Scharfstellen bei Innenfokussierung

[Alberto]

Hallo, Freunde der Sterne und Kundige des durch Glas gebrochenen Lichts,

mit einer Frage zur Optik moderner Objektive durchs Reich des Wissens googelnd, gelangte ich auf diese Forumsseite

http://forum.astronomie.de/phpapps/ubbthreads/showflat.php?Cat=&Board=Fernglaeser&Number=187546&page=0&view=collapsed&sb=11&o=&fpart=2&vc=1

und war angetan von der Fachkompetenz der Teilnehmer. Als ich dann auch noch den Namen Walter E. Schön las, bei dem ich vor ca. 10 Jahren an einem Großbild-Seminar bei Linhof teilgenommen habe, dachte ich: Hier bin ich richtig.

Ich habe eine grundlegende Frage zur Optik moderner Objektive mit Innenfokussierung. Ich gestehe allerdings gleich, dass es mir um Fotoobjektive geht, und dass ich damit eigentlich hier nicht richtig bin, habe aber gemerkt, dass diese auch bei Ferngläsern vorkommen. Außerdem habe ich schon in vielen Fotoforen, in Aufsätzen und Firmeninformationen gesucht, aber noch keine detaillierte Antwort bekommen. Ich glaube, hier ist mehr Wissen versammelt, vielleicht könnt (wollt?) Ihr mir ja helfen.

Was weiß ich? Ich kenne die Grundlagen der Abbildung „klassischer“ Objektive mit Festbrennweite. Ich kann graphisch und rechnerisch Lage und Größe der Abbildung eines gegebenen Gegenstandes bestimmen, also die Abbildungsformel 1/f = 1/g + 1/b und ihre Umformungen. Ich kenne auch das Modell zur Konstruktion der Abbildung komplexer Objektive mit zwei Hauptebenen. Soviel zu meinem fachlichen Hintergrund

Nun habe ich aber etwas Neues angefangen und bin bei Übergang zur Digitalfotografie erstmals mit AF-Objektiven in Berührung gekommen. Dabei ist leider mein allzu festgefügtes Bild der Optik in Unordnung geraten, ich brauche Hilfe, um wieder festen Boden unter den Füßen zu bekommen. Hier sind meine Fragen:

- Wie erfolgt die Scharfstellung eines Objektives mit Innenfokussierung? Durch Verschieben von Linsengruppen im Inneren, soviel habe ich gelesen. Aber was geschieht dabei physikalisch? Ich habe gelesen, dass sich dabei die Brennweite ändert, nach bisherigen Aussagen aber nur geringfügig.

- Stimmt das, ist das nur ein Nebeneffekt; kann man also die Brennweitenänderung vernachlässigen und erfolgt die Scharfstellung hauptsächlich – mathematisch gesehen – durch eine Verschiebung der hinteren Hauptebene des Objektivs?

- Oder erfolgt Scharfstellung allein aufgrund der Brennweitenänderung? Wird also die Brennweite so stark verändert, bis die Bildweite wieder „passt“? Denn das Hinterglied des Objektivs verschiebt sich doch nicht, oder?

- Ist das Denken in Hauptebenen bei solchen Objektiven grundsätzlich noch sinnvoll? Oder geht man da von anderen Denkmodellen aus?

Ich würde mich freuen, wenn ein paar Optikfreaks darauf reagieren würden.

Grüße Alberto

 

[Walter_E_Schön]

Vorab: Danke für die Blumen. Nach solchem Lob darf ich mich um eine Antwort nicht drücken.

