I n h a l t s v e r z e i c h n i s   d e s   A r t i k e l s

Entwicklungstendenzen der fotografischen Optik

Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Prenzel, KDT

Im Zusammenhang mit der Verdrängung feinmechanischer Komponenten durch elektronische standen in letzter Zeit vor allem Entwicklungstendenzen von Stehbildkameras im Mittelpunkt technischer Erörterungen ([1], [2], [3]). Vollelektronische Belichtungs- und Blendensteuerung, intergrierte Mess- und Anzeigelemente, automatische Fokussierung und neuerdings auch die elektronische Bildaufzeichnung mit CCD-Targets ([4]) können jedoch nicht die dominierende Bedeutung des Objektivs, welcher in letzter Instanz eine technologische Verkörperung des optischen Systems darstellt, im Prozess der fotografischen Informationsaufzeichnung in Frage stellen.

Die Qualität des Ergebnisses am Ende dieses Prozesses wird in erster Linie durch die konkreten Abbildungseigenschaften dieses optischen Systems bestimmt. Die Kamera selbst bleibt in diesem Prozess immer ein Mittel zur Bildbetrachtung, Belichtung, Filmspeicherung und -transport und entwickelt sich durch den Einsatz von mikroelektronischen Bauelementen und Mikrorechnern zum Datenverarbeitungs- und Steuerungssystem. Verarbeitet werden aber nur die Daten, die durch das optische System bereitgestellt werden. Unterschiedliche optische Systeme ermöglichen in Abhängigkeit ihrer Kennwerte völlig unterschiedliche Perspektiven und Aussagemöglichkeiten für die schöpferische Bildgestaltung durch den Fotografen.

Die Entwicklung fotografischer Objektive, insbesondere von Wechselobjektiven für Spiegelreflexkameras, unterliegt international einem starken Innovationsprozess, der sich in den nächsten Jahren eher noch stärker durchsetzen wird.

Dieser Prozess vollzieht sich einerseits durch Veränderungen in der Fertigungstechnologie moderner Objektive, andererseits durch Veränderungen im konkreten optischen System.

Die Entwicklungen in der Grundlagenforschung auf physikalisch-optischem Gebiet, der Werkstofftechnik und der Technologie zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente weisen darauf hin, dass auch auf diesem Gebiet der fotografischen Optik Neuerzeugnisse mit echter Gebrauchswerterhöhung zu erwarten sind.

Anhand einiger Entwicklungsrichtungen von Wechselobjektiven für Spiegelreflexkameras, Sonderformen fotografischer Objektive auf dem internationalen Markt, sowie einer Trendbetrachtung soll diese Erwartung begründet werden.

 
1. Standardobjektive

Bild 1: Prakticar-Standardobjektive 1 : 1,8/50 mm und 1 : 2,4/50 mm

In der bisherigen Verkaufspraxis wurden Spiegelreflexkameras normalerweise als Einheit mit einem sogenannten Standardobjektiv angeboten. Dieses Standardobjektiv ist in der Regel ein hochkorrigiertes Objektiv universeller Einstellmöglichkeit für den Normalverbraucher. Es erfüllt die Anforderungen der Landschaftsfotografie, der Personen- und Gruppenaufnahmen, der Tier- und Sportfotografie sowie im weitesten Sinne der Architekturfotografie. Die Entwicklung konventioneller Standardobjektive hat sich grundsätzlich auf abgewandelte Gaußtypen, die bei 6 bzw. 7 Linsen einen zur Blende nahezu symmetrischen Aufbau haben, fixiert. Der Vorteil der üblichen Standardbrennweite von 50 mm liegt in erster Linie darin, dass der aufgenommene Bildwinkel dem vom menschlichen Auge erfassten Sehfeld entspricht. Die Lichtstärke liegt in der Regel bei 1:2,8 bis 1:1,8. In der konstruktiven Gestaltung wird allgemein eine kompaktere mechanische Bauweise angestrebt, so dass die äußeren Abmessungen letztlich nur durch das Glasvolumen der Optik begrenzt werden. Beispiele für dieses Bestreben sind die Standardobjektive der Praktica-B-Reihe (Bajonettadapter Ø 48,5/44,4) Prakticar 2,4/50 und Prakticar 1,8/50 (Bild 1).

Vor allem für die Reportagefotografie ist die Entwicklung lichtstärkerer Standardobjektive von Interesse, so z.B. das vom Kombinat VEB Carl Zeiss JENA entwickelte Prakticar 1,4/50 ([5]). Das Hauptproblem bei der Entwicklung derartiger lichtstarker Objektive besteht vor allem darin, dass mit zunehmendem Linsendurchmesser auch der Öffnungsfehler zunimmt. Beim Abblenden lichtstarker Objektive wird dagegen eine günstigere Verteilung der relativen Beleuchtungsstärke erreicht.

Durch den Einsatz spezieller hochbrechender Gläser kann auf im Herstellungsprozess aufwendigere asphärische Flächen verzichtet werden. Ein Beweis dafür, dass es mit einer vollsphärischen Optik möglich ist, die Lichtstärke extrem zu erhöhen, ist ohne Zweifel das von Leitz (BRD) entwickelte Noctilux 1:1/50 mit 7 Linsen in 6 Gruppen. Im Zusammenhang mit Ausführungen zu Möglichkeiten und Grenzen der korrigierenden Wirkung asphärischer Flächen wird in [6] darauf hingewiesen, dass alle durch Asphären erreichbaren Korrektionswirkungen mit erhöhtem Aufwand auch durch sphärische Flächen erreichbar sind. Andererseits haben in den letzten Jahren jedoch auch ashärische Flächen Anwendung in Fotoobjektiven gefunden. So bietet Canon (Japan) in sehr kompakter Bauweise hochlichtstarke asphärische Objektive fester Brennweite (1:1,4/24; 1:1,2/50; 1:1.2/85) und das erste asphärische Varioobjektiv (1:3.5/24...35 mm) an.

