Erfahren Sie mehr über die optischen Aberrationen in Ihrem Bild

Die bloße Betrachtung eines MTF-Diagramms liefert nicht alle Informationen, die für die Auswahl eines Objektivs oder die Diagnose von Abbildungsproblemen erforderlich sind. Obwohl das MTF-Diagramm oder die MTF-Daten den kumulativen Effekt aller vorhandenen optischen Aberrationen berücksichtigen, ist der Endbenutzer nicht in der Lage, einzelne Aberrationen anhand des MTF-Diagramms allein zu erkennen. Um die optische Leistung zu maximieren, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Aberrationen das Bild, das das Objektiv erfassen soll, beeinflussen können oder nicht.

Die Tabelle rechts zeigt die wichtigsten optischen Aberrationen, die Optikingenieure bei der Entwicklung eines Hochleistungsobjektivs zu minimieren versuchen. Die Liste zeigt, wie die Größe jeder Aberration durch eine Änderung der Objektivöffnung (f/#) und/oder der Bildfeldgröße (AKA Bildhöhe) beeinflusst wird. Beachten Sie, dass es auch eine Reihe von Abbildungsfehlern höherer Ordnung gibt; diese Tabelle zeigt nur die am häufigsten auftretenden Probleme. Angenommen, Sie haben ein Objektiv mit bekannten Abbildungsfehlern und möchten die Auswirkungen auf die Abbildungsfehler bestimmen, wenn der Blendendurchmesser um 50 % vergrößert (1,5-facher Ausgangsparameter) und die Bildfeldhöhe um 50 % verkleinert wird (0,5-facher Ausgangsparameter). Es wird gezeigt, dass die longitudinale sphärische Aberration mit y² variiert, so dass eine Vergrößerung der Apertur um 50 % zu einer (1,5)² oder 2,25-fachen longitudinalen sphärischen Aberration führt. Es ist zu beachten, dass die Koma mit y² und h variiert, so dass bei den beschriebenen Änderungen die Koma (1,5)² x 0,5 oder 1,125 mal größer ist.

Nachfolgend sind einige Beispiele für Aberrationen aufgeführt, die einzeln betrachtet in fertigen Bildern auftreten können. Jedes Beispiel zeigt eine beugungsbegrenzte Luftscheibe (das perfekte Bild einer Lochblende im Bildraum), eine Luftscheibe mit der genannten Aberration und ein Beispielfoto mit der Aberration. Geometrische Verzeichnung, eine unerwünschte „Verzerrung“, die die räumliche Beziehung zwischen Objekten in einem Bild verzerrt, kann auch die scheinbare Größe und Form von Objekten verändern. Die geometrische Verzeichnung spielt eine wichtige Rolle bei optischen Messungen, und ihr Wert kann negativ oder positiv sein. 

Abb. 2 - Darstellung der geometrischen Verzeichnung: (R-L) keine Verzeichnung, tonnenförmige Verzeichnung (-) und kissenförmige Verzeichnung (+).

Abb. 3: Verzerrtes Bild

Tabelle 1 - Primäre optische Aberrationen sowie Abweichungen nach Blende und Halbbild. y = Halbblende, h = Bildhöhe

Strahlenaberrationsdiagramme füllen die Wissenslücke

Auch hier ist es nicht möglich, anhand eines MTF-Diagramms zu verstehen, welche Aberrationen vorhanden sein könnten, oder das Ausmaß der Aberrationen im fertigen Bild zu beurteilen. Das MTF-Diagramm gibt lediglich einen Hinweis darauf, wie gut ein Objektiv insgesamt funktioniert. Ein Objektivkonstrukteur ist daher darin geschult, die Strahlaberrationsdiagramme (Abb. 4) zu interpretieren, die von der optischen Konstruktionssoftware während des Objektivdesigns erzeugt werden. Jeder Objektivhersteller verfügt über ein vollständiges Datenpaket für jedes von ihm hergestellte Objektiv, das die Designwerte des Objektivs, die Krümmung, die Glastypen, die Verzeichnungswerte und die Strahlaberrationsdiagramme enthält.

Alle optischen Toleranzen (z. B. die Dicke der einzelnen Glaselemente) sind ebenfalls in diesem Paket enthalten, um sicherzustellen, dass die Maschinenbauingenieure in der Lage sind, mechanische Komponenten zu entwerfen, die diese Toleranzen reproduzieren.

Ein Kunde könnte also von einem Objektivhersteller die MTF-Kurve und andere Informationen über ein Objektiv anfordern, die für die Probleme relevant sind, die seiner Meinung nach in seinem Abbildungssystem auftreten könnten. Die einzige Möglichkeit, diese Informationen zu erhalten, besteht darin, Informationen über verschiedene mögliche Aberrationen anzufordern (z. B. eine Darstellung der Koma-Aberration, eine Darstellung der sphärischen Aberration usw.). Im Idealfall werden diese Informationen teilweise in Form von Strahlendiagrammen dargestellt, und ein Optikingenieur/Objektivkonstrukteur steht zur Verfügung, um die Bedeutung der Diagramme und mögliche Lösungen für die Aberrationen zu erläutern. Mit diesen Daten und dem entsprechenden Kontext kann der Kunde seinen Technikern helfen zu verstehen, was von der Leistung des Objektivs zu erwarten ist.

