Vignettierung in Ferngläsern

[holger_merlitz]

Hallo Fernglasfreunde,

ich möchte hier mal auf einen interessanten Thread verweisen, der momentan im Cloudy-Nights Forum heiss diskutiert wird. Es geht darum, wieviel von dem Licht, das durch die Objektive einfällt, überhaupt bei der Austrittspupille ankommt. Es wird ja in der Werbung gern von 'über 90% Transmission durch super Vergütung ' geredet, aber es scheint, dass andere Faktoren wie z.B. die Dimension der Prismen einen deutlich grösseren Beitrag zum Lichtverlust in Ferngläsern leisten als die Transmissionseffekte an den Glasoberflächen. Hier ist der (zugegebenermassen) sehr lange Thread zu dem Thema:

http://www.cloudynights.com/ubbthreads/showflat.php?Cat=&Board=binoculars&Number=81830&page=0&view=collapsed&sb=5&o=&fpart=all

Er ist noch nicht abgeschlossen und daher ist es momentan zu früh, ein Fazit zu ziehen. Inzwischen beginnen die Diskussionsteilnehmer ihre Geräte zu zerlegen, und daher bleibt es spannend Interessanterweise scheint sich die folgende Erkenntnis heraus zu kristallisieren:

Kein Punkt der Austrittspupille erhält Lichtstrahlen vom gesamten Objektiv. Das ist so verwunderlich zwar nicht, da der äusserste Rand des Objektivs gern durch Streulichtblenden kontrolliert wird, aber die quantitativen Werte sehen alarmierend aus. Um zuverlässige Daten zu erhalten, wurde ein Laser benutzt: Zunächst strahlt der Laser durch die Mitte des Objektivs ein. Die Austrittspupille wird auf einen Schirm projiziert und deren Durchmesser bestimmt. Dann wird der Laser schrittweise Richtung Objektivrand bewegt. Man sieht dabei, dass sie Austrittspupille schon bald nicht mehr rund ist, sondern 'ein Stück fehlt', d.h. dieser dunkle Bereich der Austrittspupille 'sieht' das Licht nicht, das von diesem Punkt des Objektivs einfällt. Hier sind ein paar Daten, die Ed Zarenski erhalten hat:

Zitat:

at 50% out on the objective, the light illuminates the entire exit pupil,
at 60% out the light illuminates 88% of the exit pupil,

so the central 60% dia of the objective, provides light to 88% the diameter of the exit pupil, the outer 12% of the exit pupil has only got light from the center 50% of the objective.

at 70% out on the objective, the light goes to 76% of the exit pupil.
Now 10% further out on the objective and another 12% of the exit pupil is missing light.

All the extreme off axis light is MISSING the center of the exit pupil. at 80% out it goes to 64% of the exit pupil, and
at 90% out it goes to 52% of the exit pupil.
By ~92% of the distance out from the center of the objective, none of the light is reaching the center of the exit pupil.

This was the best performer. In some of the binoculars, by 75%-80% out from center, none of the light was reaching the central part of the exit pupil.


Zitat Ende

Es ist bisher ungeklärt, wo genau das Licht eigentlich verloren geht. Die Streulichtblenden konnten als Ursache ausgeschlossen werden. Also: Innerhalb der Prismen, oder etwa im Okular? Eine sehr interessante Fragestellung jedenfalls.

Viele Grüsse,

Holger

 

[Hausmeister]

Hallo Holger,

über die angegebenen Prozentzahlen kann ich nicht viel sagen, das hängt mit Sicherheit sehr stark vom Fernglastyp ab. Aber eines ist sicher: es liegt am Okular. Ich vermute vor Allem die Gesichtsfeldblende und die begrenzte Größe der Okularlinsen als Ursache. Wie groß der Bereich der AP ist, in dem tatsächlich jeder Punkt den gesamten Lichteinfall des Objektivs erhält, hängt von so vielen Details der Okularkonstruktion und der wirksamen Blenden ab, dass man - ich vermute das - generell kaum etwas sagen kann.

Andererseits hat der Wunsch nach großen Blickfeldern genau diese Folge: ein großer Teil des Lichtes randnaher Objekte bleibt in den Streulichtblenden hängen.

Spannend ists allemal, was da wohl bei einigen Gläsern tatsächlich noch im Auge ankommt!

Beste Grüße, Herbert

 

[Hausmeister]

Hallo Holger,

noch eine sicher wichtige Ergänzung:

Die AP ist ja das Bild der EP, also der wirksamen Objektivblende. Auf das Objektiv fällt naturgemäß viel mehr Licht, als das, was durch die AP austritt. Dieses Licht trifft auf jeden Punkt des Objektivs, und zwar aus einem sehr großen Raumwinkel gleichzeitig. Dieser Winkel ist um ein vielfaches größer als der unserem Gesichtsfeld entsprechende Winkel.

Für unsere Betrachtungen kommt es aber nur darauf an, ob und welcher Teil des Lichtes von einem im Gesichtsfeld liegenden Ort, das auf die volle Öffnung des Objektivs trifft, auch durch die AP wieder herauskommt.

Im Übrigen bezweifle ich stark, das wirklich kein Punkt der AP Licht von jedem Ort des Objektivs erhält! Möglicherweise sind die Experimente mit dem Laser zwar schlüssig für den AP-relevanten Beleuchtungsstrahlengang, nicht aber für den Abbildungsstrahlengang. Ich kann das nicht so genau sagen, da mir das Englisch nicht so geläufig ist.

Beste Grüße, Herbert

 

[holger_merlitz]

Hallo Herbert,

das Licht, das von Objekten ausserhalb des Sehfeldes durch das Objektiv eindringt, ist per Definition Streulicht, korrekt? Die Blenden sollen dann auch dafür sorgen, dass ein solches Licht auf keinen Fall die Austrittspupille erreicht.