Bild 2: Vignettierte Eintrittspupille

Die praktisch sinnvolle Grenze der Lichtstärke lässt sich allerdings unter Beachtung der allgemein üblichen Konstruktionsprinzipien für Spiegelreflexkameras nicht über 1:1,4 steigern. Hauptgrund ist die Vignettierung durch den Bajonettdurchmesser an der Schnittstelle Objektiv/Kamera. Bild 2 zeigt die Eintritsspupille, die zusätzlich durch den hochgeklappten Rückschwingspiegel in der Kamera beschnitten wird. In der Bildecke ist die Vignettierung durch die Objektivfassung dargestellt. Der Lichtverlust kann bis zu zwei Blendenstufen betragen, so dass die höhere Lichtstärke durch die Kamerakonstuktion teilweise wieder kompensiert wird.

Die mit der Erhöhung der Lichtstärke verbundene geringere objektseitige Schärfentiefe kann insbesondere bei Aufnahmen schnell bewegter Objekte mit kurzen Belichtungszeiten (Sportaufnahmen) oder bei ungünstigen Lichtverhältnissen (Reportage, Innenaufnahmen ohne Blitzlicht) genutzt werden. Die damit verbundene bildseitige geringe Schärfentiefe führt dagegen zu konstruktiven Problemen in der Bildebene (exakte Planlage des Filmmaterials), die relativen Öffnungen größer 1:1.4 ebenfalls entgegenstehen. Für den Einsatz von kinematografischen Aufnahmeobjektiven mit extrem hohen Lichtstärken, z.B. mit einem Öffnungsverhältnis von 1:0,7 für das 35-mm-Format, wird der Schärfentiefenbereich bildseitig voll von der Toleranz für die Objektivjustage zur Filmebene (Delta_z' = ±0,02 mm) beansprucht. Damit wird praktisch die Abbildung räumlicher Objekte unmöglich.

Die theoretische Grenze des Öffnungsverhältnisses lässt sich aus der Beziehung

1 : k = 2 * hB / f' ~ 2 * sin(sigmaF' )

(1)

ableiten.

Die Sinusbedingung geht bei der Abbildung aus dem Unendlichen in die Brennweitengleichung

n' / n * lim(abeta' ) mit a' gegen Unendlich = f' = hB / sin(sigmaF' )

(2)

über.

Die Apertur bleibt auf das Intervall -1 <= sin(sigma_F' ) <= 1 beschränkt. Somit kann unter Beachtung der Sinusbedingung das Öffnungsverhältnis nicht über
1 : k = 2 * 1 -> k = ½ = 0,5
gesteigert werden.

Größere Öffnungsverhältnisse können prinzipiell nicht mehr korrigiert werden. Andererseits besitzen derart lichtstarke Objektive keine Schärfentiefe mehr, so dass sie sich letztlich nur zur Abbildung ebener Objekte eignen.

Die theoretische Grenze des Öffnungsverhältnisses wurde annähernd mit der Berechnung eines Röntgenobjektives 1:0,65 (Merté, 1935, Jena) erreicht.

 
2. Wechselobjektive mit fester Brennweite

Die Anwendung der Fisheye-Objektive bleibt weitestgehend auf die künstlerische und professionelle Bildgestaltung beschränkt. Ursprünglich für wissenschaftlich-technische Anwendungen der Geophysik (z.B. fotografische Messung des Bewölkungsgrades) konstruiert, haben sie ihren Platz in der Meteorologie, der Stadt- und Verkehrsplanung und der Astronomie.

Parallel zur Entwicklung von Fisheye-Objektiven dringen auch verzeichnisfreie Weitwinkelobjektive zu immer kürzeren Brennweiten vor.

Mit Bildwinkeln (diagonal) von 104° bis etwa 63° erobern sich diese Objektive einen festen Platz auch in der Amateurfotografie. Unter Beachtung des entsprechend hohen Fertigungsaufwandes sind verzeichnungfrei abbildende Weitwinkelobjektive mit Brennweiten ab 17 mm, das entspricht einem Feldwinkel von 104° für das Kleinbildformat 24 mm X 36 mm, derzeitig international technischer Stand. Problematisch für die Konstruktion des Gesamtsystems Objektiv - Kamera ist die bei Weitwinkelobjektiven naturgemäß geringe hintere Schnittweite. Sie darf den Schwenkbereich des Schwingspiegels in der Kamera nicht unterschreiten. Diese Forderung lässt sich bei Brennweiten kleiner 28 mm nur durch das Retrofokus-Prinzip vermeiden. Das optische System verlagert dabei die bildseitige Hauptebene derart, dass die bildseitige Schnittweite bei Einstellung auf Unendlich größer, als die Brennweite ist. Mit diesem Prinzip verbunden ist ein gravierender Abfall der Abbildungsleistung bei Nahaufnahmen. Da eine optimale Korrektur nur für einen bestimmten Abbildungsmaßstab erzielt werden kann (in der Praxis auf einen unendlich großen Aufnahmeabstand), ist es für die Nah- bzw. Lupenfotografie sinnvoll, das Objektiv umgekehrt an die Kamera anzubringen (Retrostellung). Die moderne Optikkonstruktion strebt jedoch eine automatische, an den Aufnahmeabstand angepasste Korrektur an. Dies wird möglich, wenn bei der Entfernungseinstellung eine oder mehrere Linsen proportional zum Objektivhub verschoben werden (floating elements). In [7] wurde nachgewiesen, dass bei Objektiven nach dem Retrofokus-Prinzip ein derartiger mechanischer Ausgleich der astigmatischen Bildfehler in Abhängigkeit vom Pupillenabbildungsmaßstab und Feldwinkel notwendig wird.

Bild 5: Hauptebenenlage und Baulänge für Objektive verschiedener Brennweite (Verbindung B2 − M42x1/45,5)

Im Gegensatz zu der Verlagerung der bildseitigen Hauptebene bei Weitwinkelobjektiven zur Verlängerung der hinteren Schnittweite besteht bei der Konstruktion von Teleobjektiven das Bestreben, die Objektivhauptebene vor die erste Linse zu verlagern, um eine im Verhältnis zur Brennweite relativ kurze Baulänge zu erzielen. Bild 5 zeigt das Verhältnis von Brennweite zu Baulänge am Beispiel der Objektive Pentacon 2,8/135, 4/200 und 5,6/500. Im Zusammenhang mit der bei zunehmender Brennweite geringer werdenden Schärfentiefe ist für eine sichere Scharfeinstellung die Lichtstärke bei Teleobjektiven von Bedeutung. Moderne Optikkonstruktionen haben die Lichtstärken von 1:4 bei Brennweiten von 200...300 mm und 1:5,6 bei einer Brennweite von 500 mm bereits deutlich überboten. Neben dem Prakticar 2,8/200 (Kombinat VEB Carl Zeiss JENA) sind das FD 1:2,8/200 mm L sowie FD 1:2,8/400 mm L von Canon herausragende Beispiele. Eine Erhöhung der Lichtstärke ist jedoch stets mit einer Vergrößerung des Frontlinsendurchmessers und daraus resultierend meist auch mit einer Gewichtszunahme verbunden. Das lichtstarke Nikon 1:2/300 ED weist eine Masse von 7,1 kg auf