Richtig, bei der Innenfokussierung werden eine oder mehrere innenliegende Linsen(gruppen) verschoben, während der Objektivtubus (das Objektivgehäuse) mit den übrigen Linsen einschließlich der Frontlinse (nicht unbedingt aber auch die Hinterlinse) stationär bleibt. Die veränderten Linsenabstände führen sowohl zu einer Brennweitenänderung als auch einer Verlagerung der Hauptebenen. Es wäre für die Funktion der Innenfokussierung prinzipiell ausreichend, wenn nur die Brennweite oder nur die bildseitige Hauptebene sich verschöbe, doch sind beide Parameter (Brennweite und Lage von H') so miteinander verknüpft, daß sich eben bei Änderung der Brennweite auch die Hauptebenen geringfügig verlagern, wenn man keinen speziellen (überflüssigen, nur Kosten verursachenden) Aufwand treibt, sie stationär zu halten.

Worauf es letztlich ankommt, ist die Änderung des Abstandes der Brennebene (= Bildebene bei Unendlicheinstellung) vom Objektiv, und daran sind überwiegend die Brennweitenänderung und in geringerem Maße eine damit verbundene Hauptebenenverlagerung beteiligt. Verkürzt sich dieser Abstand, dann ist die (nahezu konstant gebliebene) Bildweite relativ zur reduzierten Brennweite größer geworden und es ergibt sich eine Scharfeinstellung auf kürzere Entfernung. Denn wenn man die Abbildungsformel nach der Gegenstandsweite g auflöst, gilt

g = f·b/(b-f),

und für die Klammer im Nenner des Bruchs spielt es keine Rolle, ob bei normaler Fokussierung (also nicht Innenfokussierung) zum Einstellen auf „nah” die Bildweite b vergrößert wird (= Verschieben des Objektivs nach vorn, weg vom Film bzw. Sensor) oder ob bei Innenfokussierung zum Einstellen auf „nah” die Bildweite b annähernd konstant gehalten und die Brennweite f verkürzt wird.

Da sich beim Verschieben der Fokussierelemente im allgemeinen die Brennweite stärker ändert als die Lage des bildseitigen Hauptebene, kann man sich bei der Erklärung des Prinzips im wesentlichen auf die Brennweitenänderung beschränken. Der Konstrukteur des Kamera-, Fernglas- oder Spektivobjektivs muß es natürlich ganz genau nehmen und die H'-Verlagerung mit in seine Berechnungen einbeziehen.

Dieses Innenfokussierprinzip ist bei Ferngläsern dasselbe wie bei Kameras, nur daß da die Nahgrenze sehr viel weiter ist. 50 cm Nahgrenze ist bei Fotoobjektiven nicht ungewöhnlich, wäre aber bei einem binokularen Fernglas Unsinn, da dann die Überdeckung (Schnittmenge) des linken Bildes mit dem rechten viel zu klein wäre, so daß man bei Dachkantferngläsern kaum kleinere Nahgrenzen als ca. 2 m und bei Porroferngläsern (mit deutlich größerer „Stereobasis”) kaum kleinere als 3,5 m bei kleinen Modellen und eher 5 - 7 m bei größeren und stärker vergrößernden findet.

Walter E. Schön

 

[Alberto]

Hallo Herr Schön,

ich habe mich außerordentlich gefreut, dass sie mir geantwortet haben, denke ich doch oft und gern an das Seminar in München zurück, und noch heute sehe ich ab und zu in meinen damaligen Aufzeichnungen nach. Und auch diesmal habe ich wieder etwas gelernt. Jetzt habe ich noch zwei Fragen, und es wäre schön, wenn Sie mir auch dazu etwas schreiben könnten.

Wenn ich alles richtig verstanden habe, erfolgt die Scharfstellung also in erster Linie durch die Änderung der Brennweite. Wie ist das nun beim einem Zoom mit Innenfokussierung? Hat das zwei Linsengruppen: Eine zur – relativ geringfügigen – Verstellung der Brennweite zum Scharfstellen und eine für die z.T. sehr umfangreiche Verstellung zum Zoomen? Bei Digitalkameras gibt es ja Zooms, z.B. von Leica, mit einem Zoombereich von 1:12. Oder gibt es einen Trick, beide Fliegen mit einer Klappe, sprich: Linsengruppe, zu „erschlagen“? Beide Einstellungen müssen doch unabhängig voneinander sein, ich muss doch bei jeder Brennweite scharfstellen können.