Der Lasertest verwendet, wenn ich Ed's Beschreibung richtig verstanden habe, Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse einfallen - das entspricht ja dem Fall, dass das Objekt sich 'im Unendlichen' befindet. Bei nahen Objekten ist die Geometrie sicher noch komplizierter. Ansonsten sehe ich keinen Grund, dieser Methodologie zu misstrauen. Was mich bei all diesen Ergebnissen erstaunt ist die Beobachtung, dass nur ein kleiner Teil des Sehfeldes wirklich voll erleuchtet ist; Stephen Tonkin erwähnt in seiner Mail einen Bereich von nur 0.9 Grad, bei insgesamt 6.86 Grad Sehfeld (Fernglas: Helios Naturesport ZCFW 10x50), und dieser Bereich ist nicht einmal zentrisch! Da diese Werte mit Sicherheit von Fernglas zu Fernglas stark schwanken, wäre hiermit geklärt, warum einige Modelle bei gleicher Spezifikation sichtbar unterschiedliche Dämmerungseigenschaften haben. Bisher hätte ich so etwas eher auf die Qualität der Vergütung geschoben, aber die spielt hier wohl eine Nebenrolle. Es stimmt also auch nicht, dass Vignettierung lediglich eine Erscheinung am Rande des Sehfeldes ist - je nach Modell kann praktisch das gesamte Sehfeld darunter leiden.

Gruss,
Holger

 

[Walter_E_Schön]

Ed Zarinski mißt völlig falsch!

Hallo Holger,

wegen momentaner beruflicher Überlastung wollte ich eigentlich nur mal kurz überfliegen, was es hier Neues gibt, und nicht selbst etwas schreiben. Aber was Du hier geschrieben hat, zwingt mich zu einer Stellungnahme.

Entschuldige, wenn ich es so deutlich sage: Die von Dir als interessant charakterisierte Erkenntnis ist nichts anderes als eine Binsenweisheit, und was Du da im Widerspruch dazu wohl von einem guten Fernglas erwartetest (nämlich daß jeder Punkt der Austrittspupille oder wenigstens ein großer Teil davon Licht von allen Punkten des Objektivs erhält) sowie das, was Du von Ed Zarenski zitierst, ist leider völliger Quatsch! Wer auf solche Weise die Vignettierung beurteilen will, kommt mir vor wie einer, der zur Beurteilung des Drehmoments eines Automotors die Hupe überprüft. Herbert (Hausmeister) hat in seiner zweiten Antwort zunächst richtiges Verständnis erkennen lassen, dann aber nicht konsequent die richtigen Schlußfolgerungen daraus gezogen. Deshalb hier meine Erläuterungen.

Gäbe es ein optisch fehlerfreies Fernglas (also ohne Aberrationen und ohne Streulicht), dann gäbe es sogar keinen einzigen Punkt der Austrittspupille, der von allen Punkten des Objektivs (besser: von allen Punkten der Eintrittspupille) Licht bekommt. Ja, ich kann es noch strenger formulieren: Dann bekäme nämlich jeder Punkt der Austrittspupille von genau einem (also von einem und nur einem) Punkt der Eintrittspupille Licht! Denn die Austrittspupille ist das vom Okular erzeugte Abbild der Eintrittspupille, wobei in der Praxis speziell bei innenfokussierten Ferngläsern auch noch eine oder mehrere (Barlow-/Fokussier-)Linsen an der Abbildung mitbeteiligt sind. [Eigentlich müßte man jetzt auch noch die Austrittspupille des Objektivs ins Spiel bringen, aber ich will es hier nicht noch komplizierter machen.] Sobald ein Punkt der Austrittspupille Licht von anderswo als vom entsprechenden (= „konjugierten”) Punkt der Eintrittspupille erhielte, wäre das sogenanntes Falschlicht aufgrund von Aberrationen oder Streulicht! Das hat aber mit Vignettierung nicht das Geringste zu tun!

Daß dies so ist, kannst Du wie folgt leicht überprüfen. Halte eine Bleistiftspitze von der Seite in den Strahlengang vor das Objektiv, während Du von hinten aus etwa 20 bis 30 cm Abstand die Austrittspupille des zugehörigen Okulars beobachtest. Du wirst sehen, daß in der kreisförmigen Austrittspupille die Bleistiftspitze scherenschnittartig als „Schatten” zu sehen ist. Das zeigt, das alle vorn am Objektiv von der Bleistiftsilhouette verdeckten Punkte der Eintrittspupille das durch sie hindurchtretende Licht zuvor (nur) durch die von den „konjugierten” Punkten der Austrittspupille gebildete Fläche geschickt hatten und nun, da der Bleistift diese Punkte verdeckt, kein Licht mehr auf diesen Teil der Austrittspupille fällt. Andere Teile des Austrittspupille sind dagegen von der Abschattung nicht betroffen, und umgekehrt konnten die durch die frei gebliebene (nicht vom Bleistit verdeckte) Fläche der Eintrittspupille laufenden Lichtstrahlen nicht zur Aufhellung des „Schattens” in der Austrittspupille beitragen.

Vignettierung entsteht ja nicht an einer Blende, sondern an einer Luke; diese Begriffe muß man klar auseinanderhalten! Vignettierung ist nicht primär eine Frage der Durchtrittshöhe durch die Eintrittspupille (also des in Prozent des Radius ausgedrückten Abstandes von der optischen Achse, den Ed Zarinski angibt), sondern primär eine Frage des Einfallswinkels relativ zur optischen Achse. Natürlich kann es – z.B. bei zu klein dimensionierten Umkehrprismen – sein, daß bei Betrachtung einzelner Strahlen (statt des gesamten zu einem Bildpunkt gehörenden Strahlenbündels) mit der Durchtrittshöhe noch eine Variation der Vignettierung auftritt. Das ist z.B. der Grund, warum die Vignettierung eines Weitwinkelobjektivs abnimmt, wenn es abgeblendet wird, so daß ab einer bestimmten Blende nur noch der natürliche Helligkeitsabfall nach dem cosˆ4-Gesetz und überhaupt keine Fassungsvignettierung mehr auftritt.

Normalerweise versteht man unter Vignettierung den Lichtverlust über den vollen Bündelquerschnitt, und somit ist diese Betrachtungsweise von Ed Zarenski total daneben. Was er da untersucht, hat mit Vignettierung so gut wie nichts zu tun! Hat denn das bisher niemand bemerkt? Ich habe leider nicht Zeit, mir seine gesamte Argumentation und die weiteren Diskussionsbeiträge bei cloudynight anzusehen, aber ich kann mir eigentlich nicht vorstellen, daß keiner der dortigen Diskussionsteilnehmer nicht gemerkt hat, was für ein Unsinn da verzapft wird.