Neben einem relativ hohen mechanischen Aufwand hinsichtlich Materialeinsatz und Herstellung führt das konventionelle Einstellfassungsprinzip ("Schneckengang" als Differentialgewindetrieb zur Umwandlung der Drehbewegung am Entfernungseinstellring in eine Längsverschiebung der optischen Glieder) bei langen Auszügen zu einer beachtlichen Kopflastigkeit des Objektivs bei Naheinstellung. Da die Befestigung des Stativs z.B. beim Praktikar 5,6/500 am Objektiv erfolgt, wird die Naheinstellung durch das Verschieben der Kamera am Objektiv erschwert. Im Zusammenhang mit einem linearen Gewindetrieb steht auch der Nachteil einer bei gleichem Drehwinkel im Fernbereich schneller werdenden Schärfentiefenverlagerung. Abhilfe schaffen kann eine Entlinearisierung der Einstellbewegung z.B. durch Kurvensteuerung.

Verbunden mit einer Streckung der Einstellbewegung wird so eine höhere Einstellgenauigkeit erzielt. Die Entwicklungstendenz bei Teleobjektiven zeigt aus diesen Gründen einen deutlichen Trend zur Innenfokussierung. Dabei bilden sowohl der Objektivkörper, als auch die Kamera eine feststehende Einheit. Die Entfernungseinstellung erfolgt durch eine im Vergleich zum Einstellfassungsprinzip geringe Verschiebung des vorletzten oder mehrerer Glieder. Korrektionsmöglichkeiten ergeben sich dabei in Abhängigkeit der Bewegungsabläufe dieser Glieder. Durch getrennte Kurvensteuerung mehrerer optischer Glieder lassen sich zum Beispiel Astigmatismus und Kugelgestaltsfehler weitgehend kompensieren. Besondere Bedeutung kommt der Innenfokussierung zur Herabsetzung der Naheinstellgrenze bei der Makrofotografie zu. Da die Konstruktion einer kurvengesteuerten Innenfokussierung kompakter, als das konventionelle Einstellfassungsprinzip realisiert werden kann, bietet sich in diesem Zusammenhang eine Erweiterung des Einstellbereiches an. Da nur eine optische Komponente um einen relativ geringen Betrag verschoben werden muss, kann mittels großer Kurvensteigung auch ein kleiner Drehwinkel am Entfernungseinstellring für die schnelle Scharfeinstellung Vorteile bieten.

Bild 6: Sigma 1 : 3,5/200 mm mit Innenfokussierung

Das im Bild 6 gezeigte Sigma 1:3,5/200 mm hat eine Naheinstellgrenze von 0,85 m; die Scharfeinstellung von Unendlich bis 0,85 m erfolgt dabei über einen Drehwinkel von nur etwa 90°.

Im Gegensatz dazu wird bei Objektiven nach dem Einstellfassungsprinzip für die Realisierung des Abbildungsmaßstabes 1 eine Ausszugslänge gleich der Objektivbrennweite benötigt.

Bei einem Standardobjektiv wäre das bei einer Naheinstellung auf 100 mm (etwa 200 mm, da von der Filmebene aus gemessen wird.) ein Auszug von etwa 50 mm. Zu umgehen ist dieses konstruktive Problem nur durch Zwischenringe oder Balgennaheinstellgerät.

Eine Verbesserung der Abbildungsleistung vor allem bei langbrennweitigen Objektiven ermöglicht der Einsatz hochgezüchteter optischer Gläser mit anormaler Teildispersion. Die Korrektur der Farbfehler erfolgt für achromatische Objektive für die Wellenlängen des blauen und roten Lichts, so dass ein sogenanntes sekundäres Spektrum verbleibt, welches für einen Restfehler verantwortlich ist. Dieser restliche Farblängsfehler auf Grund des sekundären Spektrums liegt bei 1/1000 der Brennweite. Er kann mittels apochromatischer Systeme behoben werden, in denen zu diesem Zweck Flour-Gläser mit extrem niedriger Dispersion (z.B. Nikon-ED- und Canon-UD-Gläser) eingesetzt werden. Allerdings sind zum Beispiel Calziumfluorid-Kristalllinsen wesendlich feuchtigkeits- und temperaturempfindlicher, als normales optisches Glas, was zu Schwierigkeiten bei der Bearbeitung führt. Solche Linsen sind daher auch nicht als Front- oder Hinterlinsen einsetzbar (geringe Härte und Kratzfestigkeit).

Andere Besrebungen gehen dahin, möglichst extrem zentrierunempfindliche Linsen einzusetzen und somit den technologischen Aufwand zu reduzieren. Eine hohe Zentrierunempfindlichkeit wird dabei allerdings nur mit einer Erhöhung der Anzahl der optischen Elemente erreicht (vgl. [8]).

Eine gebrauchswerterhöhende Steigerung der optischen Packungsdichte, d. h. eine kompaktere Konstruktion von langbrennweitigen bzw. Teleobjektiven ist prinzipiell nur unter Zuhilfenahme sphärischer Spiegelflächen möglich. Typische Vertreter sind katadioptrische Zweispiegelsysteme nach dem Cassegrain-Prinzip. Die kompakte Bauweise ergibt sich aus der Verlagerung der Hauptebenen vor das System. Negativ wirken sich die Probleme der Zentralabschattung und der Zentrierempfindlichkeit sphärischer Spiegel aus.

 
3. Wechselobjektive mit veränderlicher Brennweite

Wechselobjektive mit veränderlicher Brennweite stellen prinzipiell eine neue Generation fotografischer Objektive dar. Im Gegensatz zu Objektiven mit fester Brennweite besitzen sie einen veränderlichen Bildwinkel und Abbildungsmaßstab in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Brennweite.

