Kameraobjektiv

---

Hintergrund

Das Kameraobjektiv ist eine Erfindung, die versucht, die Funktionsweise des menschlichen Auges nachzubilden. Genau wie das Auge sieht das Objektiv ein Bild, fokussiert es und überträgt seine Farben, Schärfe und Helligkeit durch die Kamera auf den fotografischen Film die, wie unser Gedächtnis, das Bild zur Verarbeitung und zukünftigen Verwendung aufzeichnet. Linsen bestehen aus optischem Glas oder Kunststoff. Sie bündeln Lichtstrahlen, indem sie sie brechen oder biegen, so dass sie sich an einem gemeinsamen Punkt treffen oder konvergieren.

Ein einfaches Objektiv "sieht" gut durch seine Mitte, aber seine Sicht an den Rändern neigt dazu, unscharf zu sein. Unschärfen, Farbänderungen, Verzerrungen von Linien und Farbhöfe um Objekte herum werden durch Defekte in der Linse verursacht, die als Aberrationen bezeichnet werden. Einige Aberrationen können in der einfachen Linse korrigiert werden, indem eine oder beide Oberflächen asphärisch geformt werden; asphärische Kurven variieren wie die Kurven einer Parabel, anstatt wie die Krümmung einer Kugel konstant zu bleiben. Ein Kameraobjektiv reduziert die Auswirkungen von Aberrationen, indem es ein einfaches Objektiv durch eine Gruppe von Linsen ersetzt, die als Linsenelemente bezeichnet werden, bei denen es sich um Linsen mit unterschiedlichen Formen und Entfernungen handelt. Die Linse wird komplexer, wenn eine größere Korrektur des Sehvermögens erreicht wird. Das Objektiv wird auch abhängig von der Größe der Blende – der Öffnung, die das Licht durchlässt – und dem Winkelbereich, den es "sieht", komplexer sein. Früher beruhte das Linsendesign auf der Kunst des Optikers und viel Experimentierfreudigkeit. Heute können Computerprogramme die Formgebung und den Abstand von Linsenelementen anpassen, deren Auswirkungen aufeinander bestimmen und die Kosten der Linsenherstellung bewerten.

Linsenelemente werden normalerweise durch ihre Form beschrieben. Die konvexe Linse ist nach außen gewölbt; eine bikonvexe Linse ist auf beiden Seiten nach außen gekrümmt und eine plankonvexe Linse ist auf einer Seite flach und auf der anderen nach außen gekrümmt. Es gibt auch konkave Linsen, bikonkave und plankonkave Linsen. Die Elemente sind nicht unbedingt symmetrisch und können sich auf einer Seite stärker biegen als auf der anderen. Eine Verdickung der Mitte der Linse relativ zu ihren Rändern führt dazu, dass Lichtstrahlen konvergieren oder fokussieren. Linsen mit dicken Kanten und dünnen Mitten lassen Lichtstrahlen streuen. Ein komplexes Kameraobjektiv enthält eine Reihe von speziell gruppierten Elementen. Die Kombination aus Zusammensetzung, Form und Gruppierung der Elemente maximiert die Lichtbiegeeigenschaften der einzelnen Elemente, um das gewünschte Bild zu erzeugen. Das Objektiv wird fokussiert, indem es näher oder weiter von der Film- oder Brennebene entfernt wird. Die Linse kann verdreht werden, wodurch sich die Linsenelemente entlang eines spiralförmigen Schraubengewindes, das in das Gehäuse der Linse eingearbeitet ist, hinein- und herausbewegen. Durch Drehen des Objektivs wird auch eine Skala am Gehäuse bewegt, die die Entfernung des besten Fokus anzeigt.