Und wie ist es bei solchen Objektiven bei Makroaufnahmen? Gilt dann das Gesagte auch noch? Bei meiner neuen SONY DSV V3 mit einem Vario-Sonnar 7–28 mm muss ich extra auf Makro umschalten (Taste), und dann kann ich in WW-Stellung bis auf 10 cm, in T-Stellung bis 40 cm nah ran. Das ist zwar kein wirkliches Makro, aber deutlich näher als im Normalbetrieb.

Die „Atronomen“ hier im Forum mögen mir meine Neugier verzeihen – denn das ist es, ich könnte auch ohne dieses Wissen fotografieren, aber ich möchte einfach wissen, wie es funktioniert. Und wann findet man schon mal jemanden, der nicht nur eine „Ahnung“ hat, sondern Wissen.

Grüße aus dem endlich mal verschneiten Berlin <img src="/phpapps/ubbthreads/images/icons/smile.gif" alt="" />

Alberto

 

[Walter_E_Schön]

Nachdem ich im ebenfalls verschneiten München einen ausgiebigen Spaziergang gemacht und mich danach mit einem herrlich dampfenden Kaffee wieder aufgewärmt habe, will ich die von erhöhter Sauerstoffzufuhr vebesserte Gehirnaktivität nutzen und gleich antworten, bevor ich anschließend noch einige berufliche Arbeit erledigen muß.

Vorab aber möchte ich noch eine Begriffsklärung nachholen, die ich in meinem vorherigen Beitrag bringen wollte, aber dann vergessen habe. Es geht um den Begriff „Zoom(objektiv)”. Viele meinen, daß dies die korrekte Bezeichnung für ein Objektiv veränderlicher Brennweite sei. Aber das ist nicht ganz korrekt. Ein Objektiv veränderlicher Brennweite wird entweder als „Varioobjektiv” oder als „pankratisches Objektiv” bezeichnet (ein heute nur noch selten benutzter Ausdruck, von griech. „Allkampf” abgeleitet, weil die variable Brennweite die Objektive vielseitig macht). Es muß nicht unbedingt eine konstante Bildlage haben, d.h. es kann sein, daß man nach dem Ändern der Brennweite etwas nachfokussieren muß. Solche nachzufokussierende Varioobjektive gibt es heute nur noch in einigen industriellen Anwendungen (z.B. als Printerobjektive), wo die Brennweite einmal individuell auf bestimmte Gegebenheiten eingestellt wird und dann arretiert bleibt. Bei einem Fotoobjektiv, dessen Brennweite (und Scharfeinstellung) immer wieder neu eingestellt wird, wäre das unpraktisch. Aber bis vor ca. 20 Jahren gab es auch solche Varioobjektive für Kleinbild-Spiegelreflexkameras (z.B. von Vivitar und Kiron). Erst wenn das Varioobjektiv so gebaut ist, daß die Bildlage konstant bleibt, also nach Brennweitenveränderungen nicht nachfokussiert werden muß, spricht man von einem „Zoom(objektiv)”. Ein Zoom ist also strenggenommen mehr als nur ein Varioobjektiv, nämlich ein Varioobjektiv mit konstanter Bildlage. Nun zu Ihrer Frage.

Um die Brennweite ohne Rücksicht auf die Bildlage verändern zu können, reicht es, eine Linse(ngruppe) verschiebbar zu machen. Wenn die Bildlage konstant bleiben soll, ist das mit einer einzigen verschiebbaren Linse(ngruppe) nicht mehr möglich, sondern man braucht außer einer sog. „Variogruppe” auch noch eine „Kompensationsgruppe” (wobei „Gruppe” in einfachen Fällen auch nur eine einzige Linse sein kann, meistens aber aus zwei oder mehr Linsen besteht). Die Koppelung beider Bewegungen erfolgt durch sog. Schneckengänge, also schraubenlinienähnliche Führungen in ineinandergeschachtelten Tuben, die wechselnde Steigungen aufweisen. Die wechselnde Steigung führt bei konstanter Drehung zu wechselndem Hub, wobei auch eine Richtungsumkehr möglich ist.