Ich habe, wie schon gesagt, leider jetzt nicht die Zeit, um einen korrekten Meßaufbau zur Beurteilung der Vignettierung zu beschreiben. Aber denen, die sich hier darüber Gedanken machen wollen (und ich bin sicher, daß auch hier im Forum einige sind, die das KÖNNEN), will ich nur sagen, daß sie sich um die Abnahme der Leuchtdichte innerhalb der Austrittpupille in Abhängigkeit vom Winkel relativ zur optischen Achse kümmern müssen. Und folgendes Experiment sei empfohlen, das die Vignettierung sichtbar macht: Stelle ein Fernglas mit dem Objektiv nach unten auf eine Leuchtplatte (wie man sie zum Ansehen und Sortieren von Dias verwendet). Wenn ihr Leicht eingeschaltet ist, siehst Du bei annähernd senkrechtem Blick von oben die Austrittspupille etwa 1 bis 2 cm (je nach Pupillenschnittweite des Fernglases) über dem Okular als leuchtendes Kreisscheibchen „schweben”. Solange dieses Scheibchen auch bei schräger Blickrichtung kreisförmig bleibt, ist das Fernglas für den betreffenden scheinbaren Gesichtswinkel noch vignettierungsfrei. Sobald Du aber siehst, daß das Scheibchen irgendwie beschnitten wird (z.B. zu einem sog. Kreisbogenzweieck oder einer komplizierteren Figur, die überwiegend von bogenförmigen Kanten begrenzt wird) und sich somit verkleinert hat, liegt Vignettierung vor. Bei einem weitgehend apodisationsfreien System, wie es normalerweise die Fernglasoptik ist, ist der Helligkeitsverlust durch Vignettierung proportional zur Flächenabnahme der Austrittspupille. [Man müßte jetzt auch noch weitere Effekte wie Pupillenkoma betrachten, wenn man es ganz genau machen will, aber auch das können wir an dieser Stelle mal vernachlässigen.] Von einem bestimmten Winkel zur Senkrechten bzw. zur opischen Achse, z.B. bei etwa 30" (wenn der scheinbare Gesichtswinkel des Fernglases 60° beträgt) verschwindet die Austrittspupille ganz, der Flächenverlust ist also 100% und die hindurchtretende Lichtmenge 0° der einfallenden Lichtmenge. Über die Messung der Austrittspupillenfläche wäre z.B. bei diesem Fernglas auf dem Leuchttisch die Vignettierung relativ zum scheinbaren Gesichtswinkel exakt meßbar.

Sollte nun keiner weiter wissen, will ich gern frühestens Ende April nochmals auf dieses Thema zurückkommen und die Sache noch etwas ausführlicher darstellen. Die Osterfeiertage gehören der Familie, in der Woche darauf muß ich eine Steuererklärung fertigstellen, und in der Woche darauf halte ich ein viertägiges Seminar, das mich voll in Anspruch nimmt. Es geht also wirklich nicht früher.

MfG Walter E. Schön

 

[Walter_E_Schön]

Vignettierung achsenparallel messen? Unsinn!

Hallo Holger,

da ich während des Schreibens meines obigen Beitrags durch ein langes Telefonat unterbrochen wurde, kam Dein letzter Beitrag noch vor meinem in die Reihe, ohne daß ich das vorher gesehen hätte. Deshalb noch ein kleiner Nachtrag zu Deinem letzten Text.

1. Licht, das von außerhalb des Sehfeldes ins Objektiv gelangt, ist deshalb noch nicht Streulicht. Nur der Teil davon, der auf seinem weiteren Weg noch in die Austrittspupille gelangt, wird Streulicht. Andererseits gibt es aber auch noch anderes Streulicht, dessen Urspung in Gegenstandspunkten innerhalb des Sehfeldes liegen kann. Streulicht ist grundsätzlich solches Licht, das zwar am Empfänger ankommt, aber nicht am richtigen Bildort. Also z.B. der Teil des Lichts einer Straßenlaterne, die durchaus auch innerhalb des Sehfeldes liegen kann, der schließlich im Auge an anderer Stelle als dem optisch korrekten Bild der Laterne landet.

2. Mit Lichtstrahlen, die achsenparallel durch das Fernrohr oder Fernglas geschickt werden, kann man die Vignettierung ebenso gut kontrollieren, wie man das Kurververhalten eines Autos durch Geradeaus-Fahren kontrollieren kann - nämlich gar nicht! Unter Vignettierung versteht man den Abfall der Bildhelligkeit vom paraxialen zum Randbereich (bei einem reellen Bild wäre als Bildhelligkeit die Beleuchtungsstärke in der Auffangebene, bei einem virtuellen Bild die Leuchtdichte zu betrachten). So ist schon per definitionem die Messung der Vignettierung ausschließlich in Achsrichtung Unsinn. Man könnte also bestenfalls einen Laser einsetzen, dessen Einstrahlwinkel ins Objektiv relativ zur Achse von 0° bis zum halben wahren Gesichtswinkel variiert, z.B. bis zu mindestens 3,75° bei einem Fernglas mit 7,5° wahrem Gesichtswinkel. Da das Laserstrahlenbündel jedoch einen viel kleineren Querschnitt als das Objektiv hat (Eintrittspupille!), müßte darüber hinaus noch der Bündelquerschnitt des Lasers mit einem sogenannten Beamexpander auf mindestens Eintrittspupillengröße aufgeweitet werden. Andernfalls bekommt man falsche Werte, denn nicht nur mit dem Winkel, sondern (in geringerem Maße) auch mit der Durchtrittshöhe durch die Eintrittspupille ändert sich die Vignettierung. Der Helligkeitseindruck des betrachtenden Auges hängt aber von der Lichtleistung über den gesamten vom Auge erfaßten Bündelquerschnitt ab.