Die Blende oder Blende ist ein spezieller Teil des Objektivs. Bei einfachen Kameras ist die Blende eine feste Blende oder ein Ring aus schwarzem Blech, der fest vor das Objektiv gesetzt wird. Boxkameras, Studiokameras und einige Kameras europäischer Hersteller verwenden einen Gleitstopp, einen Metallstreifen, der zwischen Rillen über die Vorderseite des Objektivs gleitet. Es hat zwei oder mehr Löcher unterschiedlicher Größe, die die Öffnungen sind. Objektive mit variabler Blende haben einen bearbeiteten Ring an der Außenseite der Objektivfassung, der mit Blendenzahlen bedruckt ist. Durch Drehen dieses Rings kann die Blende geöffnet oder geschlossen werden. Diese Irisblende funktioniert ähnlich wie die Iris des Auges, indem sie Anpassungen an unterschiedliche Lichtverhältnisse ermöglicht.

Das Objektiv in einer Kompaktkamera ist normalerweise ein Allzweckobjektiv mit einer normalen Brennweite, das Bilder so aufnimmt, wie unsere Augen es sehen. Objektive, die für spezielle Zwecke entwickelt wurden, werden mit fortschrittlicheren Kameras verwendet. Teleobjektive funktionieren ähnlich wie Ferngläser oder Teleskope, und lassen Sie ein entferntes Bild näher erscheinen. Weitwinkelobjektive lassen das Bild weiter entfernt erscheinen; Ein Panoramaobjektiv ist eine spezielle Art von Weitwinkelobjektiv, das zum Aufnehmen von weitläufigen Landschaften nützlich ist. Einige Einwegkameras sind mit Panoramaobjektiven ausgestattet. Ein Fischaugenobjektiv ist auch eine spezielle Art von Weitwinkelobjektiv, das das Bild bewusst verzerrt, sodass der mittlere Teil vergrößert und die äußeren Bilddetails komprimiert werden. Fish-Eye-Objektive decken sehr weite Winkel ab, wie z. B. Horizont-zu-Horizont-Ansichten. Ein weiteres Spezialobjektiv ist das Objektiv mit variablem Fokus, auch "Zoom"-Objektiv genannt. Es verwendet bewegliche Linsenelemente, um die Brennweite anzupassen, um näher an das Motiv heran oder weiter weg von diesem zu zoomen. Diese Linsen sind komplex und können 12 bis 20 Linsenelemente enthalten; ein Objektiv mit variablem Fokus kann jedoch mehrere andere Objektive ersetzen. Einige Kompaktkameras verfügen auch über eingeschränkte Zoom-, Tele- oder Weitwinkelfunktionen. Die Spiegelreflexkamera (SLR) ist so konstruiert, dass der Fotograf durch den Sucher dieselbe Ansicht wie das Objektiv sieht. Dies ermöglicht es dem Fotografen, das auf dem Film erscheinende Bild mit der Flexibilität einer Vielzahl von Wechselobjektiven zu planen.

Verlauf

Das Kameraobjektiv entwickelte sich aus für andere Zwecke entwickelten optischen Objektiven und reifte mit der Kamera und dem fotografischen Film. Im Jahr 1568 platzierte ein venezianischer Adliger, Daniel Barbaro, eine Linse über dem Loch in einer Kamerabox und untersuchte die Bildschärfe und den Fokus. Seine erste Linse stammte von der konvexen Brille eines alten Mannes. Der Astronom Johann Kepler führte 1611 Barbaros Experimente aus, indem er Einzel- und Verbundlinsen beschrieb, die Bildumkehr erklärte und Bilder durch Gruppierung von konvexen und konkaven Linsen vergrößerte.

In den 1800er Jahren hatten die ersten Boxkameras ein Objektiv, das in der Öffnung der Box montiert war. Das Objektiv hat das Bild auf einer lichtempfindlichen Platte auf der Rückseite der Box invertiert. Es gab keinen Verschluss, um das Objektiv zu öffnen; stattdessen wurde eine Linsenkappe für mehrere Sekunden oder länger entfernt, um die Platte freizulegen. Verbesserungen der Empfindlichkeit der Platte erforderten Möglichkeiten zur Steuerung der Belichtung. Zum Einführen in der Nähe der Linse wurden Masken mit unterschiedlich großen Öffnungen hergestellt. Zur Steuerung der Blende wurde auch die Irisblende entwickelt. Seine Metallblätter öffnen und schließen sich zu einer kreisförmigen Öffnung, deren Durchmesser variiert werden kann.

