Kameraobjektiv

Hintergrund

Das Kameraobjektiv ist eine Erfindung, die versucht, die Operation des menschlichen Auges zu duplizieren. Genau wie das Auge sieht das Objektiv ein Bild, fokussiert es und überträgt seine Farben, Schärfe und Helligkeit durch die Kamera auf den fotografischen Film, der wie unser Gedächtnis das Bild zur Verarbeitung und zukünftigen Verwendung aufzeichnet. Linsen bestehen aus optischem Glas oder Kunststoff. Sie fokussieren Lichtstrahlen, indem sie sie brechen oder biegen, so dass sie sich an einem gemeinsamen Punkt treffen oder konvergieren.

Eine einfache Linse „sieht“ gut durch ihre Mitte, aber ihre Sicht an den Rändern neigt dazu, zu verschwimmen. Unschärfen, Farbveränderungen, Verzerrungen von Linien und Farbhalos um Objekte herum werden durch Defekte in der Linse verursacht, die als Aberrationen bezeichnet werden. Einige Aberrationen können in der einfachen Linse korrigiert werden, indem eine oder beide Oberflächen so geformt werden, dass sie asphärisch sind; asphärische Kurven variieren wie die Kurven einer Parabel, anstatt konstant zu bleiben wie die Krümmung einer Kugel. Ein Kameraobjektiv reduziert die Auswirkungen von Aberrationen, indem es eine einfache Linse durch eine Gruppe von Linsen ersetzt, die Linsenelemente genannt werden. Die Linse wird komplexer, wenn eine größere Sehkorrektur erreicht wird. Die Linse wird auch komplexer sein, abhängig von der Größe der Blende — der Öffnung, durch die Licht hindurchtreten kann — und dem Winkelbereich, den sie „sieht“.“ Das Linsendesign beruhte früher auf der Kunst des Optikers und beträchtlichen Experimenten. Heutzutage können Computerprogramme die Formgebung und den Abstand von Linsenelementen anpassen, ihre Auswirkungen aufeinander bestimmen und die Kosten der Linsenherstellung bewerten.

Linsenelemente werden üblicherweise durch ihre Form beschrieben. Die konvexe Linse krümmt sich nach außen; Eine bikonvexe Linse krümmt sich auf beiden Seiten nach außen, und eine plankonvexe Linse ist auf der einen Seite flach und auf der anderen nach außen gekrümmt. Es gibt auch konkave Linsen, bikonkave und plankonkave Linsen. Die Elemente sind nicht unbedingt symmetrisch und können sich auf einer Seite stärker krümmen als auf der anderen. Eine Verdickung der Mitte der Linse relativ zu ihren Rändern bewirkt, dass Lichtstrahlen konvergieren oder fokussieren. Linsen mit dicken Kanten und dünnen Mitten lassen Lichtstrahlen zerstreuen. Ein komplexes Kameraobjektiv enthält eine Reihe von speziell gruppierten Elementen. Die Kombination der Zusammensetzung, Form und Gruppierung der Elemente maximiert die Lichtbiegeeigenschaften der einzelnen Elemente, um das gewünschte Bild zu erzeugen. Das Objektiv wird fokussiert, indem es näher oder weiter von der Film- oder Brennebene entfernt wird. Die Linse kann verdreht werden, wodurch sich die Linsenelemente entlang eines spiralförmigen Schraubengewindes, das in das Gehäuse der Linse eingearbeitet ist, ein- und ausbewegen. Durch Drehen des Objektivs wird auch eine Skala auf dem Gehäuse verschoben, die den Abstand des besten Fokus anzeigt.

Die Blende oder Blende ist ein spezialisierter Teil der Linse. Bei einfachen Kameras ist die Blende eine feste Blende oder ein Ring aus schwarzem Blech, der fest vor dem Objektiv angebracht ist. Boxkameras, Studiokameras und einige Kameras europäischer Herstellung verwenden einen Gleitanschlag, bei dem es sich um einen Metallstreifen handelt, der zwischen Nuten über die Vorderseite des Objektivs gleitet. Es hat zwei oder mehr Löcher unterschiedlicher Größe, die die Öffnungen sind. Objektive mit variabler Blende haben einen bearbeiteten Ring an der Außenseite der Objektivfassung, der mit Blendennummern bedruckt ist. Durch Drehen dieses Rings kann die Membran geöffnet oder geschlossen werden. Diese Irisblende funktioniert ähnlich wie die Iris des Auges und ermöglicht Anpassungen für unterschiedliche Lichtverhältnisse.

