Wissen

Geometrie-Fehler: Sphärische Aberrationen, Bildfeldwölbungen und mehr

Astigmatismus, Sphärische Aberrationen und Bildfeldwölbung: Uwe Artmann erläutert die unterschiedlichen Abbildungsfehler und die Gegenmaßnahmen der Objektivrechner.

image.jpg

© ColorFoto

Wissens-Serie: Abbildungsfehler

Eine ganze Reihe von Fehlern können die Abbildungsqualität einer Optik reduzieren. In Teil 1 ging es um Farbfehler. In dieser Folge sind die geometrischen Abbildungsfehler, beispielsweise die Bildfeldwölbung, das Thema.

Sphärische Aberrationen

Eine einfache Linse wird in ihrer Form durch eine Kugelfläche mit definiertem Radius beschrieben. Eine solche sphärische Linse ist leicht zu fertigen und doch ist diese Linsenform nicht ideal, da bei ihr für Randstrahlen eine andere Brennweite gilt als für Strahlen nahe der Hauptachse.

Abblenden reduziert diesen Effekt deutlich, da die Randstrahlen dann weniger zum Bild beitragen. Doch daraus resultiert ein Problem: Der Fotograf und das AF-System fokussieren meist bei offener Blende (viele Randstrahlen), die Aufnahme erfolgt jedoch abgeblendet. Daraus ergibt sich für unterschiedliche Blendendurchmesser eine Differenz in der besten Fokusebene, und die Aufnahme erfolgt bei geschlossener Blende nicht ideal fokussiert.

Astigmatismus

Astigmatismus tritt bei Strahlenbündeln auf, die schräg auf das Objektiv treffen und dieses passieren. Dabei unterscheiden sich die optischen Eigenschaften für die Meridional- und die Sagittalebene. Diese Ebenen beschreiben, wie die Strahlen zur Hauptebene orientiert sind, und stehen senkrecht aufeinander.

Ratgeber: So funktionieren moderne Objektive

Das hat verschiedene Effekte: Ein Punkt (griechisch Stigma) wird am Rand nicht als Punkt abgebildet, sondern erhält eine elliptische Form. Dabei verschieben sich die Fokusebenen der sagittalen und meridionalen Strahlen gegeneinander, und somit können horizontale und vertikale Strukturen am Bildrand unterschiedlich gut abgebildet werden.

image.jpg

© Archiv

Richtungsabhängig: Je nach Optik zeigt die Abbildung der Siemenssterne eine Richtungs- abhängigkeit der Auflösung. In unserem Beispiel ist die sagittale Ausrichtung (rot) höher als die meridionale (blau).

image.jpg

© Archiv

Detailausschnitt aus dem oberen Bild

In der modernen Optikfertigung werden darum häufig komplexere Linsenformen benutzt. Diese "asphärischen Linsen" verursachen den beschriebenen Abbildungsfehler nicht, bzw. werden sie so berechnet, dass sie den Fehler des Systems reduzieren. Diese Linsen sind aufwendiger zu fertigen als sphärische Linsen, können die Abbildungsqualität aber erheblich steigern.

Koma

Da die sphärische Aberration für Strahlen parallel zur optischen Achse korrigiert ist, kann es für schräg auftreffende Strahlen noch störende Bildfehler geben. Koma wird als ein Schweif (lat. Coma) sichtbar, den ein Bildpunkt erhält, der außerhalb der Bildmitte liegt.  Besonders auffällig ist dieser Effekt bei sehr hellen Punkten, die von einer dunklen Fläche umgeben sind, zum Beispiel bei Lichtpunkten auf Nachtaufnahmen.

Bildfeldwölbung

Ohne weitere Korrektur werden achsferne, also am Bildrand liegende, Punkte anders abgebildet als Punkte in der Bildmitte. Wenn das Objektiv nun eine plane Fläche (zum Beispiel eine Wand oder ein Gemälde) abbildet, befinden sich die Punkte bester Abbildung nicht in einer Ebene, sondern beschreiben eine Schale.

Durch den Astigmatismus kommt hinzu, dass es sogar zwei Schalen sind, eine meridionale Schale und eine sagittale. Da der Sensor (früher Film, heute Silizium) aber plan ist, kann somit nicht ideal für das ganze Bildfeld fokussiert werden. Eine wirklich perfekte Bildfeldebnung ist kaum möglich.

Die Korrektur kann dazu führen, dass die maximale Auflösung nicht in der Bildmitte, sondern leicht versetzt erreicht wird, oder in der Mitte sehr gut ist, sich mit wachsendem Abstand vom Zentrum ringförmig verschlechtert und erst nach außen hin wieder besser wird. Die Bildwölbung ist somit als potenzielle Fehlerquelle ein wichtiger Grund dafür, dass das ColorFoto-Testlabor die Auflösung mittlerweile an 25 verschiedenen Stellen der Aufnahme bestimmt.

image.jpg

© Quelle: Jost J. Marchesi, Photokollegium 3, Verlag Photographie, 4. Auflage, S. 51, Abb. 407 ISBN 3-7231-2800-9

Sphärische Aberration: Die besten Einstellebenen unterscheiden sich für offene (oben) und geschlossene Blende.