1841 entwarf Joseph Petzval aus Wien ein lichtstarkes Porträtobjektiv. Bisher waren Objektive für Daguerreotypie-Kameras am besten für die Landschaftsfotografie geeignet. Mit dem Objektiv von Petzval konnten Porträts zehnmal schneller aufgenommen werden, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Foto unscharf wurde, war geringer. 1902 entwickelte Paul Rudolph das Zeiss-Tessar-Objektiv, das als das beliebteste aller Zeiten gilt. 1918 stellte er das Plasmat-Objektiv her, das vielleicht beste jemals hergestellte Kameraobjektiv. Rudolph folgte kurz darauf Max Berek, der scharfe, lichtstarke Objektive entwarf, die sich ideal für Miniaturkameras eigneten.

Weitere wesentliche Entwicklungen in der Objektivgeschichte sind die Linsenbeschichtungstechnologie, der Einsatz von Seltenerdglas und computergestützte Berechnungsmethoden. Katharine B. Blodgett entwickelte 1939 Techniken zur Dünnbeschichtung von Linsen mit Seifenfilm, um Reflexionen zu entfernen und die Lichtdurchlässigkeit zu verbessern. C. Hawley Cartwright setzte Blodgetts Arbeit fort, indem er Beschichtungen aus metallischen Fluoriden verwendete, einschließlich verdampftem Magnesium und Kalzium, die vier Millionstel betrugen von einem Zoll dick.

Design

Das Design eines Kameraobjektivs beginnt mit der Identifizierung des Fotografen, der es verwenden wird. Wenn der Markt identifiziert ist, wählt der Objektivdesigner die optischen und mechanischen Materialien, das optische Design, das geeignete Verfahren zur Herstellung der mechanischen Teile und bei Autofokusobjektiven die Art der Schnittstelle zwischen Objektiv und Kamera aus. Es gibt Konventionen oder Muster für die verschiedenen Objektivkategorien, einschließlich Makro-, Weitwinkel- und Teleobjektive, sodass einige Designaspekte standardisiert sind. Fortschritte bei den Materialien stellen Designer vor viele Herausforderungen Eine Gruppe von Linsen, die Linsenelemente genannt werden, die unterschiedliche Formen und Abstände aufweisen, bilden das Kameraobjektiv . Früher beruhte das Linsendesign auf der Kunst des Optikers und viel Experimentierfreudigkeit. Heute können Computerprogramme die Formgebung und den Abstand von Linsenelementen anpassen, deren Auswirkungen aufeinander bestimmen und die Kosten der Linsenherstellung bewerten. Optionen jedoch. Bei der Auswahl der Materialien muss der Ingenieur eine Reihe von Metallen für die Komponenten und verschiedene Arten von Gläsern und Kunststoffen für die Objektive berücksichtigen, während er gleichzeitig die Endkosten für den Fotografen berücksichtigt.

Wenn der Designer das Design fertiggestellt hat, wird seine Leistung durch Computersimulation getestet. Spezielle Computerprogramme für Objektivhersteller sagen dem Designer, welche Art von Bild oder Bild das Objektiv in der Mitte des Bildes und an seinen Rändern für den Bereich des Objektivbetriebs erzeugen wird. Unter der Annahme, dass die Linse den Computersimulationstest besteht, werden die anfänglich ausgewählten Leistungskriterien erneut überprüft, um zu bestätigen, dass die Linse die identifizierten Anforderungen erfüllt. Ein Prototyp wird hergestellt, um die tatsächliche Leistung zu testen. Das Objektiv wird unter verschiedenen Temperatur- und Umgebungsbedingungen, bei jeder Blendenposition und bei jeder Brennweite für Zoomobjektive getestet. Zielkarten in einem Labor werden ebenso fotografiert wie Feldbedingungen mit wechselnden Licht- und Schattenverhältnissen. Einige Linsen werden in Labortests schnell gealtert, um ihre Haltbarkeit zu überprüfen.

