Objektive - Technischer Überblick
Brennweite
Als Brennweite f' einer Optik wird der Abstand zwischen ihrer effektiven optischen Bezugsebene (= Hauptebene) und dem Punkt bezeichnet, in dem Lichtstrahlen, die aus dem Unendlichen kommen, in einem einzelnen Punkt gebündelt werden (= Brennpunkt). Hinter diesem Punkt befindet sich die Bildebene. Der Sensor einer Kamera muss auf der Bildebene liegen.
Vergrößerung
Das Verhältnis von Bild- zu Objektgröße beschreibt die Vergrößerung ß' der Optik und steht dabei in direktem Bezug sowohl zur Brennweite f' des Objektivs als auch zum Arbeitsabstand a. Das folgende Diagramm zeigt, wie die Verhältnisse zwischen Objektgröße, Arbeitsabstand und Brennweite der Optik berechnet werden können.
Kurze Brennweite
Lange Brennweite
Legende:
ß' = Vergrößerung a = Objektweite (Arbeitsabstand) a' = Bildweite f' = bildseitige Brennweite f = objektseitige Brennweite F = Brennpunkt (objektseitig) F' = Brennpunkt (bildseitig)
Das Verhältnis zwischen Arbeitsabstand, Bildweite und Brennweite wird wie folgt berechnet:
Vergrößerung- und Abbildungsgleichung
Anmerkung: Da bei dieser Formel zur Vereinfachung von einer dünnen Linse und nicht vom komplexen Linsensystem eines Objektivs ausgegangen wird, stimmen die Ergebnisse nur näherungsweise. Weil der Arbeitsabstand von Makro-, Mikroskop- oder telezentrischen Objektiven in der Regel fix ist, werden diese nicht nach ihrer Brennweite, sondern nach ihrer Vergrößerung definiert, da sich diese ebenfalls nicht verändern lässt.
Blendenzahl und Schärfentiefe
Mit der Blendenzahl wird die Lichtmenge definiert, die eine Optik passieren kann. Sie wird berechnet, indem die Brennweite durch den Blendendurchmesser geteilt wird. Als Lichtstärke eines Objektivs wird immer der maximale Durchmesser der Eintrittspupille im Verhältnis zur Brennweite angebeben (dies ergibt die Blendenzahl). Das Schließen der Blende bewirkt eine Verringerung des Durchmessers der Eintrittspupille. Die Blende wird auch Iris genannt.
Die Blende in einem Objektiv ist normalerweise in Standardschritten von 1.0, 1.4, 2.0, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16 und 22 einstellbar. Jeder Schritt reduziert die Lichtmenge, die ein Objektiv passieren lässt, um 50 %.
Die Schärfentiefe ist ein Maß für den Bereich, in dem die Abbildung von Gegenständen in Richtung der optischen Achse als scharf angesehen wird. Sie hängt von vielen Faktoren, jedoch hauptsächlich von der gewählten Blende ab. Je kleiner die Blendenöffnung, desto größer ist die Schärfentiefe.
kleiner Blendenöffnung
Weit geöffnete Blende mit Hintergrund im Fokus
Weit geöffnete Blende mit Vordergrund im Fokus
Ab einer Blende von 8,0 limitiert die sogenannte Beugung an der Kreisblende die Schärfe der Abbildung zunehmend. Somit unterliegt die Schärfentiefe einer natürlichen physikalischen Begrenzung. Desweiteren wird die Schärfentiefe vor allem auch durch die Pixelgröße des Sensors limitiert, da der Unschärfekreis auf dem Sensor die Größe eines Pixels nicht überschreiten sollte.
Zur groben Abschätzung der Größenordnung der Schärfentiefe kann folgende Faustformel dienen:
Schärfentiefe = 1/ß' mm
Arbeitsabstand und der Einsatz von Zwischenringen
Der Arbeitsabstand ist der freie Abstand zwischen Objekt und Objektivvorderkante. Universalobjektive sind normalerweise dafür ausgelegt, Objekte abbilden zu können, die sich im Abstand von Unendlich bis zu einer minimalen Objektdistanz (MOD) vor dem Objektiv befinden. Wird der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Sensor der Kamera vergrößert, kann die MOD verringert werden. Ein Objektiv kann mit Hilfe eines Tubus näher als in diesem Mindestobjektabstand fokussiert werden. Dazu wird ein Zwischenring zwischen Kamera und Objektiv eingesetzt, der die kleinste Einstellentfernung verringert. Dadurch wird jedoch gleichzeitig das Objektfeld verkleinert.
Das folgende Bild zeigt, welchen Effekt die Verwendung eines Zwischenrings auf ein Bild hat.
Zwischenringe können für Universalobjektive genutzt werden, um das Abbildungsverhältnis zu variieren und damit spezielle Objektfelder zu erhalten. Hierbei gilt es zu beachten:
- Objektive mit Zwischenringen können nicht auf Unendlich fokussiert werden.
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Es trifft weniger Licht auf den Sensor, da der Bildkreis aufgeweitet und ein kleinerer Ausschnitt des Bildkreises vom Sensor erfasst wird.
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Durch den Einsatz von Zwischenringen ergibt sich eine höhere Vergrößerung und damit eine Reduzierung der Schärfentiefe.
Zwischenringe können sehr hilfreich sein, sollten jedoch nur eingesetzt werden, wenn es unbedingt notwendig ist. Es ist meist besser, Objektive zu verwenden, die für den Einsatz bei geringem Arbeitsabstand und gleichbleibender Bildqualität entwickelt wurden.