Gelbstich, UV-Sperre, Vergütung usw.
Hallo binofan,
meine Arbeit erlaubt gerade eine Zäsur, und so mache ich Mittagspause und will Dir dabei ein paar weitere Informationen ergänzend zu den Ausführungen von Holger schreiben.*)
Ich setze bei Dir als bekannt voraus, daß wir Licht als verschiedene Farben sehen, die wir (in der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge von ca. 380 nm bis ca. 750 nm) als „Spektralfarben” von Violettblau über Blau, Blaugrün, Grün, Gelb, Orange, Rot und Lilarot wahrnehmen bzw. empfinden (Farben sind eine Vorstellung des Gehirns, Wellenlängen sind die meßbaren physikalischen Parameter).
Das menschliche Auge – die Augen verschiedener Tiere können sich da zum Teil ganz anders verhalten – hat zwei Arten von Rezeptoren (Sensoren) zur Wahrnehmung von Licht. Die sog. Stäbchen, die es in drei Versionen (R, G, B für rot-, blau- und grünempfindlich) gibt, sind bei großer Helligkeit („Tagessehen”) aktiv und liefern dem Gehirn komplexe Farbinformationen, die sich aber von RGB-Signalen des Computers oder Fernsehers erheblich unterscheiden (aber das würde hier zu weit führen). Die Zapfen dagegen liegen nur in einer Form mit Empfindlichkeitsmaximum bei etwa 510 nm (Grün) vor, sind wesentlich lichtempfindlicher und werden bei geringer Helligkeit („Dämmerungs-/Nachtsehen”) aktiv. Bei Tage sehen wir also mit den Stäbchen und können dank der drei RGB-Informationen alle Farben im sichtbaren Spektrum gut unterscheiden. Das Empfindlichkeitsmaximum der drei Stäbchen (also aller drei Versionen gemeinsam) liegt bei etwa 560 nm (grünliches Gelb).
Um die durch ein Fernglas beobachteten Gegenstände „farbneutral” wahrzunehmen, müßte die Transmission (Strahlungsdurchlässigkeit, hier speziell die Lichtdurchlässigkeit) über das gesamte Spektrum hinweg konstant sein, also z.B. einheitlich 91% betragen, was für ein Fernglas schon ein sehr hoher Wert ist. Denn bei konstanter Transmission übers volle Spektrum hinweg werden zwar alle Intensitäten geschwächt, aber eben gleichmäßig, so daß die „Ausgewogenheit” erhalten bleibt - das Bild wird zwar (kaum merklich) dunkler als fürs bloße Auge, aber alle Farben wirken unverändert. Sofern die Augenpupille diesen Lichtverlust durch größere Öffnung ausgleichen kann, merken die Stäbchen von diesem Lichtverlust nicht einmal was. Physikalisch ausgedrückt heißt das, daß die Lichtleistung über alle Wellenlängen hinweg um denselben prozentualen Teil reduziert wird (Transmissionsverluste durch Reflexion an den Glas-Luft-Flächen von Linsen und Prismen und durch Absorption innerhalb der Gläser), so daß die Stäbchen zwar etwas kleinere RGB-Signale ans Gehirn liefern, aber deren Verhältnis zueinander (also R:G, R:B und G:B) unverändert bleibt. Das Gehirn rekonstruiert aus den gleich gebliebenen Mischungsverhältnissen also genau dieselben Farben wie ohne Fernglas.
Nun wird aber diese konstante Transmission durch die erwähnte Reflexion und Absorption leider gestört. Es gibt Glassorten, die nicht völlig farblos aussehen, sondern z.B. leicht gelblich wirken, weil sie Blau oder Violett ein bißchen stärker absorbieren als andere Farben. Dennoch muß man manchmal auch auf solche Glassorten zugreifen, wenn man bestimmte Brechungsindizes und Dispersionen zur optimalen Fehlerkorrektion eines optischen Systems benötigt, für die es keine absolut farblosen Gläser gibt oder die man aus anderen Gründen nicht verwenden kann (z.B. wegen stark abweichender Wärmeausdehnungskoeffizienten bei verkitteten Linsengruppen). Bei Verwendung solchen Glases kann also schon mal das Bild im Fernglas leicht eingefärbt werden.
