Abbildungsfehler

abbildungsfehler

In Zusammenarbeit mit SIGMA

Um Abbildungsfehler zu verstehen, geht man vom Idealfall aus. Das ideale optische System erzeugt für jeden Punkt, von dem Licht ausgeht genau einen Punkt auf dem Bildsensor. Tatsächlich existiert so ein optisches System nur in der Theorie. Reale optische Systeme weisen abhängig von der Bauart und dem verwendeten Material eine Vielzahl von Abbildungsfehlern auf.

Apochromat
Theoretisch ideale Abbildung auf einem Sensor.

Arten von optischen Fehlern

Man unterscheidet dabei grundsätzlich verschiedene optische Fehlerarten:

  • Monochromatische Fehler
  • Chromatische Fehler

Beide Fehlergruppen hängen ursächlich mit den in den Objektiven verwendeten Linsen zusammen. Neben diesen beiden klassischen Abbildungsfehlern gibt es noch weitere Fehler, die entweder konstruktive Gründe haben, wie

  • Vignettierung
  • Beugungseffekte
  • Streulicht

und letztendlich auch Fehler, die am Bildsensor selbst entstehen, also

  • Rauschen
  • Moiré
  • Blooming
  • Rolling-Shutter
  • Kompressionsartefakte
  • Sensorflecken

Die Fehlerkorrektur erfolgt auf sehr unterschiedlichen Wegen. Einige Fehler werden optisch korrigiert (oder zumindest abgemildert), andere Fehler müssen in der digitalen Bildverarbeitung am Computer korrigiert werden.

Aberration

Die Aberration ist eine Untergruppe der Abbildungsfehler und der Oberbegriff für alle optischen Fehler, die entlang des Strahlengangs durch das Objektiv entstehen. Monochromes Licht, das parallel und nahe der optischen Achse in das Objektiv fällt, lässt sich auch in der Realität nahe einem idealen System brechen. Sichtbare Fehler ließen sich minimieren.

Bei sehr lichtstarken Objektiven, sehr großen Bildwinkeln (Weitwinkeln) oder Zoomobjektiven ist es technisch nicht möglich die Linsen so zu konstruieren, dass sie keinerlei Aberration aufweisen. Je offener die Blende und je weiter der Bildwinkel, umso mehr Lichtstrahlen passieren auch die Randbereiche der Linsen, fallen schräg zur optischen Achse ein oder werden an den Medienübergängen (Luft/Glas) stärker gebrochen.

Man unterscheidet Obergruppen der Aberration:

  • Monochromatische Aberration – alle Abbildungsfehler, die bei monochromatischem Licht (einfarbig – gleiche Wellenlänge) auftreten
  • Chromatische Aberration – alle Abbildungsfehler, die bei Mischlicht (mehrfarbig – unterschiedliche Wellenlänge) auftreten.

Aberration, chromatische

Wenn Licht ein Medium wie das Glas einer Linse durchquert, geschieht dies abhängig von der Wellenlänge des Lichts mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (Dispersion). Die Folge ist eine unterschiedlich starke Brechung des Lichts je nach dessen Farbe des einfallenden Lichts. Kurzwelliges Licht (blau) wird stärker gebrochen, als langwelliges Licht (rot). Es treten dabei zwei Arten von Farbfehlern auf:

Chromatische Aberration
Chromatische Aberration

Farbquerfehler

Vereinfacht gesagt verändert sich die Brennweite eines optischen Systems in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Die farbigen Teilbilder des Gesamtbildes werden dadurch unterschiedlich groß dargestellt, es entstehen Farbsäume.

Die Breite der Farbsäume steigt mit dem Abstand von der Objektivachse (geometrischer Bildmittelpunkt). Gleichzeitig wird das Bild zum Rand hinzunehmend unschärfer. Die Farbsäume sind insbesondere an harten Kontrastkanten sichtbar. Farbquerfehler lassen sich in der späteren Bildbearbeitung am Computer relativ einfach entfernen.

Farblängsfehler

Der Farblängsfehler entsteht dadurch, dass der Brennpunkt des optischen Systems von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Es entstehen bei einem unkorrigierten Objektiv mehrere farbige Teilbilder, die auf der Objektivachse voreinander stehen (bezogen auf den Punkt größter Schärfe).