Das Objektiv einer Kompaktkamera ist normalerweise ein Allzweckobjektiv mit einer normalen Brennweite, das ein Bild so aufnimmt, wie es unsere Augen sehen. Objektive für spezielle Zwecke werden mit fortschrittlicheren Kameras verwendet. Teleobjektive funktionieren ähnlich wie Ferngläser oder Teleskope und lassen ein entferntes Bild näher erscheinen. Weitwinkelobjektive lassen das Bild weiter entfernt erscheinen; Ein Panoramaobjektiv ist eine spezielle Art von Weitwinkelobjektiv, das zum Fotografieren von weiten Landschaften nützlich ist. Einige Einwegkameras sind mit Panoramaobjektiven ausgestattet. Ein Fischaugenobjektiv ist auch eine spezielle Art von Weitwinkelobjektiv, das das Bild absichtlich verzerrt, so dass der zentrale Teil vergrößert und die äußeren Bilddetails komprimiert werden. Fischaugenobjektive decken sehr weite Winkel wie Horizont-zu-Horizont-Ansichten ab. Ein weiteres Spezialobjektiv ist das Objektiv mit variablem Fokus, das auch als „Zoom“ -Objektiv bezeichnet wird. Es verwendet bewegliche Linsenelemente, um die Brennweite anzupassen, um näher oder weiter vom Motiv weg zu zoomen. Diese Linsen sind komplex und können 12 bis 20 Linsenelemente enthalten; Eine Linse mit variablem Fokus kann jedoch mehrere andere Linsen ersetzen. Einige Kompaktkameras verfügen auch über eingeschränkte Zoom-, Tele- oder Weitwinkelfunktionen. Die Spiegelreflexkamera (SLR) ist so konstruiert, dass der Fotograf durch den Sucher die gleiche Ansicht wie das Objektiv sieht. Dies ermöglicht es dem Fotografen, das Bild, das auf dem Film erscheinen wird, mit der Flexibilität einer Vielzahl von Wechselobjektiven zu planen.

Geschichte

Das Kameraobjektiv entwickelte sich aus optischen Linsen, die für andere Zwecke entwickelt wurden, und reifte mit der Kamera und dem fotografischen Film. Im Jahr 1568 platzierte ein venezianischer Adliger, Daniel Barbaro, eine Linse über das Loch in einer Kamerabox und untersuchte die Schärfe von Bild und Fokus. Seine erste Linse stammte von der konvexen Brille eines alten Mannes. Der Astronom Johann Kepler erläuterte Barbaros Experimente im Jahr 1611, indem er Einzel- und Verbundlinsen beschrieb, die Bildumkehr erklärte und Bilder durch Gruppierung von konvexen und konkaven Linsen vergrößerte.

In den 1800er Jahren hatten die ersten Box-Kameras ein Objektiv in der Öffnung in der Box montiert. Das Objektiv invertierte das Bild auf einer lichtempfindlichen Platte auf der Rückseite der Box. Es gab keinen Verschluss, um das Objektiv zu öffnen; Stattdessen wurde eine Objektivkappe für einige Sekunden oder länger entfernt, um die Platte freizulegen. Verbesserungen der Empfindlichkeit der Platte erforderten Möglichkeiten zur Steuerung der Belichtung. Masken mit unterschiedlich großen Öffnungen wurden zum Einsetzen in der Nähe der Linse hergestellt. Die Irisblende wurde auch entwickelt, um die Blende zu steuern. Seine Metallblätter öffnen und schließen sich zu einer kreisförmigen Öffnung, deren Durchmesser variiert werden kann.

