Kennen Sie das Gefühl, wenn Sie bei schlechten Lichtverhältnissen fotografieren wollen und Ihre Kamera einfach nicht genug einfängt? Ein Lichtstarkes Objektiv ist hier der heilige Gral für Fotografen. Wir alle suchen nach Objektiven, die selbst im Kerzenschein noch brillante Bilder liefern, ohne künstliche Beleuchtung. Und genau darum geht es heute: um den Bau eines extrem lichtstarken F/0.38-Objektivs. Ja, Sie haben richtig gehört: F/0.38! Das ist sogar noch lichtstärker als Stanley Kubricks legendäres F/0.7, das er für „Barry Lyndon“ nutzte, um Szenen ausschließlich bei Kerzenlicht zu drehen.
Manch einer mag denken, so etwas sei nur ein Trick oder ein Witz, so wie das berühmte aber funktionslose F/0.33-Objektiv von Zeiss. Aber dieses hier funktioniert tatsächlich. Tauchen wir ein in die faszinierende Welt, wie so ein Wunderwerk entsteht und welche optischen Geheimnisse dahinterstecken.
Ein F/0.38-Objektiv selbst bauen: Das Geheimnis des Mikro-Öl-Tanks
Der Weg zu einem Objektiv mit dieser extremen F-Zahl führt oft über unkonventionelle Pfade. In unserem Fall war es ein modifiziertes Mikroskopobjektiv mit Ölimmersion. Die Grundlage bildete eine IDS Single-Board-Kamera, die man über Software präzise steuern kann – entscheidend für Vergleiche und Experimente. Das Ganze wurde in einem 3D-gedruckten Rahmen aus Carbon-PLA montiert, um maximale Stabilität zu gewährleisten, und über eine kinematische Halterung exakt auf die Achse des Kamera-Sensors ausgerichtet.
Das Herzstück ist ein spezielles 40x Mikroskopobjektiv, das für Ölimmersion konzipiert ist und eine hohe Numerische Apertur von 1.3 besitzt. Normalerweise taucht man damit in einen Öltropfen auf einem Präparat ein. Hier aber kommt der Clou: Das Öl sollte den direkten Kontakt zwischen Objektiv und Kamerasensor herstellen.
Der heikle Kameraumbau
Und genau hier begann die eigentliche Herausforderung: Fast alle Kamerasensoren sind durch eine Schutzglasscheibe abgedeckt. Zwischen dieser Scheibe und dem Sensor befindet sich eine winzige Luftschicht, die die optische Kopplung durch das Öl unmöglich macht. Die Lösung? Das Glas musste weg! Ein unglaublich heikler Eingriff, der viel Präzision erfordert. Es ist bekannt, dass diese Prozedur eine sehr geringe Erfolgsquote hat. Man musste vorsichtig mit etwas Wärme den Klebstoff erweichen und das Glas Stück für Stück entfernen, ohne die empfindlichen Bond-Drähte am Sensor zu beschädigen. Insgesamt scheinen bei solchen Experimenten einige Sensoren ihr Leben zu lassen, bevor man eine funktionierende Einheit erhält.
Ist das Glas einmal entfernt, können Objektiv und Sensor mit speziellem Öl optisch gekoppelt werden. Ein Infrarotfilter und ein Makita-Akkupack machen die Konstruktion komplett und portabel. Die ersten Tests mit einer Kerze als Lichtquelle zeigten es deutlich: Das F/0.38-Objektiv liefert ein signifikant helleres Bild als ein herkömmliches F/1.4-Objektiv und holt selbst aus den dunkelsten Schatten noch Details hervor.
Was ist eigentlich eine F-Zahl – und warum ist sie so wichtig?
Die F-Zahl eines Objektivs ist ein fundamentales Konzept in der Fotografie. Sie beschreibt das Verhältnis des Durchmessers der Eintrittspupille (der „klaren Öffnung“, durch die das Licht eintritt) zur Brennweite des Objektivs. Je kleiner diese Zahl ist, desto mehr Licht kann das Objektiv in einer bestimmten Zeit sammeln, und desto heller wird das erzeugte Bild.
Ein Objektiv mit einer F-Zahl von F/1.4 gilt bereits als sehr lichtstark („schnell“). Das F/0.7, das Stanley Kubrick für seine Kerzenlichtszenen in „Barry Lyndon“ verwendete, war lange Zeit das Maß aller Dinge im kommerziellen Bereich. Unser hier gebautes F/0.38 stößt also in eine Liga vor, die man sonst nur selten, wenn überhaupt, in der Realität findet.
Die überraschende Tiefenschärfe unseres F/0.38-Objektivs
Was viele bei solch einer extrem niedrigen F-Zahl erwarten, ist eine hauchdünne Tiefenschärfe – der sogenannte „kinematische Look“ mit unscharfem Hintergrund und Vordergrund, der nur ein Motiv gestochen scharf hervorhebt. Man stellt sich eine traumhaft unscharfe Kerzenflamme vor. Doch hier kommt die große Überraschung: Die Tiefenschärfe dieses F/0.38-Objektivs ist tatsächlich enorm. Man kann Objekte in nur 30 Zentimetern Entfernung genauso scharf abbilden wie Dinge, die weiter weg im Raum sind.