[Apropos „einfärben”: Man darf sich das nicht vorstellen wie z.B. einen Auftrag von gelber Farbe. Vielmehr genügt es, wenn im Spektrum die sehr kurzen Wellenlängen für Violett oder Blau ein wenig unterrepräsentiert sind, z.B. wegen erhöhter Absorption. Wir empfinden dann das Fehlen oder die Schwächung von Violett oder Blau als einen dazu komplementären, also gelben Farbstich, weil der „Schwerpunkt” (Weißpunkt im Farbendiagramm) etwas mehr in Richtung längerer Wellenlänge verschoben wird. Ein anderes Beispiel, das nichts mit Transmissionverlusten zu tun hat, wäre die Farbe von Glühlampenlicht: Unser Auge hat sich in Millionen von Jahren der Evolution auf die spektrale Intensitätsverteilung des Sonnenlichts eingestellt und dieses zu seiner „Weiß-Referenz” gemacht. Weil der erhitzte Wolframdraht einer Glühlampe aber mit < 2500 °C oder ca. 2750 K nur eine viel niedrigere Oberflächentemperatur als die Sonne mit durchschnittlich ca. 5500 K erreicht, strahlt die Glühlampe zwar schon viel langwelliges = gelbes und rotes Licht ab, aber noch wenig kurzwelliges = blaues Licht, so daß hier der „Schwerpunkt” stark nach Gelborange verschoben ist. Wir haben im Regelkreis von Auge und Hirn zwar einen phantastisch funktionierenden Weißabgleich und stellen uns deshalb schon innerhalb weniger Minuten auf die andere Farbbalance ein, aber eine Fotokamera mit Tageslichtfilm, die das nicht kann, beweist uns leicht, daß Glühlampenlicht deutlich orangegelb aussieht.]
Zurück zum Fernglas. Wir haben da noch die Reflexion an den sehr vielen, mindestens 6, aber oft je nach optischem Aufbau von Objektiv, Okular und Prismensystem (verkittet oder mit Luftspalt) bis zu 10 oder gar 12 Glas-Luft-Grenzflächen. Unvergütete Glasoberflächen reflektieren je nach ihrem Brechungsindex ungefähr 5,5%, so daß pro Grenzfläche nur etwa 94,5% (= 0,945) durchgelassen wird. Wenn wir nur 6 Grenzflächen hätten, je zwei fürs Objektiv, das Prismensystem und das Okular, ginge allein aufgrund dieser Reflexionsverluste nur 0,945ˆ6 = 0,712 = 71,2% hindurch. Die zuvor genannte Absorption im Glas schluckt davon auch noch etwas, so daß weniger als 70% übrig bleibt. Deshalb werden die an Luft grenzenden Glasoberflächen vergütet. Einfache (= aus einer einzigen Schicht bestehende) Vergütung reduziert den Reflexionsverlust von ca. 5,5% je nach Güte im Mittel über das gesamte Spektrum auf weniger als ca. 1% für eine Transmission von über 99%. Bei den genannten nur 6 Glas-Luft-Grenzflächen ergäbe das die Gesamttransmission 0,99ˆ6 = 0,941 = 94,1%, was erheblich besser ist als beim unvergüteten Fernglas. Durch Mehrschichtvergütung läßt sich die Reflexion noch weiter vermindern und die Transmission folglich weiter erhöhen. Da aber hochwertige Ferngläser viel mehr Linsen und somit auch mehr Glas-Luft-Flächen haben, sind trotz Mehrschichtvergütung Transmissionswerte über 90% schon außergewöhnlich gut.