Joseph Petzval aus Wien entwarf 1841 ein Porträtobjektiv mit schneller Blende. Zuvor waren Objektive für Daguerreotypie-Kameras am besten für die Landschaftsfotografie geeignet. Mit Petzvals Objektiv konnten Porträts zehnmal schneller aufgenommen werden, und das Foto war weniger unscharf. 1902 entwickelte Paul Rudolph das Zeiss Tessar-Objektiv, das als das beliebteste aller Zeiten gilt. 1918 produzierte er das Plasmat-Objektiv, das möglicherweise das beste Kameraobjektiv ist, das jemals hergestellt wurde. Rudolph folgte kurz darauf Max Berek, der scharfe, schnelle Objektive entwarf, die ideal für Miniaturkameras waren.

Weitere wesentliche Entwicklungen in der Linsengeschichte sind die Linsenbeschichtungstechnologie, die Verwendung von Seltenerdglas und Berechnungsmethoden, die durch den Computer ermöglicht werden. Katharina B. Blodgett entwickelte 1939 Techniken zur Dünnbeschichtung von Linsen mit Seifenfilm, um Reflexionen zu entfernen und die Lichtdurchlässigkeit zu verbessern. C. Hawley Cartwright setzte Blodgetts Arbeit fort, indem er Beschichtungen aus metallischen Fluoriden verwendete, einschließlich verdampftem Magnesium und Kalzium, die vier Millionstel Zoll dick waren.

Design

Das Design eines Kameraobjektivs beginnt mit der Identifizierung des Fotografen, der es verwenden wird. Wenn der Markt identifiziert ist, wählt der Objektivdesigner die optischen und mechanischen Materialien, das optische Design, die geeignete Methode zur Herstellung der mechanischen Teile und bei Autofokusobjektiven die Art der Schnittstelle zwischen Objektiv und Kamera aus. Es gibt Konventionen oder Muster für die verschiedenen Kategorien von Objektiven, einschließlich Makro-, Weitwinkel- und Teleobjektiven, so dass einige Designaspekte standardisiert sind. Fortschritte in den Materialien geben Designern viele herausfordernde

Eine Gruppe von Linsen, die Linsenelemente genannt werden und unterschiedliche Formen und Abstände aufweisen, bilden das Kameraobjektiv. Das Linsendesign beruhte früher auf der Kunst des Optikers und beträchtlichen Experimenten. Heutzutage können Computerprogramme die Formgebung und den Abstand von Linsenelementen anpassen, ihre Auswirkungen aufeinander bestimmen und die Kosten der Linsenherstellung bewerten.

Optionen, jedoch. Bei der Auswahl der Materialien muss der Ingenieur eine Reihe von Metallen für die Komponenten und verschiedene Arten von Gläsern und Kunststoffen für die Linsen berücksichtigen, wobei er die endgültigen Kosten für den Fotografen berücksichtigt.

Wenn der Designer das Design abgeschlossen hat, wird seine Leistung durch Computersimulation getestet. Computerprogramme, die für Objektivhersteller spezifisch sind, teilen dem Designer mit, welche Art von Bild oder Bild das Objektiv in der Mitte des Bildes und an seinen Rändern für den Bereich des Objektivbetriebs erzeugen wird. Unter der Annahme, dass das Objektiv den Computersimulationstest besteht, werden die Kriterien für die Leistung, die ursprünglich ausgewählt wurden, erneut überprüft, um zu bestätigen, dass das Objektiv die identifizierten Anforderungen erfüllt. Ein Prototyp wird hergestellt, um die tatsächliche Leistung zu testen. Das Objektiv wird unter unterschiedlichen Temperatur- und Umgebungsbedingungen, an jeder Blendenposition und bei jeder Brennweite für Zoomobjektive getestet. Zielkarten in einem Labor werden ebenso fotografiert wie Feldbedingungen mit unterschiedlichem Licht und Schatten. Einige Linsen werden in Labortests schnell gealtert, um ihre Haltbarkeit zu überprüfen.

