Geschichte der Bildverarbeitungssysteme: Objektiv

Um eine stabile Bildverarbeitung zu erzielen, ist es unbedingt erforderlich, das richtige - d. h. zur jeweiligen Anwendung am besten passende - Objektiv auszuwählen. Dazu sollte man sich mit den Eigenschaften verschiedener Linsen und Objektive auskennen. Es gibt unterschiedlichste Typen von Linsen und Objektiven, die jeweils ganz unterschiedliche Ergebnisse liefern. Sie lassen sich nach Form und Materialeigenschaften einteilen. In der vorliegenden Broschüre erläutern wir Ihnen die Geschichte der Linsen und Objektive, von den allerersten Anfängen bis zur heutigen Zeit.

Ursprünge von konvexen und konkaven Linsen

Das deutsche Wort Linse kommt vom lateinischen Wort lens, was zunächst nur die im Mittelmeerraum beheimatete Hülsenfrucht gleichen Namens bedeutete und später wegen der Ähnlichkeit der Form auf optische Linsen aus Glas (und anderen Materialien) übertragen wurde. Am Anfang der Entwicklung standen Kugeln aus Glas oder Kristall, die in den antiken Kulturen zum Entzünden des Feuers bei religiösen Zeremonien sowie als Werkzeug für sonstige Zwecke verwendet wurden. Der erste Beleg für einen spezifisch optischen Einsatz findet sich beim antiken römischen Philosophen Seneca, der vor rund 2000 Jahren beschrieb, dass sich "Buchstaben mit einer Kristallkugel vergrößern lassen".

Das Funktionsprinzip der Linse ist die "Brechung" des Lichts, d. h. der Weg des Lichts wird beim Eintritt in und/oder beim Austritt geknickt. Die konvexe Linse, die sphärisch geformt und in der Mitte dicker ist, bündelt die Lichtstrahlen, wohingegen die konkave Linse, die von der Seite betrachtet einer Sanduhr ähnelt, d. h. dickere Ränder aufweist, die Lichtstrahlen streut.

Lichtbrechung und Wirkung ko nkaver und konvexer Linsen

Verwendungen von konvexen und konkaven Linsen

Die Entwicklung der Linse unterteilt sich in zwei Bereiche. Zum einem in Richtung Sehbrille und zum anderem im Bereich der optischen Geräte wie bspw. Mikroskope, Teleskope und Kameras. Bei den ersten Brillen, die ab dem 13. Jahrhundert verwendet wurden, handelte es sich um einfache Vergrößerungsgläser aus konvex geschliffenen Halbedelsteinen (Beryllen). Anfangs galten Brillen überwiegend als "Teufelszeug", da man sich ihre Funktionsweise nicht erklären konnte. Bald schon kamen Brillen mit zwei Linsen auf und im 16. Jahrhundert wurden dann spezielle Brillen für Kurzsichtige erfunden, die mit zwei konkaven Linsen arbeiten.

Was wurde zuerst erfunden: das Mikroskop oder das Teleskop?

Die richtige Antwort lautet: das Mikroskop, nämlich bereits Ende des 16. Jahrhunderts. In der Folge entwickelte der Engländer Robert Hook ein zusammengesetztes Mikroskop mit zwei konvexen Linsen (Objektivglas und Okular), während praktisch zeitgleich in den Niederlanden ein Mikroskop mit einer einzigen Linse entstand. Das Teleskop wurde von dem Niederländer Hans Lipperhey erfunden, der eine konvexe Linse als Objektivglas und eine konkave Linse als Okular verwendete. Sofort trat Galileo Galilei auf den Plan, verfeinerte diese Erfindung und verwendete sie für seine astronomischen Betrachtungen.

Seine erste sensationelle Entdeckung mit dem neuartigen optischen Gerät waren die Saturnringe. Der deutsche Astronom Johannes Kepler ersann das keplersche Teleskop ("Kepler-Refraktor"), bei dem sowohl als Objektivglas als auch als Okular jeweils eine konvexe Linse zum Einsatz gelangt.

