926 einen strengen Beweis dafür vor.

Es ist aber möglich, die Abbildungsfehler gegenüber einem einfachen System aus einer einzelnen Linse oder einem Spiegel sehr stark zu reduzieren. Dazu werden mehrere Linsen aus verschiedenen Glassorten bzw. Spiegel miteinander kombiniert und evtl. auch asphärische Flächen eingesetzt. Sie werden durch eine Optimierungsrechnung so aufeinander abgestimmt, dass die gemeinsame Auswirkung aller Abbildungsfehler minimal wird. Dies nennt man Korrektion der Fehler bzw. des optischen Systems.

Dieser Prozess der Korrektion ist sehr kompliziert. Alle hier beschriebenen Abbildungsfehler überlagern sich, und Maßnahmen zur Verminderung eines bestimmten Fehlers beeinflussen im Allgemeinen auch alle anderen. Nur bei Systemen, die ausschließlich durch Spiegel abbilden, tritt kein Farbfehler auf.

Monochromatische Fehler

Sphärische Aberration

Die sphärische Aberration, auch Öffnungsfehler oder Kugelgestaltsfehler genannt, ist ein Schärfefehler und bewirkt, dass achsparallel einfallende oder vom gleichen Objektpunkt auf der optischen Achse ausgehende Lichtstrahlen nach dem Durchgang durch das System nicht die gleiche Schnittweite haben. Sie laufen somit nicht in einem Punkt zusammen.<ref>Bernd Leuschner: Öffnungsfehler einer Plankonvexlinse (PDF; 161 kB), Labor für Gerätetechnik, Optik und Sensorik, Beuth Hochschule für Technik Berlin.</ref> Im Allgemeinen ist die Abweichung umso stärker, je weiter außen der Strahl verläuft. Die Schnittweite <math>s</math> des gebrochenen Strahls wird durch eine gerade Funktion gegeben:

<math>s = s_0 + \sum_{k=1}^{\infty}w_{2k} a^{2k} </math>

Dabei ist <math>a</math> der Achsabstand, mit dem der Strahl in das System einfällt, und <math>w_k</math> gibt die Stärke der sphärischen Aberration k-ter Ordnung an. <math>s_0</math> ist die paraxiale Schnittweite des gebrochenen Strahls.

Objektive mit sphärischer Aberration liefern ein weiches Bild mit zwar scharfen, aber kontrastarmen Details, zu denen nur die achsnahen Strahlen beitragen. Die achsfernen Strahlen erzeugen Halos an Hell-Dunkel-Übergängen.

Motive vor und hinter der Ebene maximaler Schärfe werden unterschiedlich unscharf gezeichnet. Es gibt Objektive, deren sphärische Aberration man stufenlos in einem weiten Bereich einstellen kann, um die Unschärfe vor und hinter dem Fokus und die Schärfe im Fokus anpassen zu können.

Mit einem System, das nur sphärische (kugelförmige) brechende oder reflektierende Flächen enthält, kann man keine von sphärischer Aberration völlig freie reelle Abbildung erreichen (siehe aplanatische Fläche). Mit einer asphärischen Oberfläche einer Linse oder eines Spiegels kann man die sphärische Aberration völlig korrigieren. Allerdings ist das Schleifen einer Kugeloberfläche deutlich einfacher und damit billiger als das Schleifen asphärisch gekrümmter Flächen. Der weite Einsatz sphärischer Flächen beruht auf der Tatsache, dass ihre Abbildungseigenschaften gut genug sind, bei gleichzeitig akzeptablem Herstellungsaufwand. Die Kosten für asphärisch geschliffene Linsen relativieren sich bei Mehrlinsensystemen, da man gegebenenfalls mit weniger Linsen die gleiche Abbildungsgüte erzielen kann.

Unterdessen gibt es Verfahren, Asphären hoher Qualität als Presslinge (Molding) herzustellen. Es gibt zwei Herstellungsverfahren: Kleine Linsen können direkt gepresst werden; größere werden durch Umformen einer volumengleichen sphärischen Linse hergestellt. Die Größe ist dabei nach oben durch zwei Probleme beschränkt: Zum einen gibt es nur wenige Glassorten, die für eine Umformung geeignet sind, zum anderen neigen umgeformte Linsen zu Inhomogenitäten durch innere Spannungen, die durch den Umformprozess entstehen.

Kleine Kunststofflinsen werden im Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren kostengünstig gefertigt.