Ein natürliches Vorbild haben diese Objektive im menschlichen Auge. Die Akkomodation des Auges ermöglicht eine Variation der Brennweite des Linsensystems von 40,416 mm auf 69,908 mm. Das Funktionsprinzip beruht auf der Veränderung der Radien bzw. der Dicke der Augenlinse, welches auch mit der Bezeichnung "Gummilinse" charakterisiert wird. Die Brechkraft der elastischen Kristalllinse liegt zwischen 19,11 dpt (Dioptrien) im entspannten und 33,06 dpt im angespannten Zustand; die Radien verändern sich beim Akkomodieren für r1 von 10 mm auf 5,3 mm und für r2 von -6,0 mm auf -5,3 mm. Zu beachten ist außerdem die Abnahme der Brechkraft vom Kern zum Rand hin von 1,406 auf 1,386 (Brechzahlgradient). Das Konsruktionsprinzip dieser "Gummilinse" liefert im Ergebnis jedoch eine stark fehlerbehaftete Abbildung, die erst durch die Funktion eines komplizierten Systems, des gesamten "optischen Analysators" ([9]) korrigiert wird.

Bild 7: Prinzip der optischen Kompensation (nach [10])

Im Gegensatz dazu lassen sich Objektive mit veränderlicher Brennweite nur aus mehreren Einzellinsen, die mit unterschiedlichen Bewegungsabläufen zueinander verschoben werden, realisieren. Grundsätzlich unterscheidet man nach dem jeweiligen Prinzip der optischen Konstruktion Objektive mit optischer und mechanischer Kompensation. Ziel der optischen Konstruktion ist es, eine feste Bildebene zu garantieren bzw. die Schwankungen der Bildebenenlage im Bereich der bildseitigen Schärfentiefe zu halten. Dabei muss gleichzeitig eine Korrektion der Abbildungsfehler für den gesamten Einstellbereich möglichst gleichermaßen gut vorgenommen werden. Grundsätzlich kann die optische Korrektion nur im Sinne der Erreichung einer anwendungsbezogenen Zielfunktion vorgenommen werden. In Abhängigkeit von den Stellungen der optischen Komponenten zueinander treten bei den Bildfehlern Maxima- und Minimastellen auf. Entsprechend des Anwendungsgebietes (Fern-, Standard- oder Nahbereich) erfolgt die Korrektion unter Beachtung dieses Bildfehlerverlaufs, wobei für die anderen Bereiche Kompromisse hinsichtlich der Leistungsparameter in Kauf genommen werden müssen. Damit im Zusammenhang steht auch die historische Entwicklung der Varioobjektive. Sie nahm ihren Anfang für genügend kleine Aufnahmeformate (8-mm- und 16-mm-Film) bei relativ kurzen Objektivbrennweiten. Erst mit der Verbesserung der optischen Korrektionsmethoden eroberten sie sich die Dominanz bei TV-Objektiven bis zu extremen Brennweitenbereichen (z.B. Schneider-TV-Variogone 18...200 mm und 20...600 mm), sowie vor allem in den 70er Jahren zunehmend das Kleinbildformat. Das Prinzip einer optischen Kompensation ist im Bild 7 dargestellt. Bei linearer Verschiebung der Komponenten 1 und 3 dieses aus drei Komponenten bestehenden pankratischen Systems andert sich zwar der Ort der Bildebene, ist aber für drei Nullstellen der auf die Bildebenenlage bezogenen Newton'schen Abbildungsgleichung gleich ([10]):

l' = v + ((t12 - v) * f3' 2) / ((t12 - v) * (t23 + v) - f2' 2) - (t12 * f3' 2) / (t12 * t23 - f2' 2) = 0

(8)

Durch entsprechende optische Parameter der einzelnen Elemente kann erreicht werden, dass die Bildebenenabweichung außerhalb dieser Nullstellen innerhalb der Schärfentiefe des Gesamtsystems liegt.

Bild 8: Vario-System mit 4 optischen Gliedern (a) und Vario-System mit 2 optischen Gliedern (b)

Dieses Ziel ist jedoch nur mit einer Vielzahl optischer Linsen zu realisieren. Der Vorteil der optischen Kompensation besteht in der relativ einfachen mechanischen Gerätekonstruktion, da nur eine lineare Verschiebung von zwei oder drei optischen Gliedern notwendig ist. Mit weniger optischen Elementen, aber dafür erhöhtem mechanischen Aufwand kann demgegenüber eine sogenannte mechanische Kompensation realisiert werden. Objektive mit mechanischer Kompensation sind generell leistungsstärker, da über den gesamten Brennweitenbereich eine unverändert exakte Bildebenenlage gewährleistet werden kann. Das optische System hat dabei grundsätzlich folgende Funktionen zu erfüllen:

• Änderung des Abbildungsmaßstabes bzw. der Brennweite,
• Gewährleistung der konstanten Bildebenenlage,
• Entfernungseinstellung und
• Gewährleistung eines guten Korrekturzustandes über den gesamten Einstellbereich.

Bild 9: Prinzip der mechanischen Kompensation (zerstreuendes Frontglied, sammelndes Hinterglied)

In der Praxis wird je nach Konstruktionsprinzip eine Einteilung in Einring- und Zweiring-Zoomobjektive vorgenommen. Während beim Zweiring-Zoom Brennweite und Entfernung an je einem drehbaren Ring eingestellt werden, erfolgt die Brennweiteneinstellung beim Einring-Zoom durch lineares Verschieben des Frontringes, an dem gleichzeitig durch Drehen die Scharfeinstellung vorgenommen wird.

Problematisch bei Zoomobjektiven erscheint die Gewährleistung eines festen Öffnungsverhältnisses unabhängig von der Brennweite. Dies ist nur möglich, wenn sich die Öffnungsblende hinter dem eigentlichen pankratischen System befindet, und mit einer dahinter angeordneten weiteren optischen Komponente eine feste Lage gegenüber der Bildebene besitzt. Um diese zusätzliche optische Komponente zu vermeiden, kann auch für die Öffnungsblende eine mechanische Kompensation vorgenommen werden. Dabei muss die Blende in nichtlinearer Abhängigkeit von der jeweiligen Brennweite durch ein relativ aufwendiges und sehr eng toleriertes mechanisches System korrigiert werden.