Nun reduziert eine Vergütung die Reflexion leider nicht für alle Farben bzw. Wellenlängen gleichmäßig, sondern bei einfacher Vergütung zwar hervorragend in einem engen Wellenlängenbereich, jedoch beiderseits davon immer schlechter. Mehrschichtvergütung steigert zwar das Optimum nicht oder nur wenig, wirkt aber breitbandiger, wenn auch immer noch nicht völlig gleichmäßig über alle Farben hinweg. Die Transmissionkurve stellt dann keine gerade horizontale Linie knapp unter 100% dar, sondern verläuft z.B. bei einer Mehrschichtverütung leicht wellig zwischen vielleicht 95% und 99,9%, um aber meistens im Randbereich unterhalb etwa 390 nm und oberhalb etwa 720 nm schlechter zu werden. Die Welligkeit und der Randabfall können leichte Farbtönungen in der Durchsicht bewirken. Man kann z.B. durch unterschiedliche Vergütungen auf den verschiedenen Linsen und Prismen eines Fernglases versuchen, die individuellen Tönungen der einzelnen Vergütungen gegeneinander auszugleichen. Aber manchmal kann es durchaus sinnvoll sein, ein Transmissionmaximum in einem bestimmten Farb- bzw. Wellenlängenbereich anzustreben, was dann eine verstärkte Tönung zur Folge hat.
Dieser Fall liegt etwa bei Ferngläsern vor, die speziell für die Jagd konzipiert sind. Denn diese werden vor allem in der Dämmerung genutzt bzw. dort hinsichtlich ihrer Transparanz am stärksten gefordert. In der Dämmerung aber sieht das Auge schon zum Teil oder vorrangig mit den Zapfen mit ihrem Empfindlichkeitsmaximum bei etwa 510 nm. Will man dieses Maximum für beste Detailerkennbarkeit nutzen, so ist es sinnvoll, die Vergütung auf ein Reflexionsminimum in diesem Bereich abzustimmen. Das macht z.B. Zeiss mit den überwiegend an Jäger verkauften lichtstarken Victory-Ferngläsern. Der für den „normalen” Anwender als möglicherweise störend und nachteilig empfundene zarte Gelb- oder Grüngelbstich ist also für die Zielgruppe der Jäger ein wichtiger Vorteil.
An dieser Stelle möchte ich einen Link angeben, der recht informative Diagramme zur spektralen Empfindlichkeit des Auges bei Tag und bei Nacht sowie auch (in diesem Zusammenhang aber nicht mehr so wichtige) Verteilungskurven für verschiedenes Tageslicht usw. enthält und hier gut hinein paßt:
http://www.tageslicht.de/wissenschaft.html
Kommen wir nun zum Thema UV-Absorption. Glas ist generell für UV weniger durchlässig als für Licht (mit Licht meine ich immer nur den sichtbaren Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung). Das „harte” UV geht bei den meisten Ferngläsern kaum mehr durch, aber das „nahe” UV zum Teil noch in so hoher Intensität, daß es unter bestimmten Voraussetzungen (im Gebirge, an der See, bei zusätzlicher UV-Reflexion an bestimmten Oberflächen) fürs Auge schädlich sein kann. Deshalb werden z.B. Marineferngläser oft mit Vergütungen versehen, die zwar im visuellen Bereich hohe Transmission gewährleisten, aber etwa unterhalb 400 nm stark abfallen. Da die Flanke der Transmissionskurve aber nie einen Knick bildet und senkrecht abfällt, sondern immer erst leicht und dann allmählich steiler abfällt, kann eine gewisse Schwächung schon unterhalb 450 nm zu einem (wegen des verminderten Blauanteils) erkennbaren Gelbstich führen. Alternativ zu solchen Vergütungen könnte ein zusätzlich eingebautes UV-Sperrfilter verwendet oder eine bestimmte Glasoberfläche mit einer speziellen UV-Sperrschicht versehenen werden.
Die Blockade von UV erhöht jedoch nicht die Dämmerungstauglichkeit. Sie ist eine eigenständige Sache. Um ein verbessertes Sehen bei Dämmerung zu ermöglichen, kommt es einzig und allein darauf an, ein hohes Transmissionmaximum in einem nicht zu schmalbandigen Wellenlängenbereich um 510 nm zu erzielen. Daß ein solchen Fernglas dann als eigentlich unerwünschte, aber meist unvermeidbare Begleiterscheinung einen leichten Gelbstich zeigt, muß man hinnehmen.
