Chromatische Aberration

Chromatische Aberration (CA) an zwei optischen Systemen:
(1) Einzellinse
(2) Achromat
(aus der Wikimedia Foundation)

Brechung an einem Prisma

Definition

Bei der Chromatischen Aberration (CA) handelt es sich um einen Abbildungsfehler. Er wird auch als Farblängsfehler bezeichnet.

Jedes optische System (Linse) beugt Licht - auch abhängig von der Wellenlänge (Farbe). Je kürzer die Wellenlänge (z.B. Blau), desto stärker wird das Licht gebrochen. Je länger die Wellenlänge (z.B. Rot), desto schwächer wird das Licht gebrochen. Somit hat das Blaue Licht den Brennpunkt vor der Bildebene, das Rote hinter der Bildebene, sofern auf Grün exakt fokussiert wurde. Dann wäre weder ein blauer, noch ein roter Punkt im Bild wirklich scharf, unter Vernachlässigung der Schärfentiefe.

Bei Mischfarben können aus diesem Grund unschöne Farbsäume entstehen.

Zitate

Hierzu ein Zitat von Jost J. Marchesi aus dem Buch "Canon Fotoschule", Verlag Photographie, Schaffhausen 1983:

"Bisher haben wir angenommen, ein Lichtstrahl werde beim Eintritt in ein dichteres Medium, wie zum Beispiel Glas, lediglich gebrochen. In Tat und Wahrheit aber ist die Brechung für verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterschiedlich: Kurzwellige blaue Strahlen werden stärker gebrochen als langwellige rote. Da weißes Licht aber aus einem Gemisch aller Wellenlängen von Blau über Grün zu Rot besteht, wird ein Lichtstrahl beim Durchgang durch ein Prisma nicht nur gebrochen, sondern auch in ein Regenbogenspektrum aufgespaltet.
Man nennt diese Aufspaltung Dispersion und das entstehende Farbband Spektrum.
Gleiches geschieht natürlich auch, wenn das Licht eine einfache Linse passiert. Statt eines Brennpunkts entstehen viele, für jede Spektralfarbe ein eigener. Die Linse hat demnach für jede Farbe eine andere Brennweite."

Ein Zitat aus der Canon-Broschüre "EF LENS WORK III":

"Wenn weißes Licht (Licht, in dem viele Farben gleichmäßig vermischt sind, so dass das Auge keine einzelnen Farben unterscheiden kann und das Licht daher als weiß wahrnimmt), wie z. B. Sonnenlicht, durch ein Prisma fällt, ist ein Regenbogenspektrum zu sehen. Dieses Phänomen tritt auf, da der Brechungsindex des Prismas (und seine Streuungsrate) in Abhängigkeit von der Wellenlänge variiert (kurze Wellenlängen werden stärker gebrochen als lange Wellenlängen). Während dieses Phänomen in einem Prisma am deutlichsten sichtbar ist, kann es auch in Fotoobjektiven entstehen. Da es bei verschiedenen Wellenlängen auftritt, nennt man es chromatische Abweichung. Es gibt zwei Arten der chromatischen Abweichung: die axiale chromatische Abweichung, bei der die Fokuspunktposition auf der optischen Achse abhängig von der Wellenlänge variiert, und die chromatische Vergrößerungsdifferenz, bei der die Bildvergrößerung in den Randbereichen je nach Wellenlänge variiert. Bei aufgenommenen Fotos tritt die axiale chromatische Abweichung als Farbunschärfe oder Reflexionsfleck auf, während die chromatische Vergrößerungsdifferenz als Farbsaum auftritt (einer farbigen Linie entlang der Kanten). Chromatische Abweichung in einem Fotoobjektiv wird durch eine Kombination verschiedener Typen von optischem Glas ausgeglichen, das unterschiedliche Brechungsund Dispersionscharakteristika aufweist. Da der Effekt der chromatischen Abweichung bei höheren Brennweiten verstärkt wird, ist eine präzise Korrektur der chromatischen Abweichung besonders bei Superteleobjektiven wichtig, damit die Bilder eine hohe Schärfe erzielen. Das Ausmaß der Korrektur, die mit optischem Glas erreicht werden kann, ist zwar begrenzt, aber mit künstlich hergestelltem Kristall, wie z. B. Fluorit- oder UD-Glas, können bedeutende Leistungsverbesserungen erzielt werden. Axiale chromatische Abweichung wird manchmal auch als chromatischer Längsfehler bezeichnet (da sie parallel zur optischen Achse auftritt), die chromatische Vergrößerungsdifferenz dagegen als chromatischer Querfehler (da sie im rechten Winkel zur optischen Achse auftritt)."