In einigen Fällen wird auch eine Kunststoffschicht auf eine sphärische Glaslinse gegossen und dann durch Pressen in eine asphärische Form gebracht.

Mit Hilfe des foucaultschen Schneidenverfahrens lassen sich sphärische Aberrationen auch mit einfachen Mitteln gut nachweisen. In der Massenfertigung optischer Teile sind heute interferometrische Verfahren üblich.

Sofern die sphärische Aberration das Auflösungsvermögen begrenzt, kann dieses durch Abblenden bis zur kritischen Blende gesteigert werden.

Bei der Reflexion an einem sphärischen Hohlspiegel entsteht ein Abbildungsfehler, dieser trägt den Namen Katakaustik.

Astigmatismus schiefer Bündel

Astigmatismus ist ein Schärfefehler, welcher das von einem Objektpunkt ausgehende und schräg in das Objektiv einfallende Strahlenbündel betrifft. Dabei ist zwischen Meridional- und Sagittalebene zu unterscheiden. In Richtung der Meridionalebene (M), welche die optische Achse enthält, ist die Linse perspektivisch verkürzt, die Einfallswinkel variieren schneller mit dem Versatz des Strahls im Bündel. Daraus resultiert eine kürzere Brennweite.

Hinzu kommt, dass in den Punkten (B_M und B_S) keine Punkte, sondern Brennlinien in der jeweils anderen Ebene abgebildet werden. Somit entsteht vor und hinter den beiden Brennebenen statt eines Kreises ein Oval, da jedes Strahlenbündel einer Ebene zur Ellipse wird und in jedem Punkt einen anderen Öffnungswinkel hat. Wird ein Schirm hinter die sagittale Brennebene gehalten, ist ein Oval mit langer Halbachse in meridonaler Richtung (rot) zu sehen. Analog dazu ist das Oval vor der meridionalen Brennebene mit längerer Halbachse in sagittaler Richtung (grün). Dazwischen existiert eine Stelle, wo ein Punkt als unscharfer Kreis abgebildet wird, der kleinste Zerstreuungskreis oder Kreis kleinster Verwirrung.

Charakterisiert wird der Astigmatismus durch die astigmatische Differenz, den Abstand zwischen den Brennlinien. Dieser wächst mit stärkerer Neigung des einfallenden Bündels zur optischen Achse, der Linsenstärke, der Linsendicke und der Linsengeometrie. So haben Bi-Linsen im Gegensatz zu durchgebogenen Linsenformen einen besonders starken Astigmatismus bei schräg einfallendem Einfallsbündel. Dieser Linsenfehler wurde im Mittelalter und früher Neuzeit zur Korrektur des Augenastigmatismus benutzt, indem man schräg durch die Bi-Brille durchsah und dadurch seinen eigenen Astigmatismus kompensierte. Typisch ist der dadurch entstehende Schneiderblick oder Schneiderhals.

Ein optisches System kann so konstruiert werden, dass Astigmatismus-Effekte verringert oder verhindert werden. Solche Optiken heißen Anastigmaten. Diese Bezeichnung hat nur noch historische Bedeutung, da dieser Fehler bei modernen Objektiven nur mehr bei schweren Fabrikationsfehlern auftritt. Eine Ausnahme stellen die Schiefspiegler – eine Gruppe von astronomischen Teleskopen – dar, bei denen der Fehler besonders korrigiert wird.

Ein dem Astigmatismus ähnlicher Bildfehler kann bei Spiegelteleskopen der Amateurastronomie auftreten, deren Fokussierung oft durch axiale Verschiebung des Hauptspiegels erfolgt. Dies kann zu kleinen Verkippungen führen, wodurch das Bild der Sterne nicht mehr punktförmig ist, sondern bei Scharfstellung von extra- bzw. intrafokaler Seite horizontal bzw. vertikal etwas länglich erscheint.

Axialer Astigmatismus

Unvollkommene Linsen, die nicht korrekt rotationssymmetrisch um die optische Achse sind, bilden auch achsparallele Bündel astigmatisch ab. Ein Objektpunkt wird je nach Fokussierung als Strich (längs oder quer) abgebildet. Dieser Fehler spielt in der Augenoptik und der Elektronenoptik eine entscheidende Rolle. Die einfachste Form des axialen Astigmatismus lässt sich durch Kombination mit einer in Brechkraft und Achsrichtung genau dimensionierten Zylinderlinse korrigieren (Zylinderglas in der Brille, Stigmator im Elektronenmikroskop). Die Fertigung von Glaslinsen für sichtbares Licht ist inzwischen so vollkommen, dass hier kein störender axialer Astigmatismus auftritt.