Unter Berücksichtigung der in modernen Spiegelreflexkameras vorhandenen Belichtungsautomatik und auch der hohen Lichtempfindlichkeit moderner Aufnahmematerialien tritt die Notwendigkeit eines festen Öffnungsverhältnisses jedoch in den Hintergrund. Ebenso die im Vergleich zu Objektiven mit fester Brennweite relativ geringe Lichtstärke von 1:3,5...1:4 der meisten derzeit auf dem internationalen Markt angebotenen Geräte.

Größere Lichtstärken führen zwangsläufig zu größeren Frontlinsendurchmessern. Neben dem Vorteil der stufenlosen Brennweitenänderung, der für den Anwender mit wesendlich bequemer Arbeitsweise und finanzieller Ersparnis durch Ersatz von zwei bis drei festbrennweitigen Objektiven verbunden ist, sind die meisten Zoom-Objektive gleichzeitig auch für extreme Nah- bzw. Makroeinstellungen korrigiert. Der Entwicklungstrend bei Zoom-Objektiven geht derzeit eindeutig von ausgesprochenen Tele-Zooms der Bereiche 80...200 mm und 100...300 mm zu Universalzoomobjektiven mit mehr, als 5fachen Brennweitenbereich. Als Spitzenleistung in dieser Entwicklungsrichtung können die Tokina-Objektive 1:4...4,6/28...135 mm und 1:3,5...4,5/35...200 mm der ATX-Serie (Advanced Technology) angesehen werden. Faktisch decken diese Objektive den Bereich von fast 6 Objektiven mit fester Brennweite ab (28, 35, 50, 85, 105, 135, 200; f in mm). Diese noch nicht abgeschlossenen ATX-Reihe verkörpert ein Entwicklungskonzept unter Einsat neuartiger Konstruktions- und Fertigungsverfahren, welches zu hoher Qualität, besten optischen Parametern sowie zu einer kompakten Bauweise führt. Beachtlich ist die notwendige Vielzahl von mechanischen und optischen Bauelementen (16 Linsen). Dieser Entwicklungssprung in qualitativer und konstruktiver Sicht wurde möglich durch neue konstruktive Möglichkeiten unter Verwendung neuartiger Werkstoffe (auch Plastmaterialien), neuer optischer Gläser und neuer optimierter Rechenmethoden im Zusammenhang mit der Entwicklung der Computertechnik. Praktisch realisierbar erscheint unter diesem Gesichtspunkten ein Brennweitenbereich von 24...200 mm. Die bereits aufgeworfene Frage nach dem 5...500 mm Universal-Zoom mit Lichtstärke 1:1,8 und Makroeinstellung bis 1:1 ([11]) muss dagegen aus praktischer Sicht als Spekulation auf zukünftige Entwicklungen angesehen werden. Sicher erscheint dagegen die Tatsache, dass sich Kamerahersteller zunehmend auf Zoomobjektive des Standardbereichs als Grundausstattung für Spiegelreflexkameras umstellen werden. Als typisch anzusehen sind dafür die Brennweitenbereiche 35...70 mm und 28...50 mm. Zoomobjektive dringen zunehmend auch in den Weitwinkelbereich ein, so z.B. das Sigma 1:3,5...4/21...35 mm mit einem Bildwinkel von 92°...63° und das asphärisch korrigierte Canon FD 1:3,5/24...35 mm.

 
4. Schnittstellenprobleme im System Kamera - Objektiv

Im Zusammenhang mit der Entwicklung elektronischer Belichtungsautomatiken haben sich zusätzliche Probleme für die Schnittstelle zwischen Kamera und Wechselobjektiv ergeben. Neben der eigentlichen mechanischen Fixierung müssen an dieser Stelle zusätzliche Adapterfunktionen realisiert werden. Mit der Einführung der heute üblichen Offenblenden-Messmethode musste einerseits der Blendenwert des Objektivs als mechanische oder elektrische Information in die Kamera geleitet werden und andererseits bei Auslösung der Belichtung die Betätigung eines Mechanismus im Objektiv zum Blendenantrieb (Druckblenden- oder Springblendenmechanismus) erfolgen. Voraussetzung zur Realisierung dieser Adapterfunktion ist eine exakte Lageorientierung zwischen Objektiv und Kamera. Da das international weit verbreitete Praktica-Gewinde (Verbindung B2 - M42 x 1/ Bildebenenabstand 45,5 nach TGL 8232) eine konstruktions- bzw. fertigungstechnisch bedingte Toleranz der Nullstellung aufweist, erfolgte zunehmend seit den 70er Jahren eine Umstellung auf Bajonettanschlüsse, im Zusammenhang mit Absatzstrategien zumeist firmenspezifisch, so dass eine Verwendung von Fremdobjektiven nur noch mittels spezieller Adapter möglich wurde.

Bild 10: Prakticar-Bajonett Ø 48,5/44,4 nach TGL 8232

In der Folge wurde vor allem von japanischen Kameraherstellern Bestrebungen eingeleitet, das von Asahi bereits 1971 eingeführte K-Bajonett international zu standardisieren. In der Sowjetunion erfolgte die Standardisierung dieses Bajonettanschlusses in GOST 24 692 -91. Diese Standardisierungsbestrebungen werden jedoch von den gegensätzlichen Entwicklungskonzeptionen der Blendenwertübertagung aus dem Objektiv in die Kamera zwecks Belichtungszeitsteuerung beeinflusst. Weit verbreitet sind einerseits Methoden der mechanischen Übertragung und nachträgliche Umwandlung in elektrische Signale in der Kamera und andererseits die von Pentacon eingeführte elektrische Blendenwertübertragung. Während das K-Bajonett für eine mechanische Blendenwertübertragung dimensioniert ist, wurde mit Überleitung der B-Kamerareihe von Pentacon in der DDR ein spezielles Praktica-Schnellwechselbajonett (Verbindung C - 48,5) mit einem Eindrehwinkel von etwa 60° eingeführt (Bild 10). Die Verbindung C - 48,5/ Bildebenenabstand 44,4 nach TGL 8232 ist gleichzeitig für die elektrische Blendenwertübertragung ausgelegt.