Zusätzliche Konstruktionsarbeiten sind erforderlich, wenn das Objektiv automatisch fokussiert, da das Autofokusmodul (AF) mit einer Reihe von Kameragehäusen arbeiten muss. Das AF-Modul erfordert sowohl Software als auch mechanisches Design. Umfangreiche Prototypentests werden an diesen Objektiven durchgeführt, da sie komplexe Funktionen haben und die Software auf jedes Objektiv abgestimmt ist.

Rohstoffe

Die Rohstoffe für die Objektive selbst, die Beschichtung, den Zylinder oder das Gehäuse für das Kameraobjektiv und die Objektivfassungen werden im Folgenden im Abschnitt Herstellung beschrieben.

Der Herstellungsprozess

Schleifen und Polieren von Linsenelementen

• 1 Optisches Glas wird von spezialisierten Anbietern an Linsenhersteller geliefert. Üblicherweise ist es als „gepresste Platte“ oder geschnittene Glasplatte vorgesehen, aus der die Elemente geschnitten werden. Die Glaselemente werden durch eine Kurvengeneratormaschine, die eine Erststufenschleifmaschine ist, zu konkaven oder konvexen Formen geformt. Um die Spezifikationen für seine Form zu erreichen, durchläuft eine Linse eine Abfolge von Prozessen, bei denen sie durch Polieren von Partikeln in Wasser geschliffen wird. Die Polierpartikel werden in jedem Schritt kleiner, wenn die Linse verfeinert wird. Die Kurvenerzeugung und das anschließende Schleifen variieren in ihrer Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zerbrechlichkeit, Weichheit und den Oxidationseigenschaften der optischen Materialien.

  Nach dem Schleifen und Polieren werden die Elemente so zentriert, dass der äußere Rand der Linse im Umfang relativ zur Mittellinie oder optischen Achse der Linse perfekt ist. Linsen aus Kunststoff oder gebundenem Glas und Harz werden nach den gleichen Verfahren hergestellt. Gebundene Materialien werden verwendet, um Linsen mit nicht sphärischen Oberflächen herzustellen, und diese Linsen werden als „hybridasphärische Linsen“ bezeichnet.“ Die asphärischen Oberflächen dieser Linsen werden während der Zentrierung vervollständigt.

Beschichtung linsen

• 2 Geformte Linsen sind beschichtet, um das Material vor Oxidation zu schützen, Reflexionen zu verhindern und die Anforderungen an „Designed Spectrum Transmission“ oder Farbbalance und -wiedergabe zu erfüllen. Die Linsenoberflächen werden vor der Beschichtung sorgfältig gereinigt. Techniken zum Auftragen von Beschichtungen und die Beschichtungen selbst sind wichtige Verkaufsargumente für die Linsen eines Herstellers und sorgfältig gehütete Geheimnisse. Einige Arten von Beschichtungen umfassen Metalloxide, Leichtmetallfluoride und Quarzschichten, die durch einen Vakuumprozess auf Linsen und Spiegel aufgebracht werden. Mehrere schichten der beschichtung kann angewendet werden für die beste farbe und licht übertragung, aber übermäßige beschichtung kann reduzieren das licht, das durch die linse und begrenzen seine nützlichkeit.

Herstellung des Fasses

• 3 Der Lauf enthält das Chassis, das die verschiedenen Linsenelemente und das kosmetische Äußere trägt. Metallhalterungen, Nuten und bewegliche Teile des Objektivs sind entscheidend für die Leistung des Objektivs und werden mit sehr spezifischen Toleranzen bearbeitet. Objektivfassungen können aus Messing, Aluminium oder Kunststoff bestehen. Die meisten Metallfasskomponenten werden druckgegossen und maschinell bearbeitet. Metallhalterungen halten länger, behalten ihre Abmessungen bei, können präziser bearbeitet und bei Bedarf demontiert werden, um Elemente auszutauschen. Kunststoffhalterungen sind kostengünstiger und leichter. Wenn der Lauf aus technischem Kunststoff besteht, wird er durch ein hocheffizientes und präzises Spritzgussverfahren hergestellt. Die Innenflächen des Laufs sind ebenfalls beschichtet, um sie zu schützen und innere Reflexion und Fackel zu verhindern.