Der Bildsensor bildet nur eine Ebene und kann damit nur eines der Teilbilder scharf abbilden, die anderen Teilbilder werden unscharf aufgefangen. Es bildet sich beim Farblängsfehler eine Unschärfe im Foto, die nicht vom Abstand zur Objektivachse (Bildmitte) abhängt. Farblängsfehler lassen sich durch Mittel der Bildbearbeitung nur schwer oder gar nicht korrigieren.

Die Korrektur der Farbfehler erfolgt durch Konstruktion von Achromaten und Apochromaten.

Aberration, sphärische

Sphärische Abberation
Sphärische Aberration

Die sphärische Aberration wird auch Kugelgestaltsfehler genannt. Diese Bezeichnung beschreibt die Art des Fehlers am besten. Linsen haben grundsätzlich eine sphärische Wölbung (die Krümmung entspricht einem Teilabschnitt einer Kugeloberfläche). Parallel einfallende Lichtstrahlen werden nun immer stärker gebrochen, je weiter entfernt sie von der optischen Achse auf die Linse treffen (also zum Linsenrand hin). Der Brennpunkt dieser Strahlen liegt also näher an der Linse, als achsnah auftreffende Strahlen. Im Ergebnis entsteht ein scharfes Abbild, das durch die achsnahen Strahlen erzeugt wird, das umgeben ist von einer Art Weichzeichnung (auch „Halo“ genannt).

Ebenso werden Punkte außerhalb der Schärfeebene unterschiedlich stark unscharf dargestellt, wodurch das Bokeh des Objektivs beeinflusst wird. Die sphärische Aberration kann durch die Kombination aus konkaven und konvexen Linsen reduziert, aber nicht komplett eliminiert werden. Abblenden bis nahe an die förderliche Blende reduziert die Auswirkungen dieses Abbildungsfehlers deutlich.

Eine weitere Möglichkeit, die sphärische Aberration nahezu vollständig zu korrigieren, sind asphärische Linsen. Deren Herstellung ist deutlich aufwändiger und teurer. Sphärische Linsen werden weiterhin verwendet, weil sie bei vertretbarem Aufwand eine akzeptable Abbildungsleistung erzielen.

Die sphärische Aberration betrifft die gesamte Bildfläche. Daher machen sich einige Spezialobjektive den Effekt der Weichzeichnung zu Nutze, der Grad der Aberration lässt sich bei diesen Objektiven oft in der Stärke verstellen.

Beispiele für Bildfehler

Sensorflecken
Bildfehler: Sensorflecken
Bildfehler: Moiré
Bildfehler: Moiré
Achtung! Moiré entsteht durch Überlagerung von Mustern. Auch ein Monitor hat ein Muster (Matrix). Es überlagern sich also hier mehrfach Details und so ist die Darstellung eines Moirés schwierig.
Bildfehler: Blooming
Bildfehler: Blooming
Bildfehler: Streulicht
Bildfehler: Streulicht
Bildfehler: Banding und Rauschen
Bildfehler: Banding und Rauschen
Bildfehler: Komprimierungsartefakte
Bildfehler: Komprimierungsartefakte

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2 Kommentare

  1. Blerta Cocaj
      Februar 8, 2019 at 6:48 PM
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    Guten Abend Herr Eßer,
    Ich absolviere diese Jahr mein Abitur und eins meiner Prüfungen ist die 5 Prüfungskomponente – die Präsentationsprüfung. Bei dieser habe ich mich für genau dieses Thema entschieden, Abbildungsfehler an Linsen.
    Mich würde es sehr freuen, wenn sie vielleicht detaillierter beschreiben könnten, wie man diese einzelnen Fehler korrigiert.
    Sie würden mir wirklich damit helfen.
    Mit freundlichen Grüßen
    Blerta

    1. Norbert Eßer
        Februar 8, 2019 at 10:03 PM
      Kommentar bewerten

      Wow, solch komplexen Dinge können Thema einer Abiturprüfung sein? Alle Achtung!
      Aber ich muss Deine Erwartungen drosseln. Um alle Abbildungsfehler, und dazu alle möglichen Korrekturen (Hard- und Software) vernünftig darzustellen, benötige sogar ich erstmal zwei Studienfächer. Alleine eine Abberation kratzt schon am Thema Quantenphysik. Falls Du jedoch eine spezielle Abbildungsstörung detailierter dargestellt bekommen möchtest, könnte ich das in meine Artikel-Liste aufnehmen. Aber das “wann” könnte für Dich ein Problem darstellen.

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