Die mechanische Größe des Blendenwertes wird dabei mittels eines exponetionellen Spannungsteilers im Objektiv in eine elektrische Größe umgewandelt und in Form der elektrischen Dämpfung in die Kamera übertragen ([12]). Diese elektrische Blendenwertübertragung hat ihre Vorteile gegenüber mechanischen Lösungen vor allem bei der Verwendung von auszugsverlängerndem Zubehör. Auch eine direkte digitale Eingabe der Blendenwerte ist technisch realisierbar. Interessante Perspektiven bietet diese Konzeption außerdem für zukünftige elektronisch steuerbare Objektivblenden, sowie für Autofokussysteme. Ein Beispiel für die Einbeziehung elektromechanischer Bauelemente sind die Sekor-Z-Objektive für Mamiya-Mittelformatkameras oder die HFT-Wechselobjektive für die Rolleiflex SLX. Die Steuerung des Blendenverschlusses erfolgt über 12 Goldkontaktr am Bajonettanschluss, die Blenden- und Verschlusszeitensteuerung über einen im Objektiv integrierten Linearmotor. Für eine motorisierte Scharfstellautomatik lassen sich ebenfalls verschiedene Entwicklungsrichtungen erkennen. Eine bereits marktreife technologische Konzeption von Canon geht von einem an das Objektiv angebauten Elektromotor mit eigener Energiequelle aus und gewährleistet so eine von der Kamera unabhängige Funktion.

Die Steuerung der Scharfeinstellung selbst erfolgt dabei mittels CCD-Bildhalbleiterelementen ohne mechanisch bewegte Teile. Allerdings zeichnet sich das Spitzenmodell von Canon, ein Zoomobjektiv 1:4/35...70 mm, durch relativ starke Volumen- und Massezunahme (645 g) aus. Eine andere Konzeption geht von einem in die Kamera integrierten Servomotor aus, der den gesamten Brennweitenbereich der zur Anwendung kommenden Wechselobjektive Überbrücken muss. Der notwendige Einstellbereich beträgt damit etwa 10...100 mm. Um dieses Problem konstruktiv zu umgehen, gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

1. Die Kamera wird mit einem Universal-Zoom mit möglichst großem Brennweitenbereich ausgestattet.
2. Der Scharfstellmechanismus wird vom Objektiv in die Kamera verlagert, ähnlich dem Prinzip der Balgenkamera.
3. Die optischen Systeme aller Wechselobjektive werden auf Innenfokussierung mit einem einheitlichen, konstanten mechanischen Einstellweg umgestellt.

• sehr kurze Einstellwege,
• günstige mechanische Parameter für elektro-mechanische Antriebe,
• günstige Korrekturmöglichkeiten für den Nahbereich,
• kompakte Bauweise (Volumen- und Massereduzierung).

 
5. Entwicklungstendenzen

Nach wie vor wird die weitere Entwicklung fotografischer Objektive vor allem durch die erweiterten Möglichkeiten der Rechentechnik stark beeinflusst. Die Möglichkeiten der Optik-Rechnung werden jedoch ebenso von der Weiterentwicklung optischer Gläser, vor allem solcher mit hoher Refraktion und besonders niedriger Dispersion beeinflusst. Andererseits gibt es auch Beispiele dafür, dass ein teilweiser Ersatz hochbrechender Gläser durch Optik-Optimierung möglich ist [12]. Gründe dafür können technologischer und ökonomischer Art im Zusammenhang mit technologischen Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von hochbrechenden, aber weichen Gläsern (z.B. stark bleihaltige Schwerflinte) sein. Hierbei wird deutlich, welchen Einfluss die Chemie und die Werkstofftechnik auf die Bearbeitung optischer Gläser und damit auf ihre ökonomische Anwendung haben. Grundsätzlich stellt jeder Fortschritt in der Optikentwicklung neue Anforderungen an die Entwicklung des optischen Glases. Als Beispiel dafür steht die bei der Entwicklung von Varioobjektiven für Fernsehkameras erreichbare kurze Baulänge durch Einsatz von LaSK-Gläsern. In [12] wird über die Anwendung dieser hochbrechenden Lanthanschwerkrongläser für das Variotevidon 2/18...90 mm berichtet.

Tabelle: Optisches farbloses Glas (nach Optisches farbloses Glas/ Werte der Eigenschaften, Druckschrift 0142/2. Teil, VEB JENA^er GLASWERK)

Glastyp		Code- Nr.		ne		e		nF' - nC'		rho (in kg/dm3)
FPSK 1 FK 3 FK 5 BK 3 SK 4 LaSK 3 LaSF 82		1005 1013 1016 1059 1181 1231 1424		1,50620 1,46619 1,48915 1,50012 1,61521 1,73440 1,84687		80,37 65,47 69,77 64,95 58,36 51,98 28,16		0,00627 0,00712 0,00701 0,00770 0,01054 0,01413 0,03007		3,79 2,28 2,45 2,37 3,56 4,05 5,20

Dabei ist die relativ hohe spezifische Masse der Schwerkrone und Schwerflinte aufgrund der notwendigen Schwermetallioneneinlagerung zu beachten. Aus der Forderung, die Masse optischer Systeme zu reduzieren, resultiert somit oftmals auch die nach Leichtgewichtsgläsern möglichst hoher Brechung. Zu berücksichtigen ist, dass die weiteren Möglichkeiten der Berechnung fotooptischer Systeme einer Optimierung der optischen Konstanten, der thermischen und mechanischen Eigenschaften (vor allem Masse und relative Schleifhärte) unterliegen. Die Tabelle gibt einen Überblick über wichtige Parameter optischer Gläser.

Vor allem bei Tele- und Fernobjektiven wirkt sich der Farbfehler stark negativ auf Schärfenleistung und Farbkorrektion aus. Aus diesem Grund werden für derartige Objektive zunehmend Gläser mit extrem niedrigem Brechungsindex sowie anormaler Teildispersion eingesetzt. Diese Gläser zeichnen sich gleichzeitig durch eine geringere Masse aus und begünstigen die Leichtbauweise der Objektive.

In Abhängigkeit davon, wie es gelingt, die Fertigung von asphärischen Flächen ökonomisch zu gewährleisten, kann ebenfalls eine Verbesserung der Abbildungsleistung vorhandener optischer Systeme oder eine Reduzierung von Linsen bei gleichbleibender optischer Leistung erzielt werden.