Montage der Linse

• 4 Andere Teile des Objektivs, wie die Blende und das Autofokusmodul, werden als Baugruppen hergestellt. Die Irisblende besteht aus gebogenen Blättern, die aus dünnen Metallblechen geschnitten sind. Die Metallblätter werden von zwei Platten gehalten. Eine Platte ist fixiert, die andere bewegt sich und hat Schlitze für Gleitstifte. Diese schieben die Blätter zurück in Richtung des Zylinders, um die Membran zu öffnen, oder in die Mitte, um die Öffnung zu schließen, wenn der Blendenring gedreht wird. Die Blendenanordnung wird an Ort und Stelle befestigt, wenn die Objektivhalterung am Ende des Zylinders angebracht ist. Der Autofokus wird ebenfalls hinzugefügt, die optischen Elemente werden positioniert und das Objektiv wird versiegelt. Nach der Endmontage wird das Objektiv genau eingestellt und inspiziert. Es muss die Designstandards für optische Auflösung, mechanische Funktion und Autofokusantwort erfüllen. Linsen können auch getestet werden, indem sie Stößen, Stürzen und Vibrationen ausgesetzt werden.

Qualitätskontrolle

Die Ansätze zur Linsenherstellung variieren stark zwischen den Unternehmen. Einige verwenden eine vollständige Automatisierung, einschließlich Industrieroboter, um ihre Produkte herzustellen, andere verwenden große Montagelinien, und wieder andere sind stolz auf Handarbeit. Qualität und Präzision sind jedoch für die Linsenproduktion unabdingbar, unabhängig vom Herstellungsansatz. Eingehende Materialien und Komponenten werden streng auf Qualität und Einhaltung der technischen Spezifikationen geprüft. Auch automatisierte Prozesse werden ständig kontrolliert und Toleranzprüfungen unterzogen. Handwerkskunst wird nur von erfahrenen Handwerkern mit langjähriger Ausbildung durchgeführt. Qualitätskontrolle und Stresstests sind in jedem Fertigungsschritt enthalten, und Elemente und Komponenten werden mit präzisen Instrumenten gemessen. Einige Messgeräte sind lasergesteuert und können Abweichungen von weniger als 0,0001 Millimeter in einer Linsenoberfläche oder in der Linsenzentrierung erkennen.

Die Zukunft

Kameraobjektive erfreuen sich in vielen Bereichen neuer Entwicklungen. Das Interesse der Verbraucher an den besten Fotos zu den niedrigsten Kosten hat zu Einwegkameras mit einfachen, aber effektiven Objektiven geführt. Objektive für professionelle Fotografen und für spezielle Anwendungen wie Hochleistungsferngläser oder Teleskope werden mit exotischen und „nicht bevorzugten“ Gläsern hergestellt, die empfindlicher, teurer und schwieriger zu erhalten sind als herkömmliche Materialien. Diese werden als „abnormale Dispersion“ -Materialien bezeichnet, da sie alle Farben im Licht, das durch die Linse fällt, zusammenführen, um die besten Bilder zu erzeugen, anstatt Farben wie eine einfache Linse zerstreuen zu lassen. Wasser und andere Flüssigkeiten biegen auch Licht, und Wissenschaftler haben Flüssigkeiten identifiziert, die abnormal dispersiv sind und zwischen Schichten aus gewöhnlichem Glas eingeschlossen werden können, um die gleiche Bildqualität wie exotisches optisches Glas zu erzeugen. Das gewöhnliche oder „bevorzugte“ Glas (bevorzugt wegen der geringen Kosten und Verarbeitbarkeit) wird mit flexiblem Silikonkleber um die Flüssigkeit herumgebunden. Die resultierende „Flüssiglinse“ kann mehrere Elemente in einer Linse in professioneller Qualität ersetzen. Es reduziert auch die erforderliche Beschichtung und die erforderliche Menge an Linsenpolieren, da die Flüssigkeit Unvollkommenheiten im Glas ausfüllt. Die Kosten der Linse werden reduziert und die Lichtübertragungseigenschaften werden verbessert. Linsenhersteller in den USA, Japan und Europa bereiten sich darauf vor, in naher Zukunft Flüssiglinsen herzustellen.