3. Zu Stephen Tonkin kann ich nichts sagen, da ich nicht weiß, worauf er sich bezieht, solange ich nicht seinen ganzen Beitrag, sondern nur Deine Erwähnung kenne. Ich vermute, daß er meint, daß nur innerhalb eines Winkels von 0,9° die volle Helligkeit (ohne Vignettierung) auftritt. Das ist durchaus nicht erschreckend, wenn der weitere Abfall zu den Rändern flach erfolgt. Wenn Du ein Fotoobjektiv betrachtest, beträgt die Bildhelligkeit streng genommen nur in einem einzigen Punkt (auf der Achse) 100% und ist bereits Bruchteile eines Millimeters schon kleiner als 100% (z.B. 99,998%), weil bereits allein der cosˆ4-Effekt die Helligkeit reduziert. Kurze Erklärung des cosˆ4-Effekts: Minderung der Bildhelligkeit erstens proportional zum Cosinus des Winkels wegen der schrägen Sicht der Objektiv-Austrittspupille, die für jeden Punkt außerhalb der Achse kein Kreis mehr ist, sondern eine (fast kreisförmige) Ellipse, zweitens proportional zum Cosinus des Winkels wegen des schrägen Auftreffens des Hauptstrahls in der Auffangebene, drittens proportional zum Quadrat des Cosinus des Winkels wegen des Helligkeitsabfalls aufgrund des längeren Lichtweges (—> Vergrößerung der Bildfläche). Also ergibt sich insgesamt cos · cos · cosˆ2 = cosˆ4; deshalb heißt es cosˆ4-Gesetz!.

Es mag Dich erschreckt haben, daß der als vignettierungsfrei angegebene Winkel so klein ist, weil Du das z.B. durch das Programm Newt als zu 100% ausgeleuchtet angegebene Bildfeld für viel größer hältst. Aber das ist ein Irrtum, weil in die Berechnung von Newt (und wahrscheinlich auch in die aller oder fast aller anderen Programme zur Berechnung der Bildausleuchtung von Newtin-Teleskopen) nur die Vignettierung durch Blenden und Fangspiegel eingeht und der natürliche Helligkeitsabfall nach dem cosˆ4-Gesetz wegen seiner Geringfügigkeit vernachlässigt wird. Würde der auch noch berücksichtigt, wäre die maximale Helligkeit nur in einem einzigen Punkt gewährleistet!

Tut mir leid, daß ich auch diesmal nur sagen kann: Ed Zarinski ist auf dem Holzweg (was Dich als Schreinermeister kaum trösten wird).

MfG Walter E. Schön

 

[holger_merlitz]

Re: Ed Zarinski mißt völlig falsch!

Zitat:

Vignettierung entsteht ja nicht an einer Blende, sondern an einer Luke; diese Begriffe muß man klar auseinanderhalten! Vignettierung ist nicht primär eine Frage der Durchtrittshöhe durch die Eintrittspupille (also des in Prozent des Radius ausgedrückten Abstandes von der optischen Achse, den Ed Zarinski angibt), sondern primär eine Frage des Einfallswinkels relativ zur optischen Achse.

Zitat Ende

Hallo Walter,

Ich bin vermutlich gerade etwas verwirrt: Lichtstrahlen von einem entfernten Objekt (nehmen wir einen Stern) treten doch parallel durch das Objektiv ein, sehe ich das richtig? Heisst das dann, dass für dieses Objekt gar keine Vignettierung auftreten kann, da ja der Einfallswinkel relativ zur optischen Achse gleich Null ist? Wenn man also findet, dass die Grenzgrösse der gerade noch sichtbaren Sterne zum Rande hin abnimmt (was Ed Zarenski quantitativ beschrieben hat), dann hat das folglich nichts mit der Vignettierung zu tun?

Ich versuche gerade noch zu verstehen, warum die in ihren Laser Versuchen eine voll erleuchtete Austrittspupille sehen (hab gerade keinen Laser zur Hand, um das experimentell zu checken...).

Gruss,
Holger

 

[Walter_E_Schön]

Achsenparallel nur in der Gesichtsfeldmitte

Hallo Holger,

weil ich in das Feld für den Titel eines Beitrag nur eine begrenzte Zahl von Zeichen eingeben kann, ist der obige Titel sprachlich ein bißchen verstümmelt. Ich will im ausführlicheren Klartext damit sagen, daß nur Licht von dem Stern achsenparallel in Fernglas/-rohr fällt, der sich im Zentrum des Gesichtsfeldes befindet. Alle anderen Sterne schicken zwar auch parallele, aber nicht achsenparallele Strahlen ins Fernglas/-rohr. Wenn ein Fernglas (um mal Fernrohre wegzulassen) beispielsweise ein tatsächliches Gesichtsfeld von 120 m auf 1000 m hat, so ist der Einfallswinkel alpha(1) des Lichts von einem Gegenstand (z.B. einem Stern) genau am Rand des Gesichtsfeldes

alpha(1) = arc tan (60/1000) = 3,43365°

So klein dieser Winkel auch ist, er ist nicht gleich Null. Zudem durchläuft dieses so einfallende Licht ja nicht nur das Objektiv, sondern - zumindest der nicht durch Vignettierung verlorengegangene Teil – auch noch das Okular, und da wird dann bei Vernachlässigung der üblichen kissenförmigen Verzeichnung aus diesem Winkel etwa bei einem 10fach vergrößernden Fernglas der Winkel alpha(2)

alpha(2) = arc tan (10·60/1000) = 30,96376

Mit der üblichen Verzeichnung wird daraus wahrscheinlich sogar ein Winkel in der Größenordnung von 32° bis 34°. Und da spielen dann die Vignettierungseffekte schon eine sehr große Rolle!