Koma

Die Koma (Asymmetriefehler, von lat. coma ‚Schopf, Schweif‘) entsteht bei schräg zur optischen Achse einfallendem Strahlenbündel durch eine Überlagerung zweier Abbildungsfehler: der auch bei achsparallelem Bündel wirkenden sphärischen Aberration und dem Astigmatismus schiefer Bündel. Anstelle eines scharfen Beugungsscheibchens entsteht ein Bildpunkt mit zum Rand der Optik gerichtetem „Schweif“, der dem Phänomen den Namen gibt. Durch Abblenden der Randstrahlen kann die Erscheinung gemindert werden, der Astigmatismus schiefer Bündel bleibt aber bestehen.

Koma kann sowohl bei Linsen als auch bei Spiegeloptiken auftreten. Optische Systeme bei denen sowohl die sphärische Aberration als auch die Koma vollständig korrigiert sind, heißen Aplanate.

Bildfeldwölbung

weitergehender Artikel Petzvalsche Bildfeldwölbung

Wenn eine Optik eine Bildfeldwölbung aufweist, wird das Bild nicht auf einer Ebene, sondern auf einer gewölbten Fläche erzeugt – es ist daher ein sogenannter Lagefehler. Die Position des Strahlenschnittpunkts längs der optischen Achse ist dann von der Bildhöhe abhängig, das heißt je weiter Objekt- und damit Bildpunkte von der Achse entfernt sind, umso mehr ist der Bildpunkt in Achsrichtung verschoben (typischerweise nach vorn, zum Objektiv hin).

Somit kann man auf einer ebenen Projektionsfläche das Bild eines ebenen Gegenstandes nicht auf der ganzen Fläche scharf abbilden. Wenn man auf die Bildmitte fokussiert, ist der Rand unscharf und umgekehrt.

Bildfeldwölbungen gibt es nicht nur bei Objektiven, sondern auch bei anderen optischen Bauteilen, z. B. bei Okularen oder Projektoren. Sie kann jedoch – wie die meisten anderen Abbildungsfehler – durch spezielle Anordnung der Linsen unter der Toleranzschwelle gehalten werden (Planfeldoptik).

Planfeldoptiken sind auch bei Scannern zur Lasergravur erforderlich, um ebene Flächen zu bearbeiten.

Bei manchen Spezialkameras wird dagegen die Bildfeldwölbung durch Anpressen des fotografischen Films an eine gekrümmte Fläche ausgeglichen, beispielsweise bei der Baker-Nunn-Satellitenkamera.

Verzeichnung

Verzeichnung ist ein Lagefehler und bedeutet, dass die Bildhöhe (Abstand eines Bildpunkts von der Bildmitte) auf nichtlineare Weise von der Höhe des entsprechenden Objektpunkts abhängt. Man kann auch sagen: Der Abbildungsmaßstab hängt von der Höhe des Objektpunkts ab. Man beachte, dass hier der Begriff „Bildmitte“ nicht den rechnerischen Mittelpunkt des Bildes bezeichnet, der sich durch die Pixelzahl ergibt. Vielmehr ist der Punkt gemeint, in dem die optische Achse die Bildebene schneidet. Dieser Punkt wird auch als Verzeichnungszentrum bezeichnet.

Verzeichnung bewirkt, dass gerade Linien, deren Abbild nicht durch die Bildmitte geht, gekrümmt wiedergegeben werden.

Wenn der Abbildungsmaßstab mit zunehmender Höhe abnimmt, nennt man dies tonnenförmige Verzeichnung. Dann wird ein Quadrat mit nach außen gewölbten Seiten abgebildet, sieht also etwa wie eine Tonne aus (Name). Den umgekehrten Fall nennt man kissenförmige Verzeichnung. Dann sieht das Quadrat aus wie ein Sofakissen. Es kann auch wellenförmige Verzeichnung auftreten, wenn sich verschiedene Ordnungen der Verzeichnung überlagern. Gerade Linien werden dann wie Wellenlinien nach beiden Seiten gekrümmt.

Weitwinkelobjektive in Retrofokus-Bauweise (Schnittweite größer als Brennweite) neigen zur tonnenförmigen Verzeichnung und Teleobjektive (Baulänge kleiner als Brennweite) zur kissenförmigen.