Im Zusammenhang mit der ökonomischen Herstellung von Asphären steht auch das Problem des Fertigpressens optischer Elemente sowohl aus Glas, als auch aus hochpolymeren Werkstoffen.

Bereits in den siebziger Jahren gab es beachtenswerte Entwicklungen optischer Plastmedien. Neben Thermoplasten wie PMMA kommen für den Einsatz in optischen Systemen auch Duroplaste in Betracht. So wurde für Brillengläser mit hoher Wisch- und Kratzfestigkeit bei nahezu volliger Unzerbrechlichkeit duroplastisches Polymerisat des Diethylenglykol und für Plastoptiken mit relativ hoher Abbildungsqualität der polymere Terephthalsäurediallyster AW 15 entwickelt. Durch den Einsatz von polymeren optischen Elementen können Systeme mit erheblicher Massereduzierung hergestellt werden. Ein Beispiel dafür stellt das in [21] vorgestellte Vivitar-Spiegellinsenobjektiv 4,5/450 mm mit einem asphärischen PMMA-Element dar. Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet nutzen die relativ leichte Beschichtbarkeit von Duroplasten im Hochvakuum zur Oberflächenverfestigung und zum Schutz gegen äußere Einflüsse.

Bild 11: Wood-Linse mit radialem Brechzahlgradienten und radialer Gradientenlinse

Neue Möglichkeiten für dei Optik-Konstruktion können sich ergeben, wenn es gelingt, reproduzierbare Technologien für die Herstellung von den international im Stadium der Grundlagenforschung befindlichen Gradienten-Index-Linsen (GRIN) zu finden. Beruht die optische Wirksamkeit herkömmlicher Linsen auf einer möglichst hohen Homogenität des Glases bezüglich der Brechzahl im gesamten Volumen bei gleichzeitiger nichthomogener Geometrie bezüglich der optisch wirksamen Flächen, so beruht die Wirksamkeit von GRIN-Elementen auf einer exakt definierten Brechkraftverteilung in einem optisch inhomogenen Medium. Die Optikkorrektion muss dabei durch Änderung der Funktion einer räumlichen Brechkraftverteilung erfolgen. Anstelle eines einzelnen Parameters muss dabei eine Funktion variiert werden, was erhebliche mathematische Probleme mit sich bringt. Durch diese Erhöhung des Freiheitsgrades bei der Optik-Rechnung lassen sich die Anzahl der optischen Elemente reduzieren und asphärische Flächen vermeiden. In [13] wurde der Entwurf eines fotografischen Gradienten-Index-Objektivs diskutiert. Das GRIN-Profil in einem Linsenelement ist dabei als nur abhängig von der Distanz zur optischen Achse r angenommen. Es besteht ein radiales Brechzahlprofil folgender mathematischer Beschreibung:

n(r) = n0 + n1r2 + n2r4 + ...

(9)

n₀ ist dabei der Index auf de optischen Achse, der der Brechzahl eines homogenen Elements entspricht.

*) Ein von Robert W. Wood bereits 1905 beschriebenes optisches Element mit zwei optisch wirksamen Planflächen und inhomogenem radialem Brechzahlverlauf.

Bild 11 zeigt eine einfache farbortkorrigierte Wood-Linse*) und ein GRIN-Element, welches zusätzlich mit zwei Freiheitsgraden durch zwei optisch wirksame Flächen zur optischen Korrektion versehen wurde. Mit zwei derartigen GRIN-Elementen wurde ein optisches System entwickelt, welches dem bekannten Doppel-Gauß-Typ mit 6 Linsen entspricht.

Bild 12: GRIN-Fotoobjektiv mit f = 50 mm (nach [13])

Das in Bild 12 gezeigte System mit zwei optischen Elementen einer Mittendicke von etwa 10 mm bzw. 20 mm hat eine Brennweite von 50 mm, einen Öffnungswinkel von 43,6° und eine relative Öffnung von 1:2. Die derzeitig bekannten und in Erprobung befindlichen Technologien zur Herstellung von GRIN-Elementen basieren beispielsweise auf dem Prinzip des Ionenaustausches, der Replatzierung von Na⁺-Ionen durch Ag⁺-, K⁺- oder Li⁺-Ionen. Eine aussichtsreiche Entwicklung deutet sich auch durch die Verwendung von Siliziumnitrid als Zweistoffsystem SiO₂-Si₃N4 mit einer Brechzahlstreuung in Abhängigkeit von der Komposition von n = 1,5 bis n = 2,0 an [14]. Auch bei hochpolymeren Werkstoffen ist es prinzipiell möglich, die Brechkraft in Abhängigkeit vom Polymerisationsgrad zu verändern. Dieser kann durch hochenergetische Bestrahlung in bestimmten Grenzen verändert werden, wobei es auf einen exakt reproduzierbaren Brechzahlverlauf ankommt.

Völlig neue Perspektiven dagegen würden Elemente eröffnen, deren optische Parameter elektrisch steuerbar wären. In diesem Zusammenhang wurde in [15] über eine interessante Idee berichtet. Mit Hilfe eines piezoelektrischen und zugleich optisch wirksamen Elements, welches mit einer Frequenz von 220 Hz über eine Distanz von 0,3 mm schwingt, lässt sich ein Fixfokus-Objektiv mit einem Schärfentiefenbereich von etwa 30 cm bis Unendlich realisieren. Auch an den Einsatz von PLZT-Keramik für optische Verschlüsse oder Blenden ist bereits gedacht worden. Das Problem beteht in der relativ aufwendigen Generation hoher elektrischer Spannungen für derartige elektro-optische Wandler, die auf einer Abhängigkeit der Doppelbrechung von der elektrischen Feldstärke (etwa 0,7...1,5 kV/mm) beruhen.

Dagegen lassen sich Flüssigkristalle auch mit niedrigeren Spannungen ansteuern; und ihre Ansprechfähigkeit auf elektrische Signale liegt im Mikrosekundenbereich. Ein Flüssigkristallverschluss mit zwei gekreuzten Polarisationsfiltern hat aber einen in Bezug auf die Transparenz relativ schlechten Wirkungsgrad. Auf einige Probleme in diesem Zusammenhang wurde bereits in [16] und [17] hingewiesen.