Wenn das Objektiv automatisch fokussiert, sind zusätzliche Designarbeiten erforderlich, da das Autofokus (AF)-Modul mit einer Reihe von Kameragehäusen funktionieren muss. Das AF-Modul erfordert sowohl Software als auch mechanisches Design. Aufgrund ihrer komplexen Funktionen und der auf jedes Objektiv abgestimmten Software werden an diesen Objektiven umfangreiche Prototypentests durchgeführt.

Rohstoffe

Die Rohmaterialien für die Objektive selbst, die Beschichtung, den Tubus bzw. das Gehäuse für das Kameraobjektiv und die Objektivfassungen werden weiter unten im Abschnitt Herstellung beschrieben.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Linsenelemente schleifen und polieren

• 1 Optisches Glas wird von spezialisierten Anbietern an Linsenhersteller geliefert. Üblicherweise wird sie als "Pressplatte" oder Glasscheibe bereitgestellt, aus der die Elemente geschnitten werden. Die Glaselemente werden von einer Kurvengeneratormaschine, die eine Schleifmaschine für die erste Stufe ist, zu konkaven oder konvexen Formen geformt. Um die Spezifikationen für ihre Form zu erreichen, durchläuft eine Linse eine Reihe von Prozessen, bei denen sie durch Polieren von Partikeln in Wasser geschliffen wird. Die Polierpartikel werden in jedem Schritt kleiner, wenn die Linse verfeinert wird. Die Kurvenerzeugung und das anschließende Schleifen variieren in der Geschwindigkeit je nach Zerbrechlichkeit, Weichheit und Oxidationseigenschaften der optischen Materialien.

  Nach dem Schleifen und Polieren werden die Elemente zentriert, so dass die Außenkante der Linse einen perfekten Umfang relativ zur Mittellinie oder optischen Achse der Linse hat. Linsen aus Kunststoff oder Verbundglas und Harz werden nach den gleichen Verfahren hergestellt. Verbundwerkstoffe werden verwendet, um Linsen mit nicht-sphärischen Oberflächen herzustellen, und diese Linsen werden als "hybride Asphären" bezeichnet. Die asphärischen Oberflächen dieser Linsen werden beim Zentrieren fertiggestellt.

Linsenbeschichtung

• 2 Geformte Linsen sind beschichtet, um das Material vor Oxidation zu schützen, Reflexionen zu verhindern und die Anforderungen an eine "designed Spectrum Transmission" oder Farbbalance und -wiedergabe zu erfüllen. Die Linsenoberflächen werden vor der Beschichtung sorgfältig gereinigt. Techniken zum Aufbringen von Beschichtungen und die Beschichtungen selbst sind wichtige Verkaufsargumente für die Objektive eines Herstellers und werden sorgfältig gehütet. Einige Arten von Beschichtungen umfassen Metalloxide, Leichtmetallfluoride und Quarzschichten, die durch ein Vakuumverfahren auf Linsen und Spiegel aufgebracht werden. Für die beste Farb- und Lichtdurchlässigkeit können mehrere Beschichtungsschichten aufgetragen werden, aber eine übermäßige Beschichtung kann das Licht, das durch die Linse fällt, reduzieren und ihre Nützlichkeit einschränken.

Herstellung des Fasses

• 3 Der Tubus umfasst das Chassis, das die verschiedenen Linsenelemente und das kosmetische Äußere trägt. Metallfassungen, Rillen und bewegliche Teile des Objektivs sind für die Leistung des Objektivs entscheidend und werden mit sehr spezifischen Toleranzen bearbeitet. Objektivhalterungen können aus Messing, Aluminium oder Kunststoff bestehen. Die meisten Metallzylinderkomponenten sind druckgegossen und maschinell bearbeitet. Metallhalterungen halten länger, behalten ihre Maße, lassen sich präziser bearbeiten und können bei Bedarf zum Austausch von Elementen demontiert werden. Kunststoffhalterungen sind weniger teuer und von geringerem Gewicht. Wenn der Zylinder aus technischem Kunststoff besteht, wird er in einem hocheffizienten und präzisen Spritzgussverfahren hergestellt. Die Innenflächen des Laufs sind ebenfalls beschichtet, um sie zu schützen und interne Reflexionen und Streulicht zu verhindern.