Der Grund für dieses unerwartete Verhalten liegt in der extrem kurzen Brennweite des verwendeten Mikroskopobjektivs, die bei etwa 4 mm liegt. Es stellt sich heraus, dass die Tiefenschärfe nicht nur von der F-Zahl, sondern auch ganz entscheidend von der Brennweite abhängt. Eine extrem niedrige F-Zahl allein reicht nicht aus, um die durch eine sehr kurze Brennweite bedingte große Tiefenschärfe zu kompensieren. Auch wenn der „filmische Look“ ausbleibt, sind die Erkenntnisse über die Eigenschaften von Objektiven mit geringer F-Zahl umso spannender.
F-Zahl, Numerische Apertur und die Sache mit den Abbildungsfehlern
Beim Bau solch extremer Objektive tauchen spannende Fragen zu den physikalischen Grenzen auf. Zum Beispiel die Beziehung zwischen der F-Zahl und der Numerischen Apertur (NA), die oft als NA = 1/(2 * F-Zahl) angegeben wird. Es gibt aber auch die Diskussion, dass diese Beziehung nur eine Näherung für kleine Winkel sei und die präzise Formel sin(arctan) beinhalte. Doch die Messungen an echten Mikroskopobjektiven zeigen etwas anderes: Sie stimmen erstaunlich gut mit der einfacheren Formel NA = 1/(2 * F-Zahl) überein.
Die Erklärung dafür liegt in der Art der Linse: Bei optisch korrigierten Linsen, sogenannten „plantischen“ Linsen, ist die Hauptfläche gekrümmt, was die einfache Beziehung wieder gültig macht. Hier zeigt sich, wie komplex Optik sein kann. Außerdem ist es wichtig zu verstehen, dass eine F-Zahl nur dann wirklich aussagekräftig ist, wenn das Objektiv frei von schwerwiegenden Abbildungsfehlern wie sphärischer und Koma-Aberration ist. Diese Fehler können die Bildqualität so stark mindern, dass die reine rechnerische F-Zahl wenig über die tatsächliche Lichtausbeute und Schärfe aussagt.
Ölimmersion: Der Trick für maximale Lichtausbeute
Warum der ganze Aufwand mit dem Öl? Die Ölimmersion ist im Grunde ein genialer Trick, um die physikalischen Grenzen der Lichtausbeute zu überwinden. Der Hauptzweck des Öls ist es, den Brechungsindex zwischen dem letzten Linsenelement des Objektivs und dem Kamerasensor anzugleichen.
Stellen Sie sich vor, Lichtstrahlen würden in einem sehr steilen Winkel auf den Sensor treffen. Wäre Luft zwischen Linse und Sensor, würden diese Strahlen gebrochen und könnten nicht alle effektiv eingefangen werden. Das Öl verhindert diese Brechung, indem es einen nahezu nahtlosen Übergang schafft. Dadurch können Lichtstrahlen in extrem steilen Winkeln in den Sensor eindringen, was die Lichtausbeute maximiert und das Objektiv noch empfindlicher für schwaches Licht macht. Es ist im Grunde ein Weg, so viel Licht wie möglich in den Sensor zu „stopfen“.
Der Bau dieses extrem Lichtstarken Objektivs war ein echtes Abenteuer in die Tiefen der physikalischen Optik. Auch wenn es sich um einen Prototypen handelt, sind die Erkenntnisse über F-Zahl, Numerische Apertur, Kameraumbau und die Bedeutung von Abbildungsfehlern für das Verständnis von Objektivdesign von unschätzbarem Wert. Wer weiß, vielleicht führt diese Forschung ja eines Tages zu größeren, ölgekoppelten Objektiven für handelsübliche Kameras wie Micro Four Thirds, die dann den begehrten „kinematischen Look“ auch bei extremem Low-Light ermöglichen.
Häufig gestellte Fragen
1. Warum braucht man ein so lichtstarkes Objektiv wie F/0.38?
Ein extrem Lichtstarkes Objektiv ermöglicht es, selbst unter sehr schlechten Lichtverhältnissen klare und helle Bilder zu erzeugen, ohne auf zusätzliche künstliche Beleuchtung angewiesen zu sein. Dies ist ideal für die Astrofotografie, Nachtaufnahmen oder auch für spezielle Filmproduktionen, die authentisches Umgebungslicht nutzen möchten, wie es bei Stanley Kubricks „Barry Lyndon“ der Fall war.
2. Was genau macht die Ölimmersion so besonders und warum wird sie eingesetzt?
Die Ölimmersion ist eine Technik, die den Raum zwischen dem Objektiv und dem Kamerasensor (oder Präparat) mit einem speziellen Öl füllt. Dieses Öl hat einen ähnlichen Brechungsindex wie das Glas des Objektivs. Dadurch wird die Brechung von Lichtstrahlen, die in sehr steilen Winkeln eintreffen würden, minimiert. So können mehr Lichtstrahlen vom Sensor erfasst werden, was die Numerische Apertur erhöht und die Lichtausbeute maximiert.
3. Warum hatte das F/0.38-Objektiv eine so große Tiefenschärfe, obwohl man das Gegenteil erwarten würde?
Obwohl eine sehr niedrige F-Zahl typischerweise mit einer geringen Tiefenschärfe einhergeht, war die Tiefenschärfe bei diesem F/0.38-Objektiv überraschend groß. Der Grund dafür ist die extrem kurze Brennweite des verwendeten Mikroskopobjektivs (ca. 4 mm). Die Tiefenschärfe eines Objektivs hängt nicht nur von der F-Zahl ab, sondern auch maßgeblich von der Brennweite. Eine sehr kurze Brennweite kann die Wirkung einer extrem niedrigen F-Zahl auf die Tiefenschärfe überkompensieren und zu einem größeren Schärfebereich führen.