Ein Stern, der im Zentrum des Gesichtsfeldes betrachtet wird, ist mit maximaler Helligkeit zu sehen, die nur von der Größe der Austrittspupille, und falls diese größer als die Augenpupille ist, an ihrer Stelle von der Größe der Augenpupille sowie ferner von der Transmission des Fernglases bestimmt wird. Vignettierung tritt hier (wie sich schon aus der Definition dieses Begriffs ergibt) nicht auf. Wenn man dann auf die Grenzgröße schließen will, muß man auch noch die Helligkeit des Himmelshintergrundes („Lichtverschmutzung”) und die individuellen Eigenschaften des Beobachterauges ins Kalkül ziehen, vor allem dessen Empfindlichkeit und Dunkeladaption nicht nur bezüglich der Pupillengröße, sondern auch der Produktion und Verfügbarkeit der lichtempfindlichen Substanzen in den Stäbchen und beim Nachtsehen vor allem der Zapfen der Netzhaut, aber auch seiner Sehschärfe (speziell Astigmatismus, der sich nicht durch Fokussierung des Fernglases eliminieren läßt). Die letztgenannten Eigenschaften sind aber nicht Eigenschaften des Fernglases und daher für uns hier nicht wichtig.

Sterne, die außerhalb der Mitte des Gesichtsfeldes betrachtet werden, verlieren gegenüber ihrer Abbildung im Zentrum an Helligkeit entsprechend der Vignettierung. Dabei ist unter Vignettierung der Gesamt-Helligkeitsverlust sowohl aus dem natürlichen Helligkeitsabfall nach dem cosˆ4-Gesetz als auch aus der Fassungsvignettierung (die auch die Vignettierung durch Prismen umfaßt) zu verstehen. Die Vignettierung könnte beispielsweise bei einer Bildhöhe von 50%, also einem Bildpunkt auf halbem Weg zwischen Sehfeldmitte und Sehfeldrand, nur vielleicht 5% betragen und deshalb fürs Auge nicht erkennbar sein, aber am Rand schon wahrnehmbare Werte in der Größenordnung von 50% oder gar 70% annehmen. Man sieht dann dort immer noch Sterne, aber eben nur noch die helleren von denen, die man gesehen hätte, wäre das Fernglas so ausgerichtet, daß diese Sterne in der Gesichtsfeldmitte liegen. Mit anderen Worten: Die Grenzgröße nimmt zum Rand des Gesichtsfeldes hin erst ganz langsam und dann immer schnelle in einer kuppelförmigen Kurve ab, und zwar wegen der Vignettierung!

Deine berechtigterweise mit Fragezeichen versehene Schlußfolgerung (Zitat) „Wenn man also findet, dass die Grenzgrösse der gerade noch sichtbaren Sterne zum Rande hin abnimmt (was Ed Zarenski quantitativ beschrieben hat), dann hat das folglich nichts mit der Vignettierung zu tun?” (Zitat-Ende) basiert auf dem Irrtum, parallel und achsenparallel gleichgesetzt zu haben.

Dein Schlußsatz (Zitat) „Ich versuche gerade noch zu verstehen, warum die in ihren Laser Versuchen eine voll erleuchtete Austrittspupille sehen (hab gerade keinen Laser zur Hand, um das experimentell zu checken...).” (Zitat-Ende) veranlaßt mich, Dir zu raten, daß Du Dir diese Mühe nicht machen solltest, denn ohne entsprechend aufgeweitetes Laserstrahlenbündel gibt es keine voll ausgeleuchtete Austrittspupille. Wenn das einer behauptet hat, dann war das falsch. Vielleicht hast Du da nur etwas falsch verstanden? Ich kenne leider nicht den Originaltext, um das zu beurteilen.

Noch einmal der entscheidende Punkt: Vignettierung ist eine Funktion des Bildwinkels (Winkel zwischen der Licht-Einfallsrichtung und der optischen Achse) und nicht der Durchstoßhöhe achsenparalleler Strahlen durchs Objektiv. Denn alle achsenparallel einfallenden Strahlen vereinigen sich bei einem fehlerfreien Fernglas im Brennpunkt des Objektivs und treten wieder achsenparallel über den vollen Austrittspupillen-Querschnitt verteilt aus dem Okular aus, um sich schließlich im Betrachterauge wieder in dem Punkt auf der Netzhautz zu vereinen, an dem das Abbild des Sterns in der Gesichtsfeldmitte entsteht. Vignettierung ergibt sich erst, wenn das parallele (im Nahbereich nicht exakt parallele, sondern schwach divergierende) Strahlenbündel schräg zur optischen Achse einfällt, und zwar überproportional mit dem Bildwinkel zunehmend. Folglich kann die Vignettierung nicht mit achenparellelen Laserstrahlen untersucht werden, sondern nur mit schräg unter wechselndem Winkel einfallenden, die zudem noch die ganze Eintrittspupille ausfüllen müssen. Denn die Vignettierung beginnt immer auf einer Seite im Randbereich, betrifft dann bei zunehmendem Winkel in unterschiedlicher Weise auch andere und eventuell sogar alle Randbereiche und nimmt asymmetrisch zu, während die innere (aber allmähich kleiner werdende) Zone davon frei bleibt. Würde man also einen nicht wie angegeben aufgeweiteten Laserstrahl unter wechselndem Winkel nur durch die Mitte des Objektivs einfallen lassen, könnte man möglicherweise überhaupt keine Vignettierung feststellen, obwohl sie vorhanden ist, weil sie eben nur die am Rand des Objektiv schräg einfallenden Strahlen betrifft.

MfG Walter E. Schön

 

[holger_merlitz]

Re: Achsenparallel nur in der Gesichtsfeldmitte

Zitat:

Dein Schlußsatz (Zitat) „Ich versuche gerade noch zu verstehen, warum die in ihren Laser Versuchen eine voll erleuchtete Austrittspupille sehen (hab gerade keinen Laser zur Hand, um das experimentell zu checken...).” (Zitat-Ende) veranlaßt mich, Dir zu raten, daß Du Dir diese Mühe nicht machen solltest, denn ohne entsprechend aufgeweitetes Laserstrahlenbündel gibt es keine voll ausgeleuchtete Austrittspupille. Wenn das einer behauptet hat, dann war das falsch. Vielleicht hast Du da nur etwas falsch verstanden? Ich kenne leider nicht den Originaltext, um das zu beurteilen.

Zitat Ende

Hallo Walter,

da der Thread auf Cloudy Nights wirklich extrem lang ist (inzwischen 100 Beiträge), gebe ich noch einmal die ursprüngliche Versuchsbeschreibung von Ed vor:

------------------------------------------------------------
Zitat Ed Zarenski

Test procedure using a laser light to check Vignette in binoculars.