Abblenden

Bei all diesen Bildfehlern spielt die Blende eine wichtige Rolle. Abblenden reduziert die Abbildungsfehler in den meisten Fällen. Dadurch wird aber auch deutlich, warum lichtstarke Objektive oft wesentlich teurer sind als solche mit schwächerer Lichtstärke: Die Anforderungen an die Konstruktion steigen überproportional mit der Lichtstärke, die Toleranzen sind erheblich enger und erfordern eine aufwendigere Fertigung.

Als Fotograf muss man bei der Wahl der Blende einige Punkte in Betracht ziehen. Neben den offensichtlichen Faktoren wie gewünschte Schärfentiefe und korrekte Belichtung bei gewünschter Belichtungszeit sollte man auch die Abbildungsfehler der verwendeten Optik beachten.

image.jpg

© ColorFoto

Abblenden hilft: Dieser Detailausschnitt macht anschaulich, dass Abblenden einen deutlichen Gewinn an Abbildungsqualität bringen kann.

So empfiehlt sich die Verwendung der maximalen Blendenöffnung (kleinste Blendenzahl)  bei  lichtstarken Objektiven nur dann, wenn es die Lichtsituation oder die Bildgestaltung unbedingt erfordert. Oft bietet es sich an, zum Beispiel in der Dämmerung, doch ein Stativ zu verwenden, um die Blende noch zwei Stufen schließen zu können. Die meisten Objektive werden dies mit einer besseren Abbildungsqualität belohnen.

Ratgeber Wissen: Streulicht bei Objektiven

Allerdings: Zu starkes Abblenden führt zum gegenläufigen Problem der Beugung (siehe ColorFoto 9/2011). Dieser Effekt tritt ab der förderlichen Blende auf (meist mit einer Blende Toleranz), die Sie in jedem Kameratest unter den technischen Daten finden.

Abbildungsfehler in der Nachbearbeitung

Die digitale Bildverarbeitung bietet viele Möglichkeiten, um Abbildungsfehler von Objektiven zu korrigieren. So rechnen Kompaktkameras und Mobiltelefone bereits vor dem Speichern zahlreiche Fehler aus den Bildern heraus - eine vergleichsweise sichere Sache, da sie immer mit der selben Optik arbeiten.

SLRs und Systemkameras müsse für die Korrektur das Objektiv erkennen und die Daten dafür aus einem Speicher im Objektiv ziehen oder auf eine interne Datenbank zugreifen. ColorFoto bringt deshalb vor jedem Objektivtest die Firmware der beteiligten Kameras auf den aktuellen Stand. Datenbanken zur automatischen Fehlerkorrektur sind zudem in immer mehr Programmen für die Bildverarbeitung integriert - auch hier sind die regelmäßigen Updates also sinnvoll.

Farbfehler können in der Theorie leicht korrigiert werden, doch in der Praxis ist es nicht so einfach. Es handelt sich um eine Verschiebung der Kanäle um weniger als ein Pixel zueinander. Um diese komplett zu eliminieren, müsste die individuelle Optik genau vermessen werden, was auf der Produktionslinie zu viel Zeit rauben würde. Daher werden die Fehler vorsichtig reduziert und selten komplett aufgehoben.

Sphärische Fehler sind sehr schwierig zu korrigieren, da der Einfluss auf das Bild komplex ist und in verschiedensten Ausprägungen auftritt. Eine einfache Möglichkeit, die Fehler wenigstens visuell zu reduzieren, ist eine nachträgliche Schärfung, die nicht auf die gesamte Aufnahme, sondern abhängig von der Position im Bild angewendet wird. Da Schärfung auch negative Einflüsse hat (Verstärkung des Rauschens) sollte diese Maßnahme sehr sparsam eingesetzt werden.

Mehr zum Thema

Blende, Blendenstufe & Schärfentiefe bei Objektiven
Fototografie-Wissen

Fotografie-Wissen im Detail: Wir erklären alles rund um Blendenstufen, Lichtstärke und Schärfentiefe bei Objektiven und DSLRs.
Beratung Recht Personen Fotografieren mit Helm
Recht

Personen mit Helm sind nur schwer zu erkennen. Reicht das als Begründung, um sie ohne Erlaubnis zu fotografieren? Fachanwalt Mathias Straub klärt…
Recht am eigenen Bild - Einwilligung einholen
Leitfaden Bildnisrecht

Beim Fotografieren von Personen ist das Recht am eigenen Bild zu beachten. Wie Sie die Einwilligung einholen, erfahren Sie hier.
Leica M Elektronik
Wissen Digitalfotografie

In den Entwicklungslabors von Leica diskutiert ColorFoto über die Zukunft von Sensoren, Signalverarbeitung und die Herausforderungen des M-Systems.