Umgekehrt bedeutet aber ein leichter oder auch stärkerer Gelbstich noch lange nicht, daß dieses Fernglas besonders dämmerungstauglich wäre. Denn ein Gelbstich läge ja z.B. auch dann vor, wenn das Fernglas eine magere Transmission von nur 80% im Bereich um 510 nm sowie weniger als miserable 70% beiderseits davon hätte. Das ist wie mit einem Heckspoiler beim Auto: Ein Rennwagen kann damit noch eine Spur schneller werden. Aber eine lahme Ente (womit ich nicht speziell Citroen meine) mit aufmontiertem Heckspoiler bleibt dennoch jedem durchschittlichen Auto ohne Spoiler unterlegen. So könnte man also die reißerisch und irreführen als „nachtaktiv” bei eBay angebotenen Billiggläser mit bunt schimmernden Vergütungen als „lahme Enten mit verkehrt herum montiertem Spoiler” betrachten.
Die Kontraststeigerung fehlt uns jetzt noch. Nicht immer sind die Beobachtungsverhältnisse optimal. Der Astrofreund wird zwar in der Regel nur bei klarem Himmel sein Fernglas zur Hand nehmen, aber der Jäger oder Ornithologe, der Wachmann oder der Leuchttumwärter muß oft auch bei Regen, Schnee oder Nebel schauen. Und da kann auch wieder ein auf hohe Transmission im gelben bis orangeroten Farbbereich optimiertes und hier sogar (im Gegensatz zur sonst angestrebten hohen Gesamttransmission) eine im Blaubereich bewußt reduzierte Transmission hilfreich sein. Denn vom Morgen- und Abendrot der Sonne sowie von den gelben Nebelscheinwerfern weiß wohl jeder, daß langwelliges Licht in einer Atmosphäre mit Nebeltröpfchen, Regentropfen oder Schneekristallen weniger stark gestreut wird als kurzwelliges. Deshalb wäre ein „gelber Farbauszug” des Bildes im Fernglas kontrast- und detailreicher als ein „blauer Farbauszug”. Letzterer überlagert aber bei einem farbneutralen, alle Wellenlängen gleich gut durchlassenden Fernglas mit gewisser Unschärfe das viel schärfe Bild des „gelben Farbauszugs”. Ein entsprechend auf hohe Transmission für Gelb und Farben längerer Brennweite optimiertes und für Blau in der Transmission reduzieres Fernglas bringt also unter solchen Umständen ein kontrastreicheres, wenn auch nicht mehr ganz so helles Bild zustande.
Bitte beachte im obigen letzen Satz die Einschränkung „unter solchen Umständen”. Denn wenn die Sichtverältnisse gut sind (gute Helligkeit, neutralweißes Sonnenlicht, klare Luft), wird von den meisten Beobachtern ein farbneutrales Fernglas gleicher optischer Qualität als kontrastreicher empfunden, und viele empfinden sogar einen leicht kühlen (bläulichen) Ton nochmals kontraststeigernd.
Wie man sieht, gibt es also hinsichtlich der hier erörterten Parameter nicht „das optimale Fernglas”, sondern man muß in jedem Einzelfall aufgrund der Beobachtungsbedingungen (Tag/Dämmerung/Nacht, Lichtfarbe, klare Luft/Nebel/Regen/Schnee, Reflexe, hoher UV-Anteil) das hierfür geeignetste Glas etwas mühevoll herausfinden. Es wäre schön, wenn meine für diesen Beitrag geopferte und dabei etwas überdehnte Mittagspause Dir dabei behilflich sein könnte.
MfG Walter E. Schön
Nachtrag:
*) Weil ich wegen der parallel zum Schreiben gehaltenen Mittagspause und wegen des langen Textes recht lang brauchte, ist mir mein Namensvetter Walter Wehr (sieht aus, als wäre er zudem auch Fachkollege?) mit seinem Beitrag, den ich erst jetzt nach dem Einstellen meines Beitrags sehe, zuvorgekommen. Es finden sich daher einige inhaltliche Überschneidungen, die aber sicher nicht schaden; schlimmer wär's, wenn es Widersprüche gewesen wären. Das ist auch der Grund, weshalb ich eingangs nur „ergänzend zu den Ausführungen von Holger” schrieb und Walter Wehr unerwähnt ließ.
