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Optik-Know-how

Objektive berechnen und Kameras konstruieren ist nur etwas für High-Tech-Unternehmen – sollte man meinen. Doch angefangen hat alles mit Beobachtungen und Experimenten. Heute können wir auf das damals erarbeitete Wissen zurückgreifen und uns voll und ganz auf die kreativen Aspekte der Fotografie konzentrieren.

Allgemeine Grundlagen

Auch wenn dies in erster Linie ein Do-it-yourself-Buch ist, ein wenig Theorie muss sein. Es soll aber nicht um komplizierte Berechnungen von Objektiven gehen, sondern ich möchte an dieser Stelle kurz die Basisinformationen zu den in diesem Buch beschriebenen Projekten vermitteln.

Lichtspektrum

Das Spektrum des sichtbaren Lichts ist nur ein kleiner Teil der elektromagnetischen Strahlung, die auch Bereiche wie Gamma- und Röntgenstrahlung, UV- und Infrarotstrahlung, Radar und Rundfunkwellen umfasst. Der für die Fotografie relevante Teil, also der Teilbereich, der vom Sensor erfasst und in Bilddaten umgesetzt werden kann, entspricht in etwa dem für das menschliche Auge erfassbaren Bereich. Die Empfindlichkeit des Sensors einer Digitalkamera geht zwar im Prinzip auch in Teilbereiche des nahen Infrarot- und des UV-Lichts, diese Bereiche werden aber durch vorgeschaltete Filter in der Kamera ausgeblendet, da sie die Wiedergabe des Bildes im sichtbaren Bereich des Lichts ungünstig beeinflussen können.

Schickt man das weiße Tageslicht durch ein Prisma, wird es in die Spektralfarben zerlegt.

Linsen

Linsen sind ein fast unverzichtbarer Bestandteil der Bilderzeugung in der Fotografie. Sie bestehen aus lichtdurchlässigen Materialien wie beispielsweise Glas oder Kunststoff. Unterschieden wird zwischen Sammellinsen und Zerstreuungslinsen. Sammellinsen sind in ihrer Mitte dicker als im Randbereich, Zerstreuungslinsen sind hingegen in der Mitte dünner. Dafür muss mindestens eine Oberfläche gewölbt sein. In der Fotografie eingesetzte Linsen sind in der Regel sphärische Linsen, das bedeutet, die Krümmung der Oberfläche entspricht dem Teil eines Kreises. Bei der Konstruktion von Objektiven werden oft mehrere Linsen miteinander kombiniert, um Abbildungsfehler zu vermeiden.

Brennpunkt

Der Brennpunkt einer Sammellinse ist der Punkt, an dem sich die von der Linse gebündelten Lichtstrahlen auf der optischen Achse schneiden.

Schematische Darstellung unterschiedlicher sphärischer Linsenformen. Sammellinsen: (1) bikonvex, (2) plankonvex, (3) konkavkonvex Zerstreuungslinsen: (4) bikonkav, (5) plankonkav, (6) konvexkonkav

Sammellinse (plankonvex): Parallel einfallende Lichtstrahlen werden an einem Punkt (Brennpunkt) gebündelt. Foto: Jonas Hiestand

Zerstreuungslinse (plankonkav): Parallel einfallende Lichtstrahlen werden gestreut. Foto: Jonas Hiestand

Brennweite

Der Abstand zwischen der Hauptebene einer Linse und dem Brennpunkt wird als Brennweite bezeichnet. Die Hauptebene kann bei einzelnen Linsen mit der Linsenmitte zusammenfallen.

Die Brennweite beschreibt die Entfernung zwischen der Hauptebene und dem Brennpunkt.

Bildentstehung

Die vom Motiv reflektierten Lichtstrahlen werden durch die Linse gebrochen und so auf die Bildebene, also den Film oder Sensor projiziert. Dort erzeugen sie im Brennpunkt ein spiegelverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Abbild.

Blende

Die Blende eines Objektivs ist im Prinzip eine variable Öffnung, mit der sich die einfallende Lichtmenge steuern lässt. Dabei ist es zunächst einmal egal, welche Form die Blende besitzt. Die Blende beeinflusst zum einen die erreichbare Schärfentiefe, zum anderen durch ihre Form auch das Bokeh. In einem Objektiv besteht die Blende in der Regel aus mehreren Blendenlamellen, die sich ringförmig schließen lassen. Es gibt aber auch einfache Steckblenden, die gegeneinander ausgetauscht werden können, oder Blenden, die ihre Öffnung verändern, indem zwei Formen zueinander verschoben werden.