Zusammenbau des Objektivs

• 4 Andere Teile des Objektivs wie Blende und Autofokusmodul werden als Unterbaugruppen hergestellt. Die Irisblende besteht aus gebogenen Blättern, die aus dünnen Metallblechen geschnitten sind. Die Metallblätter werden von zwei Platten gehalten. Eine Platte ist fest, die andere bewegt sich und hat Schlitze für Gleitstifte. Diese schieben die Blätter zurück zum Zylinder, um die Blende zu öffnen, oder in die Mitte, um die Öffnung zu schließen, wenn der Blendenring gedreht wird. Die Blendenbaugruppe wird befestigt, wenn die Objektivfassung am Ende des Tubus angebracht wird. Der Autofokus wird ebenfalls hinzugefügt, die optischen Elemente werden positioniert und das Objektiv wird versiegelt. Nach der Endmontage wird das Objektiv justiert und auf Herz und Nieren geprüft. Es muss die Designstandards für optische Auflösung, mechanische Funktion und Autofokus-Reaktion erfüllen. Linsen können auch getestet werden, indem sie Stößen, Herunterfallen und Vibrationen ausgesetzt werden.

Qualitätskontrolle

Die Herangehensweisen an die Linsenherstellung variieren stark zwischen den Unternehmen. Einige verwenden Vollautomatisierung, einschließlich Industrieroboter Um ihre Produkte herzustellen, verwenden andere große Fließbänder und wieder andere sind stolz auf ihre Handarbeit. Qualität und Präzision sind jedoch unabhängig vom Herstellungsansatz für die Linsenproduktion unerlässlich. Eingehende Materialien und Komponenten werden streng auf Qualität und Einhaltung der technischen Spezifikationen geprüft. Auch automatisierte Prozesse werden ständig inspiziert und einer Toleranzprüfung unterzogen. Handarbeit wird nur von erfahrenen Handwerkern mit langjähriger Ausbildung ausgeführt. Qualitätskontrolle und Belastungstests sind in jedem Fertigungsschritt integriert und Elemente und Komponenten werden mit präzisen Instrumenten vermessen. Einige Messgeräte sind lasergesteuert und können Abweichungen von weniger als 0,0001 Millimeter in einer Linsenoberfläche oder in der Linsenzentrierung erkennen.

Die Zukunft

Kameraobjektive erfreuen sich in vielen Bereichen neuer Entwicklungen. Das Interesse der Verbraucher an den besten Fotos zu den niedrigsten Kosten hat zu Einwegkameras mit einfachen, aber effektiven Objektiven geführt. Objektive für professionelle Fotografen und für Spezialanwendungen wie Hochleistungsferngläser oder Teleskope werden mit exotischen und "nicht bevorzugten" Gläsern hergestellt, die empfindlicher, teurer und schwerer zu beschaffen sind als herkömmliche Materialien. Diese Materialien werden als "abnormale Dispersion" bezeichnet, da sie alle Farben des durch das Objektiv fallenden Lichts verschmelzen, um die besten Bilder zu erzeugen, anstatt zuzulassen, dass sich Farben wie bei einer einfachen Linse streuen. Wasser und andere Flüssigkeiten biegen ebenfalls das Licht, und Wissenschaftler haben Flüssigkeiten identifiziert, die ungewöhnlich streuend sind und zwischen Schichten von gewöhnlichem Glas eingeschlossen werden können, um die gleiche Bildqualität wie exotisches optisches Glas zu erzeugen. Das gewöhnliche oder "bevorzugte" Glas (bevorzugt wegen der geringen Kosten und Verarbeitbarkeit) wird mit flexiblem Silikonkleber um die Flüssigkeit geklebt. Die resultierende "flüssige Linse" kann mehrere Elemente in einer professionellen Linse ersetzen. Es reduziert auch die erforderliche Beschichtung und den erforderlichen Linsenpolieraufwand, da die Flüssigkeit Unvollkommenheiten im Glas ausfüllt. Die Kosten der Linse werden reduziert und die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften werden verbessert. Linsenhersteller in den USA, Japan und Europa bereiten sich darauf vor, in naher Zukunft Flüssiglinsen herzustellen.