Um ein besseres Verständnis der möglichen Abbildungsfehler zu erhalten, sollten dem Objektivhersteller so viele relevante Informationen wie möglich zur Verfügung gestellt werden, um MTF- und Strahlengangsdaten zu generieren, einschließlich des Objektivs, der Blendenzahl, der Vergrößerung und des Wellenlängenbereichs, in dem das Objektiv verwendet werden soll. Der Objektivhersteller sollte dann in der Lage sein, Diagramme der verschiedenen Abbildungsfehler und ihrer jeweiligen Größenordnung zu erstellen. Anhand dieser einzelnen Diagramme können Sie feststellen, ob die vorhandenen Abbildungsfehler die optischen Abbildungsziele Ihres Systems beeinträchtigen. Abbildung 5 zeigt die einzelnen Aberrationsdiagramme für die in Abbildung 4 dargestellten Objektivdaten:

Fig. 4 — Ein Aberrationsdiagramm

Seitlich chromatisch

Ist der Objektivhersteller transparent?

Wenn die Optik-Ingenieure ihre Arbeit abgeschlossen haben - wenn sie mit dem MTF-Diagramm des Objektivs und den Fertigungstoleranzen des Glases zufrieden sind und die Auswirkungen der einzelnen Aberrationen verstanden haben - geht das Objektiv an die Mechanik und dann in die Produktion. Jeder Hersteller führt Aufzeichnungen über diesen Prozess. Das Problem besteht darin, dass die meisten Objektivhersteller ihren Kunden keine spezifischen Daten zur Charakterisierung eines Objektivs zur Verfügung stellen.

Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die meisten Linsen, die heute in den USA verkauft werden, aus Asien stammen, aber über die US-Niederlassung des Herstellers gekauft werden, wo möglicherweise kein Optikingenieur zur Unterstützung zur Verfügung steht. Daher muss das Unternehmen jedes Mal, wenn ein Kunde Daten wie z. B. spezifische Strahlengänge anfordert, seine Experten in Übersee kontaktieren, um diese Informationen zu erhalten. Schätzt der Brillenglashersteller Ihr Unternehmen so sehr, dass er die Zeit und Mühe aufwendet, diese Daten zu beschaffen? Kostet es extra oder wird es nur zur Verfügung gestellt, wenn Sie eine bestimmte Menge Brillengläser kaufen?

Es ist wichtig zu wissen, welche Informationen die Objektivhersteller bereit sind, zur Verfügung zu stellen. Die Standardantwort lautet: „Alle Test-/Leistungsdaten, die wir zur Verfügung stellen können, sind auf unserer Website veröffentlicht“. Alle auf Websites veröffentlichten Daten sind jedoch allgemeiner Natur. Sie wurden nicht im Labor getestet und enthalten keine Linsentoleranzen. Sie stammen von den Optikern vor der Fertigung, und jedes Objektiv wird nach der Fertigung leicht unterschiedliche Abbildungsfehler aufweisen. Aus diesem Grund können 10 identische Objektive einer Firma an ein unabhängiges Testinstitut geschickt werden, und jedes Objektiv kann sich in seiner Leistung geringfügig unterscheiden - nicht nur in der MTF, sondern auch in den Abbildungsfehlern von Objektiv zu Objektiv.

Die Informationen auf der Website sind das absolute Minimum, um mit der Suche zu beginnen. Wie viel der Objektivhersteller im Vorfeld mit einem potentiellen Kunden bespricht, bleibt ihm überlassen. Schneider Optics stellt jedoch vorab die MTF-Darstellung und die Linsentoleranzen zur Verfügung. Wir beschränken uns nicht auf theoretisches Wissen, sondern diskutieren gerne mit unseren Kunden über reale Daten und helfen ihnen, die Diagramme der Strahlaberration zu verstehen und herauszufinden, wie sich die Ergebnisse auf ihr(e) Objektiv(e) auswirken.
 

Krümmung (Petzval) Geometrische Verzerrung

Axiale (longitudinale) Aberration (Fokusverschiebung)

Klare Daten stellen die Qualität in den Mittelpunkt

Wie wir bereits in einem früheren Artikel festgestellt haben, lassen die Normen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) und die Deutschen Industrienormen (DIN) bei der Spezifikation von Objektiven eine erhebliche Fehlerspanne zu. Als Beispiel wurde in diesem Artikel die Brennweite (f') eines Objektivs genannt: Nach DIN 4522, Abschnitt 11,[i] beträgt die Toleranz für die Brennweite eines Objektivs ±6 %. Wenn Sie also ein Dutzend 100-mm-Objektive kaufen, könnten einige 106 mm messen, andere 94 mm und alles dazwischen. Das gleiche gilt für die Abbildungsfehler. In der Praxis bedeutet dies, dass jedes Objektiv und jede Kamera in einem etwas anderen Abstand aufgestellt werden müsste, um die gleiche Vergrößerung und das gleiche Gesichtsfeld zu liefern.

Wie kann man feststellen, wie gut ein Objektiv nach der Herstellung funktioniert? Wo liegt die Qualitätsschwelle, ab der ein Objektivhersteller entscheidet, dass ein Objektiv nicht gut ist? Normalerweise weiß man das alles nicht. Schneider Optics eliminiert diese große Variable, indem wir jedes einzelne produzierte Objektiv testen - unabhängig davon, ob der Kunde ein einziges Objektiv oder Hunderte von Objektiven bestellt hat. Kontaktieren Sie uns, um mehr über die Aberrationen zu erfahren, die Ihre Objektive beeinflussen, und um zu erfahren, wie Sie detaillierte Daten über diese Aberrationen erhalten können, die andere Hersteller einfach nicht zur Verfügung stellen.