Das Bild des Motivs erscheint spiegelverkehrt und auf dem Kopf stehend auf dem Sensor bzw. dem Film.

Steckblenden haben den Vorteil, dass sie tatsächlich kreisförmig sein können, während eine variable Blende immer nur eine Annäherung an die ideale Kreisform ist.

Blenden, die durch das Verdrehen oder Verschieben zweier Formen zueinander funktionieren, sind einfach zu bauen, und man hat die Möglichkeit, durch unterschiedliche Grundformen Bildeffekte zu erzielen und somit das Bokeh zu beeinflussen.

Die Blende kann berechnet werden, indem man die Brennweite des Objektivs durch den Durchmesser der Öffnung teilt. Bei nicht kreisförmigen Blenden kann das natürlich nur eine Annäherung sein.

Schärfentiefe und Zerstreuungskreise

Wird ein Objekt scharf gestellt, werden diejenigen Punkte des Motivs auch als Punkte auf dem Sensor abgebildet, die exakt auf der Fokusebene liegen. Alle anderen Punkte des Motivs werden nicht punktförmig, sondern als mehr oder weniger große Scheiben dargestellt, sogenannte Zerstreuungskreise. Unser Sehvermögen nimmt diese zunehmend größer werdenden Scheibchen bis zu einem gewissen Grad noch als punktförmig und daher scharf wahr. Überschreitet die Größe des Zerstreuungskreises einen bestimmten Wert, werden die Bildpunkte vom Betrachter als unscharf interpretiert. Die Größe der maximal zulässigen Zerstreuungskreise hängt von der Größe des Aufnahmeformats ab.

Blenden lassen sich auf unterschiedliche Weise in der Größe verändern.(1) Einlegen unterschiedlich großer Blenden, (2) Verdrehen zweier Öffnungen gegeneinander, (3) Irisblende, Verdrehen mehrerer Segmente zueinander, (4) Verschieben zweier Formen gegeneinander

Je weiter die Blende geöffnet ist, umso kleiner ist der durch die Größe der Zerstreuungskreise bestimmte wahrnehmbare Schärfentiefebereich.

Die Form der Zerstreuungskreise wird von der Anzahl der Lamellen und dem Aufbau der Blende bestimmt.

Bokeh

Die Form der Zerstreuungskreise hat zwar keinen Einfluss auf die Schärfentiefe, aber dennoch auf die Ästhetik der Aufnahme. Ihre Form wird von der Blendenform und der Anzahl der Blendenlamellen bestimmt. Bei vielen Objektiven sind Zersteuungskreise sechs- oder achteckig oder wie zum Beispiel bei Spiegeltele-Objektiven ringförmig. Im Idealfall sind sie kreisrund. Diese eher subjektive Qualitätseinschätzung wird als Bokeh bezeichnet und bestimmt die Art des Übergangs zwischen den scharfen und den unscharfen Bereichen in einer Aufnahme. Das Bokeh ist mittlerweile auch ein Maßstab für die Abbildungsgüte eines Objektivs.

Aufnahmeformate

Das Aufnahmeformat ist die lichtempfindliche Fläche von Film oder Sensor. Die bekannten Bezeichnungen Kleinbild, Mittelformat und Großformat beschreiben Aufnahmeformate, die sich an gängigen Formaten der analogen Fotografie orientieren. Die Bezeichnungen sind allerdings etwas ungenau, denn es gibt noch eine Vielzahl von Zwischenformaten. Durch die digitale Fotografie sind mittlerweile noch kleinere Formate hinzugekommen, wie etwa Micro Four Thirds, aber auch einige Sensorformate bei Mittelformatkameras. Aus dem Aufnahmeformat kann man den Bildkreis ableiten, den ein für dieses Format entwickelte Objektiv mindestens hat. In diesem Buch finden Sie einige Projekte, die sich den teilweise enormen Unterschied der Aufnahmeformate zunutze machen.

Bildkreis, Aufnahmeformate und Formatfaktor:

Ein Objektiv mit einem Bildkreis, der das Format 6 × 9 ausleuchtet, lässt sich mit allen kleineren Sensor- bzw. Filmformaten nutzen. Voraussetzung ist selbstverständlich, dass das Auflagemaß passt. Die farbigen Rahmen zeigen den erzielbaren Bildausschnitt beim entsprechenden Format (Formatfaktor).

Mittelformat 90,0 mm × 60,0 mm

Mittelformat 60,0 mm × 45,0 mm

Mittelformat 48,0 mm × 36,0 mm

Kleinbildfilm, Vollformatsensor 36,0 mm × 24,0 mm

APS-C (Sony, Nikon DX) 23,7 mm × 15,6 mm

Micro Four Thirds 17,3 mm × 13,0 mm

Bei einem für das Kleinbildformat gerechneten Objektiv kommt es beim Einsatz an größeren Formaten zu Abschattungen.