Korrekturmöglichkeiten

Achromatische Linsensysteme

Achromatisches Linsensystem:
(1) Linse aus Kronglas
(2) Linse aus Flintglas
(3) Brennpunkt für die Farbe Grün
(4) Gemeinsamer Brennpunkt für die Farben Blau und Rot
(aus der Wikimedia Foundation)

Die Chromatische Aberration kann durch den Einsatz eines achromatischen Linsensystems minimiert werden. Dabei werden mindestens zwei Linsen mit unterschiedlichen Brechungsindizes kombiniert, damit die Strahlen möglichst genau auf der Bildebene auftreten.

Der klassische Achromat besteht aus folgenden Glastypen:

einer Sammellinse (siehe die Nummer (1) in der rechts stehenden Abbildung) aus Kronglas - ein relativ leichter Glastyp, dessen Brechzahl sehr niedrig - zwischen 1,5 und 1,6 - ist.
einer Zerstreuungslinse (siehe die Nummer (2) in der rechts stehenden Abbildung) aus Flintglas - ein sehr schwerer, dichter Glastyp, der einen hohen Gehalt von Bleioxid hat. Die Brechzahl liegt etwa bei 1,7 - 1,9.

Durch die Kombination dieser beiden (grundverschiedenen) Glastypen und Linsenformen wird erreicht, dass der Brennpunkt zweier Farben (Rot und Blau - siehe die Nummer (4) in der rechts stehenden Abbildung) gleich ist. Der Brennpunkt für die Farbe Grün (siehe die Nummer (3) in der rechts stehenden Abbildung) liegt (meisten) leicht davor.
In der Regel werden die beiden o. g. Linsen verkittet.

Apochromatische Linsensysteme

Schärfeverlauf eines apochromatischen Linsensystems für alle Spektralfarben - aus der Wikimedia Foundation)

Eine Korrektur auf alle Farben ist wesentlich aufwendiger, hierzu sind wesentlich mehr Linsen und Glastypen erforderlich. Insbesondere bei hoch lichtstarken Teleobjektiven sind hierzu spezielle Glastypen mit anormalen Dispersion oder aus Calciumfluorid erforderlich.

Die dann erreichte Korrektur wird als Apochromatisch bezeichnet - Abkürzung APO.

Hierbei ist aber Vorsicht geboten, da diese Bezeichnung bei der Benennung von Objektiven nicht genormt oder geschützt ist. Allein die Bezeichnung APO klassifiziert ein Objektiv nicht als hervorragend korrigiert.

Ein Zitat aus der Canon-Broschüre "EF LENS WORK III":

"Eine Linse, die chromatische Abweichungen für drei Wellenlängen des Lichts korrigiert, wobei die Abweichung vor allem im zweiten Spektrum sehr stark reduziert wird. EF-Superteleobjektive sind ein Beispiel für apochromatische Linsen."

Weitere Abbildungsfehler

Folgende Abbildungsfehler sind noch bekannt:

Sphärische Aberration (Öffnungsfehler)
Koma (Asymmetriefehler)
Astigmatismus (Randfehler)
Bildfeldwölbung (Bildebnungsfehler)
Verzeichnung (optische Verzerrung)

Weblinks