Qualitätsmerkmale von Objektiven

Die Frage nach der Qualität eines Objektives läßt sich nicht durch eine einzige Zahl beantworten, sondern es sind mehrere z. T. voneinander unabhängige Angaben notwendig, um ein Objektiv zu beurteilen.

Zu diesen Angaben gehören:

Nachfolgend werden diese auch in den Datenblättern auftretende Begriffe erläutert.

data_sheet_2_02.gif,data_sheet_1_02.gif
Objektivabmessungen, optische Systemdaten, MTF
data_sheet_2_02.gif,data_sheet_1_02.gif
Rel. Beleuchtungsstärke, Verzeichnung, Transmission

Original Datenblatt als Beispiel


Beleuchtungsstaerke_03.gif
Relative Beleuchtungsstärke als Funktion über den Bildwinkel

Relative Beleuchtungsstärke

Der Helligkeitsabfall zum Bildfeldrand setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Einerseits bewirkt die natürliche Vignettierung einen Helligkeitsabfall mit der 4. Potenz des Kosinus des Bildwinkels w. Dieser Effekt kann durch Verzeichnung im Bild und durch Pupillen-Koma verändert werden.

Andererseits bewirken Beschneidungen des Strahlenganges durch Fassungsränder einen zusätzlichen Helligkeitsabfall (künstliche Vignettierung). Dieser läßt sich durch Abblenden verringern und verschwindet in der Regel bei Abblendung um zwei bis drei Blendenstufen. Die Kurven in den Datenblättern geben die resultierenderelative Beleuchtungsstärke (Bezug = Bildmitte) als Funktion des Bildwinkels w an.


Verzeichnung_04.gif
Verzeichnung

Verzeichnung

Die Verzeichnung ist ein Abbildungsfehler, der eine Verformung der Bildgeometrie bewirkt. Ein Rechteck z.B. wird je nach Art der Verzeichnung kissenförmig oder tonnenförmig wiedergegeben.

Auch eine Umkehrung des Vorzeichens bei einer bestimmten Bidhöhe ist möglich. Die Verzeichnung ist vom Abbildungsmaßstab abhängig und in den Datenblättern immer auf die für die Anwendung vorgesehene Bildebene bezogen.


Transmission_04.gif
Transmission als Funktion der Wellenlänge

Spektrale Transmission

Durch die Absorption der Gläser und die Restreflexionen an den Linsenoberflächen treten Lichtverluste auf, welche wellenlängenabhängig sind. Die Restreflexionen können durch geeignete Vergütung der Linsenoberflächen ( Bedampfung mit dünnen Schichten ) vermindert werden. Die Gesamttransmission ( Transmissionsgrad ) wird dargestellt als Funktion der Wellenlänge.


Modulationsübertragungsfunktion (MTF)

Das ideale Objektiv hat die Aufgabe, alle in einem Objekt vorkommenden groben und feinen Strukturen wirklichkeitsgetreu abzubilden. Dies bedeutet, daß die im Objekt vorgegebenen Helligkeitsunterschiede sich unverändert im Bild wiederfinden, und zwar für die unterschiedlichsten Strukturen gleichermaßen.

MTF1_04.gif
Erläuterung zur MTF

Diese Forderung ist schon aus physikalischen Gründen nicht streng erfüllbar. Es treten im gesamten Bereich, von den groben bis zu den feinsten Strukturen, mehr oder weniger große Kontrastverluste auf. Dieser gesamte Strukturbereich wird nun zahlenmäßig erfaßt durch die Anzahl von Linienpaaren pro Millimeter ( Ortsfrequenz R [1/mm] ).

Die MTF beschreibt den in der Bildebene noch auftretenden Kontrast in Abhängigkeit von der Anzahl der Linienpaare pro Millimeter.

Die Abkürzung MTF drückt diesen Sachverhalt aus, sie kommt aus dem englischen: Modulation Transfer Function ( Modulations- oder Kontrastübertragungsfunktion ). Dies führt zu einer Kurvendarstellung, wie sie links zu sehen ist.

Wie ersichtlich, wird die Modulationswiedergabe für feinere Strukturen immer schlechter und sinkt für eine bestimmte Anzahl von Linienpaaren pro Millimeter auf Null. Für den Schärfeneindruck ist also nicht diese höchste Ortsfrequenz maßgebend, sondern eine möglichst hohe Kontrastwiedergabe über den gesamten Ortsfrequenzbereich, bis zu einer vom Anwendungsfall abhängigen höchsten Ortsfrequenz.

Eine spezielle MTF-Kurve ist dabei auch nur für einen bestimmten Blickpunkt gültig. Im allgemeinen unterscheiden sich die MTF-Kurven für die verschiedenen Bildpunkte, so daß man eine große Anzahl von Kurven zur Beschreibung des gesamten Bildfeldes benötigen würde. Daher geht man zu einer anderen Darstellung über, bei welcher die Modulation für sinnvoll ausgewählte Ortsfrequenzen über die Bildhöhe, ausgehend von der Bildmitte, aufgetragen wird. Diese Darstellung liegt den Datenblättern zugrunde.

MTF2_04.gif

Hinzu kommt, daß der Strahlengang im Objektiv für Bildpunkte außerhalb der Mitte zunehmend unsymmetrischer wird. Daher hängt die MTF auch noch von der Orientierung der Linienpaare im Bildfeld ab. Aus der Vielzahl der möglichen Orientierungen werden zwei zueinander senkrechte ausgewählt, wie in der nebenstehenden Abbildung erläutert.

Die für die beiden Orientierungen gültigen MTF-Kurven sind in den Diagrammen gestrichelt ( tangential ) bzw. durchgezogen ( sagittal ) dargestellt.

Außerdem hängt die Modulationsübertragungsfunktion von der eingestellten Blendenzahl, dem verwendeten Abbildungsmaßstab und der Gewichtung der einzelnen spektralen Anteile ab. Daher sind entsprechend weitere MTF-Kurven zur Charakterisierung der Abbildungsgüte notwendig. Die Unempfindlichkeit gegen Maßstabsveränderungen ist also ein ebenfalls zu berücksichtigendes Qualitätskriterium.

mtf_02.gif

Bei extremen Weitwinkelkonstruktionen mit großen Bildwinkeln sollte bei der Beurteilung der Modulationsübertragung beachtet werden, daß aus physikalischen Gründen die Modulation im Bildfeld für sagittale Strukturen mit dem Kosinus, für tangentiale Strukturen mit der dritten Potenz des Kosinus des Bildwinkels zurückgeht.

Die Abbildung links verdeutlicht dies am Beispiel eines beugungsbegrenzten ( d.h. perfekten ) Objektivs für 20 Linienpaare pro mm und Blendenzahl k = 22 bei einer Wellenlänge von 546 nm. Aufgetragen ist die relative Beleuchtungsstärke als Funktion des Bildwinkels w.