Optische Erläuterung der Kurzsichtigkeit und Brille mit konkaver Linse
Optische Erläuterung der Weitsichtigkeit und Brille mit konvexer Linse

Linsentypen

Die konkaven und konvexen Linsen lassen sich in zahlreiche Unterkategorien einteilen: die sphärische Linse, mit ihrer gerundeten Oberfläche, die asphärische Linse mit ihren gekrümmten aber eben nicht sphärischen Oberflächenprofilen, die zylindrische Linse (auch Zylinderlinse) mit ihrem zyllindrischen Profil, die toroidale Linse (auch torische Linse), mit der Form eines Käppchens von einem Torus (eine geometrische Form, die einem Donut gleicht) sowie schließlich die Fresnel-Linse mit ihrer waschbrettartigen Oberfläche. Bei all diesen Linsen erfolgt die Brechung des Lichts an der Oberfläche der Linse. Bei einem grundsätzlich anderen Linsentyp, zu denen beispielsweise die GRIN-Linse (Gradientenlinse, auch Gradienten-Index-Linse) zählt, wird die gewünschte optische Wirkung mittels einer graduellen Variation des Brechungsindex durch das Linsenmaterial erzielt, statt durch Brechung an der Oberfläche der Linse. Ebenfalls grundsätzlich anders arbeitet die diffraktive Linse, welche die Beugung als Funktionsprinzip ausnutzt. Die GRIN-Linse gelangt häufig für Endoskope zum Einsatz, und die diffraktive Linse für CD- und DVD-Player.

Linsen, die mit Brechung an der Oberfläche arbeiten Sphärische Linse
Asphärische Linse
Zylindrische Linse
Toroidale Linse
Fresnel-Linse
Linsen, die mit anderen Funktionsprinzipien als der Brechung an der Oberfläche arbeiten GRIN-Linse (Gradientenlinse, auch Gradienten-Index-Linse)
diffraktive Linse

Sämtliche nachstehend gezeigten Linsen arbeiten mit Brechung an der Linsenoberfläche.

Typen von Linsenformen

Änderungen beim Linsenmaterial: von Glas zu Kunststoff

Die ersten Linsen waren Luxusartikel aus Kristall, die sich nur wenige leisten konnten. Mit der Verbesserung der Glasherstellungsverfahren im 12. Jahrhundert wurden immer mehr Linsen aus Glas hergestellt. Im 19. Jahrhundert wurde dann das hochgradig transparente optische Glas erfunden. Linsen spielten eine Schlüsselrolle im 20. Jahrhundert. Heutzutage gibt es über 200 verschiedene Linsentypen. Dabei lässt sich eine grobe Unterteilung in zwei Hauptklassen treffen: Linsen aus Kronglas, die Kalk-Natron-Glas enthalten und einen niedrigen Brechungsindex aufweisen, sowie Linsen aus Flintglas, die Bleiglas enthalten und mit einem höheren Brechungsindex aufwarten können. Die ersten Kunststofflinsen gab es bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts, doch die Lichtdurchlässigkeit und der Brechungsindex der frühesten Modelle waren noch wenig überzeugend. Mit der Entwicklung der wärmehärtenden Kunststoffe in den 1940er-Jahren brach für die Kunststofflinsen jedoch ein bis heute anhaltender Aufstieg an.

Dank dieser neuen Entwicklung lassen sich nämlich Kunststofflinsen herstellen, deren Durchlässigkeit der von optischem Glas vergleichbar ist - die dabei aber nur halb so viel wiegen. Diese Kunststofflinsen haben zur Entwicklung der Kontaktlinsen und der Sofortbildkameras beigetragen, da sie sich leicht formen lassen, dabei aber ziemlich bruchsicher und zudem kostengünstig in der Herstellung sind. In jüngerer Zeit werden Kunststofflinsen in Brillen sowie in den Kameras von Mobiltelefonen eingesetzt. Weitere Linsenmaterialien sind beispielsweise Quarz, Fluorit, transparente Keramik, infrarottransparentes Halit, Silikone und Germanium.