Mit einer Multishot-Kamera oder einem Shift-Objektiv lassen sich der größer Bildkreis auch komplett oder zumindest größtenteils an Kameras mit kleinerem Sensorformat nutzen.

Bildkreis

Der Bildkreis eines Objektivs ist derjenige Bereich, den es ohne Abschattungen auf der Film-/Sensorebene ausleuchten kann. Der Durchmesser muss also mindestens der Bilddiagonale des Aufnahmeformates entsprechen. Um ein Objektiv als Shift-Objektiv oder an einer Multishot-Kamera nutzen zu können, muss der Bildkreis deutlich größer als das Aufnahmeformat sein.

Formatfaktor

Möchte man Objektive nutzen, die für ein anderes Aufnahmeformat gerechnet sind, passen Bildkreis und Sensor-/Filmformat nicht zusammen. Dadurch ergibt sich entweder ein zu großer Bildkreis, den man nur teilweise nutzen kann, oder ein zu kleiner Bildkreis, der das Aufnahmeformat nicht komplett ausleuchtet. Der Formatfaktor beschreibt das Verhältnis der unterschiedlichen Bilddiagonalen zueinander. Er lässt sich berechnen, indem man die Diagonale des größeren Formats durch die des kleineren Formats teilt.

Ein Beispiel: Die Diagonale des Kleinbild-Formats (Vollformat) beträgt 43,3 mm, die eines APS-C-Sensors 28 mm. Das ergibt einen Formatfaktor von 1,55.

Der früher weit verbreitete Ausdruck »Brennweitenverlängerung« trifft nicht ganz zu. Er suggeriert, dass sich die Brennweite durch den Formatfaktor ändert. Das ist aber nicht der Fall. Eine Aufnahme mit einem 200-mm-Teleobjektiv an einer APS-C-Kamera mit dem Formatfaktor 1,5 zeigt zwar in etwa den Bildausschnitt, den man mit einem 300-mm-Objektiv am Vollformat erreichen würde, es ist jedoch nur ein entsprechender Ausschnitt aus dem Bildkreis des 200-mm-Objektivs.

Auflagemaß

Das Auflagemaß beschreibt den Abstand zwischen dem Sensor der Kamera und der Auflagefläche des Objektivs am Kameragehäuse. Ist das Auflagemaß des zu adaptierenden Objektivs größer als das der Kamera, an die adaptiert werden soll, lässt sich das Objektiv adaptieren, ohne dass die Einstellmöglichkeit auf unendlich verlorengeht. Ist das Auflagemaß kleiner, lässt sich das Objektiv nur noch im Nahbereich fokussieren. Um diesen Nachteil auszugleichen, haben manche Adapterhersteller eine Korrekturlinse in den Adapter integriert, sodass trotz kleinerem Auflagemaß die Einstellmöglichkeit auf unendlich erhalten bleibt. Durch diese zusätzliche Linsenelement muss man aber mit einer Verschlechterung der Abbildungsqualität rechnen.

Ein Beispiel: Ein Nikon-Objektiv soll an eine Fujifilm-X-Kamera adaptiert werden. Das Auflagemaß für das Nikon-F-Bajonett beträgt 46,50 mm, das Auflagemaß des Fujifilm-X-Bajonetts beträgt 17,70 mm. Der Adapter darf also maximal eine Stärke von 28,8 mm haben, um eine Fokussierung auf Unendlich zu ermöglichen. Ist der Adapter kleiner, bleibt die Unendlich-Einstellung zwar erhalten, es kann aber nicht so weit im Nahbereich fokussiert werden.

Will man ein Minolta-MC/MD-Objektiv mit dem Auflagemaß von 43,5 mm an eine Nikon-Kamera adaptieren, fehlen 3 mm. Das Objektiv verliert die Einstellung auf unendlich. Das lässt sich zwar mit einem Adapter mit Korrekturlinse ausgleichen, hier leidet aber oft die Bildqualität. Auf Wikipedia findet man eine detailierte Aufstellung der Auflagemaße aller gängigen Kamerasysteme, sodass sich sehr komfortabel ermitteln lässt, welche Objektive sich an welche Kamerasysteme adaptieren lassen.

Das Auflagemaß ist der Abstand zwischen der Sensor- bzw. Filmebene und der Auflagefläche des Objektivs an der Kamera. Ist das Objektiv in diesem Abstand montiert, lässt es sich auf unendlich fokussieren.