Weil die Brennweiteneinstellung unabhängig von der Entfernungseinstellung sein muß, wird zum Fokussieren eine dritte Linse(ngruppe) bewegt, die sich meistens vor den beweglichen Linsen(gruppen) zur Brennweitensteuerung befinden. Prinzipiell wäre es durchaus denkbar, eine der beweglichen Zoomlinsen(gruppen) zur Scharfeinstellung mit heranzuziehen, aber die Konstanthaltung der Bildlage kann dann so kompliziert werden, daß sie nicht mehr mit verünftigem Aufwand realisierbar ist.

Dennoch kommt letzteres vor, nämlich in vielen Zoomobjektiven, die eine spezielle Makroeinstellung zur Erweiterung der Naheinstellung haben: Innerhalb des normalen Fokussierbereichs von unendlich bis zur Nahgrenze bleibt beim Zoomen die Bildlage konstant. Beim Wechsel in den Makromodus wird die Konstanthaltung der Bildlage aufgehoben, so daß man nun mit relativ kurzem Hub (das Objektiv wird nicht oder nicht viel länger) eventuell bis in den echten Makrobereich kommt – allerdings dann nicht mehr für alle Brennweiten bei gleicher Entfernung. Das von Ihnen genannte Beispiel, daß man in WW-Stellung z.B. bis 10 cm einstellen kann, bei Änderungder Brennweite bis zum Teleanschlag aber ein scharfes Bild nur bei 40 cm bekommt, ist genau so ein Fall nicht konstanter Bildlage. Würde man über den vollen Brennweitenbereich bei konstanter Bildlage bis 10 cm kommen wollen, müßten die Verschiebewege sehr viel länger und das Objektiv deutlich größer werden, und vielleicht wäre das mit dem gegebenen Linsenaufbau auch gar nicht möglich. Denn es wäre denkbar, daß bei der zum Konstanthalten der Bildlage erforderlichen Bewegung eine Linsen(gruppen) durch eine andere hindurch geschoben werden müßte, was ja nicht möglich ist. Im vorliegenden Falle des Vario-Sonnars könnte es so sein, daß das Drücken der Taste zur Makroumschaltung die Koppelung der Kompensationsgruppe an die Variogruppe löst oder/und evtl. eine diesser Gruppen an die Fokussiergruppe ankoppelt. Wenn ich jetzt die eingangs definierten Begriffen „Varioobjektiv” und „Zoom” anwenden möchte, so muß ich sagen, daß diese Vario-Sonnar innerhalb des normalen Einstellbereichs ein echtes Zoom, bei Einbeziehung des Makrobereichs aber „nur” ein Varioobjektiv ist.

Die Konstruktionsmöglichkeiten sind sehr vielfältig, so daß man leider kein für alle derartigen Zoom-/Varioobjektive verbindliches Schema angeben kann. Ich hoffe, daß diese viele Möglichkeiten offen lassende Antwort aber trotzdem zum besseren Verständnis der Verhältnisse beiträgt.

Walter E. Schön

 

[holger_merlitz]

Hallo Walter,

vielen Dank für die Erklärungen! So klar, kompakt und präzise kann man es vermutlich nirgends nachlesen, und ich habe mal wieder etwas dazugelernt!

Gruss,
Holger

 

[Alberto]

Hallo Herr Schön,

auch von mir vielen Dank, ich kann mich den Worten von Holger nur anschließen.

Grüße aus dem leider wieder verregneten Berlin

Alberto