Mount binoc with eyepiece end towards white wall.

Exact distance from wall not restricted, but stay fairly close for ease. I used an exit pupil projected image between 20mm and 30mm diameter to make it easy to see small changes that I could not see in a normal size exit pupil.

Move laser along objective from center towards edges.

With laser at center, measure size of full exit pupil. This is denominator.

Watch changes in exit pupil.

When exit pupil just begins to fall off from 100% full size, note distance from edge of objective to point of laser light. That is point of objective providing light to 100% of exit pupil. Subtract to find diameter of objective that provides illumination to full exit pupil. Everything outside this radius does not light the entire exit pupil.

With laser at extreme edge note minimum size of exit pupil just before moving laser off the objective. In only one case did I reach zero exit pupil before moving laser off the edge. Divide minimum width of exit pupil by full width. Edge of lens is providing light to this % exit pupil (usually 30% to 40% of exit pupil).

These are the procedures I used.


Zitat Ende
---------------------------------------------------------

Sollte ich hier nicht komplett falsch liegen, dann wird hier beschrieben, wie man mit dem Laser eine voll erleuchtete Austrittspupille erhält, indem man den Laser in der Mitte des Objektivs plaziert. Auf der anderen Seite erscheint mir Deine Erklärung auch plausibel: Ein Punkt wird auf einen Punkt abgebildet, nicht auf die volle Austrittspupille. Aber die machen doch den Versuch - was sehen die denn da? Erzeugt der Laser so viel Streulicht, dass man in der Projektion die volle Austrittspupille sieht? Egal, ich muss mir jetzt einen Laser besorgen

Vielen Dank: Ich habe meinen Irrtum eingesehen: Ein Objekt ausserhalb der Sehfeldmitte erzeugt parallele, aber natürlich nicht achsenparallele Strahlen! Ein wichtiger Unterschied!

Viele Grüsse,

Holger

 

[Walter_E_Schön]

Austrittspupille ist so nicht „projizierbar”!

Hallo Holger,

wieder (aus Zeitmangel) nur eine kurze Stellungsnahme. Das nunmehr umfangreichere Zitat aus Ed Zarenskis Beitrag bestätigt meinen Verdacht. Auf diese beschriebene Weise wird nicht die Austrittspupille dargestellt!

Die Austrittspupille liegt an einem fixen Ort hinter dem Okular. Um sie sichtbar zu machen, muß Licht über die volle Eintrittspupille ins Objektiv einfallen, am besten aus allen Richtungen innerhalb des wahren Gesichtswinkels. Wenn letztere Bedingung nicht erfüllt wird, kann man die Austrittspupille zwar auch als leuchtendes, freischwebendes Scheibchen hinter dem Okular sehen, aber nicht aus allen Richtungen, sondern nur aus solchen, in welche das ins Objektiv eingestrahlte Licht nach dem Durchlaufen des Fernglases das Okular verläßt. Nur wenn man anstelle des Luftbildes ein von einem Schirm (Papier, Mattscheibe) aufgefangenes Bild betrachtet, würde das keine Rolle spielen, weil der Schirm diffus reflektiert (Papier) oder rückseitig abstrahlt (Mattscheibe). Aber die entscheidende Voraussetzung dafür, daß es sich bei dem so dargestellten leuchtenden Scheibchen wirklich um die Austrittspupille handelt, ist die Positionoerung des Auffangschirms genau am Ort der Austrittspupille (= im richtigen Abstand hinter dem Okular).

Diese Bedingung erfüllt der von Ed Zarenski beschriebene Aufbau nicht, denn er schreibt ja (Zitat) „Exact distance from wall not restricted, but stay fairly close for ease. I used an exit pupil projected image between 20mm and 30mm diameter to make it easy to see small changes that I could not see in a normal size exit pupil.” (Zitat-Ende)

Eben hier begeht er einen seiner beiden entscheidenden Fehler (der andere entscheidende Fehler ist, daß der Laserstrahl nicht mindestens bis auf Eintrittspupillengröße aufgeweitet ist).

Wenn er den Schirm so weit hinter dem Okular plaziert, daß sich ein Scheibchen von „between 20mm and 30mm diameter” ergibt, dann ist das nicht mehr die Austrittspupille! Die Lichtstrahlen verlassen die Austrittspupille nämlich divergent (jeder einzelne Punkt innerhalb der Austrittspupille erzeugt auf einem Auffangschirm in größerem Abstand ein Kreisscheibchen von einem proportional zum Abstand wachsenden Durchmesser, und die Überlagerung aller unendlich vielen derartigen Scheibchen liefert den von Ed Zarenski aufgefangenen Lichtfleck, den er fälschlich für die Austrittspupille hält). Deshalb würde z.B. selbst eine quadratische oder dreieckige Austrittspupille in größerer Entfernung einen Lichtfleck erzeugen, der mit wachsendem Abstand immer kreisförmiger wird.

Die Beschreibung ist übrigens insofern noch sehr lückenhaft (und auch daran merkt man, daß er keine Ahnung hat), als er z.B. zwar sagt (Zitat) „Move laser along objective from center towards edges” (Zitat-Ende), aber verschweigt, welche Richtung der Laserstrahl haben soll, also ob er während des Über-das-Objektiv-Gleitens immer parallel zur optischen Achse bleiben oder in irgendeine (welche?) Richtung geschwenkt werden soll. Je nach dem, in welche Richtung der Laser strahlt, läuft das Licht auf einem anderen Weg durchs Fernglas und verläßt es am Okular an unterschiedlicher Stelle und in unterschiedlicher Richtung. Das Übersehen dieses Umstandes zeigt, wie blauäugig Ed Zarenski diesen „Test” durchgeführt hat.