Bild 13: Fotografische Kamera mit holografischen Elementen (nach [19], [20])

Bild 14: Holografisches Fotoobjektiv (nach [18])

Ein Beispiel für die Anwendung völlig neuer physikalischer Wirkprinzipien zur Realisierung fotografischer Objektive ist der Einsatz von holografisch abbildenden Elementen. Ein holografisches Fotoobjektiv mit zwei Reflexionshologrammen wurde in [18] vorgestellt. Bild 13 zeigt den prinzipiellen Aufbau mit Reflexionshologrammen auf einer ebenen und einer sphärisch konkaven Fläche. Das Objektiv für das Kleinbildformat 24 mm x 36 mm besitzt eine Brennweite von 240 mm und eine relative Öffnung von 1:6.

Transmissionshologramme können auch an Stelle von realen Linsen verwendet werden. Derartige holografische Linsen werden mittels lichtempfindlicher Schichten auf Glassubstraten hergestellt (z.B. 1 µm Fotolackschicht auf 1,6 mm Glassubstrat). Die Belichtung erfolgt bei Überlagerung eines durch die reale Linse gehenden Laserstrahls mit einem sogenannten Referenzstrahl. Die reale Linse dient also gewissermaßen als Werkzeug zur Herstellung ihrer holografischen Abbildung, die dann als optisches Element Verwendung findet.

Bild 14 zeigt ein optisches System, bestehend aus einer holografischen Linse und einem holografischen Gitter. Die Abbildung ist stark wellenlängenabhängig; das Objektiv ist nur im monochromatischen Licht funktionstüchtig. Eine Korrektion der chromatischen Aberration kann durch Hinzufügen weiterer holografischer Linsen vorgenommen werden, die man mit Laserlicht verschiedener Wellenlängen herstellt. Dieses Beispiel macht deutlich, dass die Entwicklung der Lasertechnik und der für die Anwendung in der Mikroelektronik zur Perfektion entwickelten Mikrolithografie zur praktischen Nutzung physikalischer Effekte führen kann, die in ihrer Basischarakteristik bereits von Soret und Wood Ende des 19. Jahrhunderts beschrieben wurden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Entwicklung der Mikroelektronik und der Elektroniktechnologie, ergänzt durch neue Erkenntnisse der Werkstofftechnik, ebenso wie auf die Entwicklung des Kamerabaus auch einen zunehmenden Einfluss auf den Objektivbau ausübt. In dem Maße, wie es gelingt, ökonomische Technologien für neue mikroelektronische, optoelektronische, elektro-mechanische und optische Bauelemente durchzusetzen, wird auch die Entwicklung des optischen Gerätebaus und damit auch die fotografischer Objektive neue Impulse erhalten.

    Literatur

[1]	Halbleiterelemente und integrierte Schaltungen für Kameras / Bergmann, H. - In: Bild und Ton. - Leipzig 33 (1980 4. - S. 119-124
[2]	Einsatz der Mikroelektronik in Spiegelreflexkameras / Kühnel, C. - In: Bild und Ton. - Leipzig 34 (1981) 11. - S. 343-347
[3]	Mikroelektronik im Kamerabau / Ufer, W. - In: Bild und Ton. - Leipzig 37 (1984) 1. - S. 22-24
[4]	Die elektronische Einzelbildkamera / Völz, H. - In: radio fernsehen elektronik. - Berlin 32 (1983) 5. - S. 322-324
[5]	Das neue Jenaer Standardobjektiv für die Kleinbildfotografie Prakticar 1,4/50 / Dietzsch, E., Zitzmann, G. - In: Bild und Ton. - Leipzig 33 (1980) 12. - S. 377-378
[6]	Möglichkeiten und Grenzen der Korrektion von Aberationen / Hofmann, C. - In: Feingerätetechnik. - Berlin 29 (1980) 11. - S. 507-510
[7]	Objektive mit floating lens / Dietzsch, E. - In: Bild und Ton. - Leipzig 35 (1982) 3. - S. 69-76
[8]	Fünfgliedriges fotografisches Objektiv / Tautz, V., Benedix, G. - DDR-Patentschrift WP G 02 B/2403 294
[9]	Sehvorgang und technische Bilderzeugung / Gießmann, H.-G. - In: Feingerätetechnik. - Berlin 32 (1983) 4. - S. 175-178
[10]	Optik, Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen / Haferkorn, H. - VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1980. 626 S.
[11]	Tokina AT-X 4-4,6/28-125 mm - Sechs in einem / Kaspar, H. - In: Color Foto. - München 13 (1983) 11. - S. 34
[12]	Einfluß der Jenaer Optischen Gläser auf die Fotoobjektiventwicklung / Hofmann, C., Schneider, U. - In: Feingerätetechnik. - Berlin 33 (1984) 4. - S. 176-178
[13]	Design of a gradient-index photografic objektive / Atkinson, L. G., Moore, D. T., u. a. - In: Applied optics. - 21 (1982) 6. - S. 993-998
[14]	Silicon oxynitride, a material for GRIN optics / Baak, T. - In: Applied optics. - 21 (1982) 6. - S. 1069-1072
[15]	Shoptalk / Goldberg, N. - In: Popular Photography. - 90 (1983) 2. - S. 10, 166
[16]	Zur Substitution mechanischer Baugruppen in der Amateur-Stehbildkamera / Reimann, H. F. - In: Bild und Ton. - Leipzig 30 (1977) 8. - S. 241-246
[17]	Automatik: Flüssigkristalle in der Kameratechnik? / Mannheim, L. A. - In: Color Foto. - München 10 (1980) 2. - S. 102-107
[18]	Ein neuartiges holografisches Photoobjektiv / Weingärtner, I., Stenger, H., Rosenbruch, K.-J. - In: Optik. - 66 (1983) 1. - S. 101-104
[19]	Shoptalk / Goldberg, N. - In: Popular Photography. - 89 (1982) 3. - S. 11, 30
[20]	Chromatic correction of two- and three-element holographic imaging systems / Weingärtner, I., Rosenbruch, K.-J. - In: Optica Acta. - 29 (1982) 4. - S. 519
[21]	Aufbau und Anwendung von Spiegel- und Spiegellinsenobjektiven / Prenzel, W.-D. - In: Bild und Ton. - Leipzig 37 (1984) 3. - S. 69-77