Objektiv (Kronglas, Flintglas)

Brechungsindex Abbesche Zahl (Dispersion) Materialeigenschaften
Kronglas Klein Groß (Klein) Hart und leicht
Flintglas Groß Klein (Groß) Weich und schwer

Wandel bei Kameraobjektiven: vom Festbrennweiten- zum Zoomobjektiv

In der Optik wird eine einzelne Linse als "Linse" oder "Einzellinse" bezeichnet, ein System aus mehreren Linsen nennt man dagegen "Objektiv". Seit der Erfindung der Daguerreotypie-Kamera, des Vorläufers der heute noch zuweilen verwendeten Silberhalogenidkameras (Rollfilmkameras usw.), hat sich eine unglaubliche technologische Entwicklung bei den Objektiven vollzogen. Meilensteine dieser Entwicklung waren das Davidsonobjektiv, in dem zwei konvexkonkave Linsen ("Meniskuslinsen") symmetrisch angeordnet sind, das Petzvalobjektiv, mit dem sich die erforderliche Belichtungszeit entscheidend verkürzen ließ, dann der Aplanat ("Dreilinser"), mit drei trennbaren Linsen, der den Petzvaltypen ablöste und verbesserte, sowie ferner das Tessarobjektiv und das Sonnarobjektiv. Im 20. Jahrhundert wurde das Zoomobjektiv erfunden. Beim Zoomobjektiv kann innerhalb ein und desselben Objektivs die Brennweite verstellt werden: ein Durchbruch bei der Entwicklung leistungsstarker Objektive. Diese Objektive decken ein breites Feld ab, von Standard- über Weitwinkel- bis hin zu Telebrennweiten und hohen Vergrößerungen (Makro). In der Folge wurden zahlreiche Varianten entwickelt: mit stärkerer Vergrößerung, geringerem Gewicht und geringeren Abmessungen. Zudem wurden die Objektive inzwischen weitgehend standardisiert, etwa hinsichtlich der Bajonette.

Funktionsweise verschiedener Kameraobjektive und Zoomobjektive

Neueste Objektivtechnologie

Linsen stecken in praktisch jedem elektronischen Gerät: Beispielsweise die Kollimatorlinse in einem CDROM-Laufwerk, welche die Strahlen des LED-Lasers liest, die Abtastlinse in Laserdruckern sowie die Linse im Lichtleitersensor, der bei Strichcode-Lesegeräten und Endoskopen verwendet wird. Ein weitere Beispiel ist die Projektionslinse in einem topmodernen Stepper (Belichtungssystem mit schrittweisem Vorangehen und Wiederholen der Belichtung), welche die Halbleiterbearbeitung im Mikrobereich ermöglicht.

Dabei handelt es sich um eine Präzisionslinse, die aus zahlreichen Schichten von hochwertigem glasartigen Siliziumdioxid hergestellt wird. Experten haben ihr den Ehrentitel "Königin der Linsen" verliehen.

Abschließend stellen Sie sich vielleicht die Frage: "Was ist das beste Kameraobjektiv, das in der Menschheitsgeschichte je entwickelt worden ist?" Die Antwort lautet: das menschliche Auge - bzw. eine künstliche kristalline Linse, welche ihre Dicke beliebig anpasst, um die jeweils erforderliche Brennweite zu erzielen. An einer solchen nach dem dem Vorbild des menschlichen Auges gestalteten kristallinen Linse wird derzeit gearbeitet. Diese Linse auf dem neuesten Stand der Technik wird als Flüssiglinse bezeichnet.

Sie besteht aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit und Isolationseigenschaft. Durch Nutzung von Oberflächenspannungseffekten lassen sich die Dicke und die Form der Linse nach Belieben ändern, um auf diese Weise den Brechungsindex und die Brennweite an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Da für eine solche Linse weder eine Fokussiervorrichtung noch ein Antrieb erforderlich sind, wird sie voraussichtlich in einer breiten Palette von Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen, von der Unterhaltungselektronik über die Medizintechnik bis hin zur Sicherheitstechnik.

Funktionsweise von Flüssiglinsen

0800-5393623

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