Also auf der ganzen Linie ein ziemlich unsinniger Beitrag, der es eigentlich gar nicht wert wäre, hier soviel Aufmerksamkeit zu bekommen. Daß ich mich dennoch (und trotz meiner Zeitknappheit) hier so engagiere und immer wieder auf die begangenen Fehler hinweise, geschieht nur deshalb, weil sonst mancher Leser mit weniger Fachkenntnis diesen Unsinn für eine korrekte Meß- und Beurteilungsmethode und das Ergebnis dieser „Geisterbeschwörung” für wissenschaftlich gesicherte Erkenntnis halten könnte. Eigentlich müßte dem Spuk auch bei cloudynights.com ein Ende gesetzt werden, aber dazu reicht meine Zeit nun wirklich nicht. Es sollte auch in den USA ein paar kompetente Leute geben, die das zurechtrücken können. (Aber vielleicht finden die das so haarsträubend lächerlich, daß sie ihre Perlen nicht vor die Säue werfen wollen?)

Meine Empfehlung: Wenn Du meiner Argumentation immer noch nicht so ganz traust, dann besorge Dir schnellstmöglich einen Laser und überprüfe damit, ob das stimmt, was ich geschrieben habe. Ich bin sicher, daß Du mir dann künftig weniger Mißtrauen entgegenbringen wirst.

MfG Walter E. Schön

 

[holger_merlitz]

Re: Austrittspupille ist so nicht „projizierbar”!

Hallo Walter,

ich antworte verspätet, da ich in den letzten Tagen keinen Internet Zugang hatte.

Es leuchtet mir jetzt ein, warum man in der Projektion eine Kreisscheibe erhalten kann, auch wenn man nur punktförmig mit einem Laser einstrahlt, und dass es sich hier in der Tat nicht um eine Projektion der Austrittspupille handelt. Du weist mit Recht darauf hin, dass erst die Summe aller einfallenden Lichtstrahlen innerhalb des Winkelbereichs, der es dem Licht erlaubt, die Austrittspupille zu erreichen, ein komplettes Bild dieser Austrittspupille erzeugt. Um zu erfahren, wieviel % des Lichtes, das in einem bestimmten Bereich der Eintrittspupille (z.B. einem Ring mit Innenradius 25mm und Aussenradius 30mm) einfällt, auch in der Austrittspupille ankommt, sollte man anstelle eines Lasers lieber eine gleichmässig ausgeleuchtete Wand (oder, wie von Dir vorgeschlagen, eine erleuchtete Mattscheibe) betrachten und den entsprechenden Bereich der Eintrittspupille mit Hilfe einer Maske festlegen. An der Austrittspupille müsste dann die (integrale) Intensität bestimmt werden - wobei der Abstand des Sensors von der Augenlinse dann aber egal ist, da es ja nicht auf die genaue Form des projizierten Flecks ankommt, sondern nur auf dessen Gesamtintensität. Dies wäre eine mögliche Modifikation des Zarenski - Tests. Wenn ich Deinen obigen Beitrag korrekt deute, dann verwendest Du jedoch eine andere Definition der Vignettierung:

Zitat:

Ich habe, wie schon gesagt, leider jetzt nicht die Zeit, um einen korrekten Meßaufbau zur Beurteilung der Vignettierung zu beschreiben. Aber denen, die sich hier darüber Gedanken machen wollen (und ich bin sicher, daß auch hier im Forum einige sind, die das KÖNNEN), will ich nur sagen, daß sie sich um die Abnahme der Leuchtdichte innerhalb der Austrittpupille in Abhängigkeit vom Winkel relativ zur optischen Achse kümmern müssen...

Zitat Ende

Du beschreibst hier die Abnahme der Leuchtdichte in Abhängigkeit vom Winkel. Wenn ich aber eine Maske (wie oben beschrieben) verwende und die Dicke des Ringes (Aussendurchmesser-Innendurchmesser) klein genug wähle, erreiche ich dann eine entsprechende Selektion des Winkels? Ich meine ja, denn ein ringförmiger Bereich der Eintrittspupille wird ja auf einen ringförmigen Bereich der Austrittspupille abgebildet. Dieser Versuchsaufbau erscheint mir einfacher, da man nicht mehr Leuchtdichte in Abhängigkeit vom Winkel, sondern (gesamt-)Intensität in Abhängigkeit von der verwendeten Maske misst, was sicher weniger fehleranfällig wäre.

Zitat:

Eigentlich müßte dem Spuk auch bei cloudynights.com ein Ende gesetzt werden, aber dazu reicht meine Zeit nun wirklich nicht. Es sollte auch in den USA ein paar kompetente Leute geben, die das zurechtrücken können. (Aber vielleicht finden die das so haarsträubend lächerlich, daß sie ihre Perlen nicht vor die Säue werfen wollen?)

Zitat Ende


Der Spuk geht dort offenbar noch weiter und es werden zunehmend mehr Ferngläser ausgemessen (ich habe mir jetzt aber nicht mehr die Mühe gemacht, alle 134 Beiträge genau zu lesen). Es gibt nicht viele Leute, die diese Themen wirklich kompetent diskutieren können, was sicher auch an der fehlenden Literatur liegen kann. Es gibt ein paar Fachbücher für Spezialisten, aber keine Literatur für interessierte Amateure, in der mehr als die absolut trivialsten Dinge diskutiert werden. Ich hoffe, wenn Du irgendwann mal beruflich weniger Stress hast, dann schreibst Du mal ein Buch über 'Optik für Fotographen und Astronomen', das diese Lücke schliesst.

Gruss,
Holger

 

[Walter_E_Schön]

Einige kurze Anmerkungen

Hallo Holger,

meine Zeit ist immer noch knapp und darum kann ich nicht so ausführlich antworten, wie ich gerne möchte.

Ich verstehe nicht, warum Dich interessiert, wieviel Prozent des in einer bestimmten ringförmigen Zone der Eintrittspupille einfallenden Lichts die Austrittspupille erreicht. Denn das ist für das virtuelle (oder wäre auch für ein reelles) Bild ziemlich belanglos. Zudem ist diese Frage insofern unvollständig formuliert, als die Antwort (übrigens wegen der Vignettierung in dem von mir zugrundegelegten Sinne) entscheidend vom Einstrahlwinkel abhängt. Nur wenn man sich auf den achsenparallelen Lichteinfall beschränkt, spielt die Vignettierung keine Rolle, und dann ist die Antwort für alle ringförmigen Zonen praktisch gleich dem Transmissionswert, wenn man mal von geringfügigen Variationen (die sich bestenfalls in der ersten Nachkommastelle auswirken) aufgrund der unterschiedlichen Glasdicke der Linsen von er Mitte bis zu ihrem Rand absieht.