Sogenannte Fischaugen-Objektive weisen eine starke tonnenförmige Verzeichnung auf. Dies ist gewollt, um einerseits einen größeren Bildwinkel zu erreichen (180 Grad und mehr sind nur durch Verzeichnung möglich), und andererseits die Verzeichnung für die Bildgestaltung einzusetzen.

Bei Feldstechern (Ferngläsern) mit Weitwinkelokularen ist eine kissenförmige Verzeichnung ausdrücklich erwünscht, um beim Schwenken des Glases eine unangenehme Bewegung des Vordergrundes gegenüber dem Hintergrund zu vermeiden. Die physikalische Grundlage hierfür stellt die so genannte „Winkelbedingung“ dar, die bei Feldstechern erfüllt sein soll (im Unterschied zu der „Tangentenbedingung“ bei Fotoobjektiven).

Chromatische Aberration

Der Brechungsindex von optischem Glas hängt von der Wellenlänge <math> \lambda </math> des einfallenden Lichts ab. Diese Erscheinung wird Dispersion genannt. Sie ist die Ursache für die chromatische Aberration.

Farbquerfehler

Der Brechungsindex der Linsen eines optischen Systems beeinflusst den Abbildungsmaßstab, der somit von der Wellenlänge abhängt. Die Teilbilder, die vom Licht unterschiedlicher Wellenlänge gebildet werden, sind dadurch verschieden groß. Diesen Effekt nennt man Farbquerfehler. Er bewirkt Farbsäume an Kanten des Bildmotivs, falls diese nicht radial verlaufen, und eine Unschärfe des Bildes. Die Breite der Farbsäume ist proportional zum Abstand von der Bildmitte.

Farblängsfehler

Auch die Schnittweite des Systems, und damit der Abstand des Bildes von der letzten Fläche des Systems, ist vom Brechungsindex der Linsen und somit von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Dadurch kann man die Teilbilder unterschiedlicher Farben nicht gleichzeitig scharf auffangen, weil sie an verschiedenen Positionen stehen. Dies nennt man Farblängsfehler. Es entsteht eine Unschärfe, die nicht von der Bildhöhe abhängt.

Gaußfehler

Die Dispersion der optischen Gläser bewirkt eine Variation der übrigen Abbildungsfehler mit der Wellenlänge. Wenn die Koma für grünes Licht korrigiert ist, kann sie für rotes und blaues Licht trotzdem vorhanden sein. Dieser Effekt kann die Güte eines Objektivs erheblich beeinflussen und muss bei der Konstruktion von hochwertigen Systemen berücksichtigt werden. Im Fall der sphärischen Aberration bezeichnet man diesen Effekt als Gaußfehler, wobei die Bezeichnung oft auf die übrigen Fehler ausgedehnt wird.

Achromat

Wenn in einem System Linsengläser mit erheblich voneinander verschiedenen Abbe-Zahlen verwendet werden, kann der Farbfehler stark verringert werden. Speziell versteht man unter einem Achromaten ein Objektiv, bei dem die Änderung der Schnittweite mit der Wellenlänge für eine Wellenlänge verschwindet.

Apochromat

Eine Weiterentwicklung stellen so genannte apochromatisch korrigierte Objektive oder Apochromate dar. Für diese verwendet man Gläser mit ungewöhnlichem Dispersionsverhalten, wodurch auch das sekundäre Spektrum korrigiert werden kann. In der klassischen Ausführung werden diese so berechnet, dass die Schnittweiten bei drei Wellenlängen (z. B. Rot, Grün und Blau) übereinstimmen, wodurch der Farblängsfehler auch bei allen anderen Wellenlängen des sichtbaren Lichts sehr gering wird. Ein Hinweis auf so korrigierte Systeme ist meist die Abkürzung APO auf den Objektiven. Sie sind in aller Regel bedeutend teurer als lediglich achromatisch korrigierte Produkte.

Siehe auch

• Kaustik (Optik)

Einzelnachweise

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Literatur

• Eugene Hecht: Optik. 4. überarbeitete Auflage, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München u. a. 2005, ISBN 3-486-27359-0.

Weblinks

• Erwin Puts, Leica M Objektive – Ihre Seele und ihre Geheimnisse (PDF; 1,38 MB, 83 S. – Einführung in beinahe alle Aspekte des Objektivbaus, inkl. einem Glossar der Bildfehler)
• BAS®: Testverfahren für Objektive
• Darstellung und Umrechnung von Zernike-Polynomen und Seidel Aberration