Was für den Betrachter interessant ist, ist die Frage, wie stark und in welcher Form die Helligkeit vom Zentrum des Gesichtsfeldes zum Rand hin abnimmt, und diese Frage hat mit der obigen Untersuchung absolut nichts zu tun! Denn die parallen in verschiedenen Ringzonen einfallenden Strahlen treffen sich (wenn man von den Abbildungsfehlern absieht) ja alle wieder im gleichen Bildpunkt und sind somit vom Auge nicht nach ihrer Herkunft aus verschiedenen Ringzonen unterscheidbar! Wichtig sind nicht unterschiedliche Ringzonen, sondern unterschiedliche Einfallswinkel (relativ zur opt. Achse).

Um die Abnahme der Bildhelligkeut zum Rand zu untersuchen, muß der Einfallswinkel variieren. Und dabei kann nicht mit einem Laser ohne Strahlaufweitung gearbeitet werden, weil bei einem von Null verschiedenen Einfallswinkel nicht mehr die volle Eintrittspupille kreisförmig als Austrittspupille abgebildet wird, sondern je nach Schräglage ein Teil am Rand abgeschattet (= vignettiert) wird. Dort, wo nicht vignettiert wird, kommt prozentual überall fast exakt gleich viel durch (= Transmissionswert), während die Abnahme der Bildhelligkeit im Randbereich ausschließlich vom Kleiner-Werden der Austrittspupille (also von deren Randabschattung) bestimmt wird.

Das heißt, daß der Einsatz eines Lasers ohne Strahlaufweitung völlig untauglich zur Bestimmung der Vignettierung ist und allenfalls Informationen über die Transmission liefert, allerdings auch dies nur unbefriedigend wegen des monochromatischen Laserlichts für eine Wellenlänge. Da aber keine Vergütung und keine Verspieglung der Welt für alle Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs konstante Transmission bzw. Reflektivität erzielt, ist der mit dem monochromatischen Laser ermittelte Wert micht repräsentativ für weißes Licht. Wenn die Laserwellenlänge dort liegt, wo die Transmissionskurve zufällig einen niedrigen Wert hat, liefert die Messung mit dem Laser eine zu niedrige Transmission, und wenn man zufällig bei einer „günstigen” Wellenlänge liegt, liefert die Messung mit dem Laser einen zu optimistischen Wert.

Also führt kein Weg an der Verwendung von weißem Licht zur Beurteilung bzw. Messung der Transmission eines Fernglases vorbei. Und hierzu wäre achsenparallel einfallenes weißes Licht deshalb besser als das einer weißen Wand, weil es hinter dem Okular dann mit der Anordnung der Meßzelle unkritischer wird: Innerhalb gewisser Grenzen kann bei auf unendlich fokussiertem Fernglas die Meßzeile auch vor oder hinter der Austrittspupille liegen, weil die Strahlen das Okular parallel verlassen und sich daher der Querschnitt des Bündels und damit die Leuchtdichte nicht mit dem Abstand ändert. Man bekommt also auch dann das richtige Ergebnis, wenn die Meßzelle nicht exakt in der Austrittspupillenebene liegt.

Verwendet man hingegen eine weiße Wand, eine aus ausreichend großem Raumwinkel durchleuchtete Mattscheibe oder noch besser eine Ulbrichtsche Kugel, dann verläßt das Licht das Okular in allen Winkels innerhalb des scheinbaren Gesichtswinkels in der Weise, daß das Lichtbüschel in der Ebene der Austrittspupille seine engste Einschnürung und somit dort die höchste Leuchtdichte hat (also dort und nur dort gemessen werden muß), während vor und vor allem hinter dieser Ebene der erst konvergierende und dann divergierende Kegel einen größeren Querschnitt und deshalb mit wachsendem Abstand von der Austrittspupillenebene abnehmende Leuchtdichte hat. Messungen liefern dann mit zunehmendem Abstand von der Austrittspupillenebene kleiner werdende und somit nicht mehr die zur Berechnung der Transmission heranzuziehenden Werte!

Vergiß also alles, was Zarenski verzapft hat; seine Methode ist schon vom Ansatz her so grundfalsch, daß man auch nicht von Modifikationen reden, sondern sie ganz verwerfen sollte.

Zur Ermittlung der Abnahme der Bildhelligkeit mit dem Winkel sind auch die ringförmigen Zonen der Eintrittspupille uninteressant, da diese Zonen erstens bei von Null verschiedenem Einfallswinkel immer ab einem bestimmten (aber mit der Eintrittshöhe variierenden) Winkel nicht mehr vollständige Ringe in der Austrittspupille liefern (aus dem O wird quasi ein C) und zweitens für die Bildhelligkeit nicht die Lichtmenge einer rimgförmigen Zone entscheidend ist, sondern die Summe (mathematisch das Integral) über die volle Eintrittspupille. Vergiß also auch das Zuschneiden von Schablonen, es ist weder nützlich noch hilfreich, sondern überflüssig.

Die zahlreichen Diskussionen hier im Forum und die vielen völlig abwegigen Vorstellungen (die ich niemandem übelnehmen kann, der nicht Optikfachmann ist), mit denen ich hier schon konfrontiert wurde – die Diskussion über Schärfentiefe vor einem halben Jahr war dafür ein typisches Beispiel – haben bestätigt, daß ein gutes Buch über Ferngläser, das alle optischen Aspekte in einer leicht verständlichen und dennoch physikalisch korrekten Weise erklärt, wirklich fehlt. Ich sehe mich daher schon beinahe verpflichtet, eines Tages ein solches Buch zu machen. Die Frage ist nur, wann das geschehen kann, denn ich bin leider kein Großgrundbesitzer oder Aktionär, der ohne Arbeit leben kann, sondern ich muß Tag für Tag fleißig sein, um mein täglich Brot zu verdienen. Und deshalb muß ich jetzt auch erst mal Schluß machen. Vielleicht reichen die obigen Anregungen erst mal für weitere Überlegungen.

MfG Walter E. Schön