Immer Farbsäume bei Achromaten?

[Jürgen Boschert]

Hallo Herr Nowack,

Korrektion ist ein terminus technicus für die "Korrektur" von Fehlern in der optischen Abbildung.

Gruß !

[Eckhard F. H.]

Hallo Herr Boschert,
vielen Dank, das wußte ich nicht. Aber der häufige Gebrauch dieser Form hatte mich irritiert.
Gruß - E. Nowack

[Klaus Henkel]

Hallo Herr Nowack,

Korrektion ist ein terminus technicus für die "Korrektur" von Fehlern in der optischen Abbildung.

Gruß !

Irgendein Rechtschreibprogramm (sei es von meinem Browser Seamonkey oder vom Forum) besteht seit einiger Zeit darauf, Korrektion halbautomatisch durch Erektion zu ersetzen. Für den Fall, daß ich das mal nicht rechtzeitig bemerken sollte, bitte ich um Nachsicht.
KH

[Thilo Bauer]

Hallo in die Runde,

ich lese immer wieder diese schier endlosen Debatten um Farbsäume und deren Nachweisbarkeit bei Optiken. Dabei muss ich immer ein wenig schmunzeln.

Ein physikalischer Einwurf, der für mancherlei Kopfweh sorgen dürfte:

Auch ein Apochromat wird Farbsäume messbar zeigen müssen. Selbst Spiegeloptiken können nicht frei von Farbfehlern sein.

Der Grund ist ein einfacher und in der Natur des Lichts zu suchen. Die Beugungsfiguren in verschiedenen Lichtwellenlängen (Farben) sind selbst bei einer idealisierten Optik naturgemäß unterschiedlich breit. Der einfachste in der heutigen Mikroskopie zu betrachtende Fall ist der der Unendlich Optik. Die Eintrittspupille eines Objektivs ist endlich und durch ein Diaphragma auch scharf begrenzt. Die Beugungsfiguren können bei Unendlich-Optiken mittels Fourier-Optik berechnet werden. Das heißt, die Beugungsfigur ist bei einer Unendlich Optik (Fernrohr, Unendlich Objektiv beim Mikroskop) die Fourier-Transformierte der Eintrittspupille. Bei einer kreisförmigen (Unendlich-) Optik ist dies im Idealfall eine Besselfunktion mit ihrem Hauptmaximum mit seinen Nebenmaxima in Gestalt von Beugungsringen. Diese Beugungsfigur begrenzt die Abbildungsleistung des Mikroskops. Die Schärfe wird hier durch die numerische Apertur gegeben, welche einem normierten Wert der Eintrittspupille entspricht. Bei Endlich-Optiken müssen andere Näherungen gerechnet werden. Wer hierzu nachlesen mag, dem sei Max Born, "Optik" als Lektüre empfohlen.

Nun kommt die Lichtwellenlänge ins Spiel. Sie bestimmt den Durchmesser der Beugungsfigur in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge. Das bedeutet, dass eine Beugungsfigur im roten Wellenlängenbereich breiter ausfällt, als im blauen bzw. violetten Wellenlängenbereich. Gewöhnlich nutzt man diese Eigenschaft sogar absichtlich aus, wenn es um höchste Bildauflösung geht und bevorzugt kürzere Wellenlängen (blau) für höhere Bildauflösung. Nun haben wir den einen Grund gefunden, warum man einen Blaufilter oftmals mitgeliefert bekommt.

Legt man nun gedanklich die Beugungsfigur einer "weißen" Lichtquelle zugrunde, so ergibt sich eine Überlagerung vieler Beugungsfiguren in unterschiedlichen Farben, bei denen die Abbildung vermutlich einen gelblichen Lichtsaum um ein "blaues" Hauptmaximum aufweisen wird, da das rote Licht eine breitere Abbildung ergibt, als das blaue Licht, welches ein ungleich "schärferes" Beugungsbild aufweist. Dieser Effekt beruht also auf einer völlig anderen physikalischen Tatsache, als der Lichtsaum, der aufgrund unzureichender Bildschärfe (chromatische Aberration) zu erwarten ist. Bei unzureichender chromatischer Korrektur sind nämlich im Gegensatz hierzu violette Lichtsäume zu erwarten, was daran liegt, dass das Bild außerhalb der Korrektur der Brechungseigenschaften unscharf außerhalb eines gewissen Bereichs abgebildet wird (Fall der geometrischen Optik). Dies ist bei Achromaten der rote UND blaue Spektralbereich, während Apochromate sogar bis ins UV und IR für mehrere Farben korrigiert sind und deswegen eine scharfe Abbildung für einen breiten Farbbereich ergeben. Brechung im Glas und Beugung an der Öffnung erzeugen also unterschiedliche Farbsäume aufgrund unterschiedlicher, physikalischer Phänomene.

Natürlich ist kein Apochromat perfekt, aber er kommt dem, was eine Spiegeloptik leistet, schon recht nahe. Eventuell kann man hierbei sogar berücksichtigen, dass die zu perfekte Korrektur der Farben sich durch ein gerichtet unschärferes Bild im blauen/violetten Licht gerade kompensiert. Solche Rechnungen sind ungleich aufwendiger, als die einfachen geometrischen Betrachtungen der Optik.

Natürlich sind sogar Spiegeloptiken nicht perfekt farbrein, denn sie leiden unter dem gleichen Beugungsproblem.

Wollte man diese beugungsbedingten Farbsäume korrigieren, so müsste man also eine apochromatische Optik bewusst unscharf rechnen, um die Farbsäume zu vermeiden, oder man wird die Apertur (Öffnung) für jede Wellenlänge unterschiedlich groß ausfallen lassen müssen. Wie letzteres gehen soll, dafür habe ich jetzt Idee. Es muss diese Forderung jedoch eigentlich auch ziemlich dumm erscheinen, denn man hat ja noch die Anforderung im Kopf, dass das Bild möglichst scharf und kontrastreich sein muss. Warum sollte man also ausgerechnet einen Apochromaten in dem Spektralbereich absichtlich unscharf rechnen, wo er doch hier ein schärferes Bild ergibt?

Bei "perfekten" chromatisch auskorrigierten Optiken ist die Färbung der Lichtsäume vermutlich nur schwer vorherzusagen. Gewöhnlich nutzt man Glühwendeln oder Halogenlampen, welche ein breites Farbspektrum erzeugen, dessen Energieverteilung von der Temperatur der Glühwendel abhängt. Der Farbverlauf entspricht einer Planck-Kurve bei Glühlampen, wird bei Halogenlampen von Emissionen der eingeschlossenen Gase überlagert, was auch auf moderne Hochdruck Edelgaslampen zutrifft, welche teils komplizierte Lichtspektren aufweisen (Stichwort: Xenon). Neuerdings nutzt man auch LEDs, welche ebenfalls "weißes" Licht jedoch mit etwas anders verlaufender, ebenso hügeligerer Farbverteilung bieten. Damit ergeben sich bezüglich der Gewichtung der äußeren Wellenlängen (rot, blau) verschiedene Ausprägungen, die nun von der Farbverteilung des Spektrums der Lichtquelle abhängen werden. Diese sind nun etwas komplizierter vorherzusagen, da man die Beugungsfiguren in den verschiedenen Farben nun auch mit dem Intensitätsverlauf des Spektrums der Beleuchtungseinrichtung beim Mikroskop gewichten muss. Daher hängt die tatsächlich wahrgenommene Färbung des Lichtsaums nun obendrein von der Energieverteilung der Beleuchtungseinrichtung ab. Spätestens jetzt werden mir diejenigen beipflichten, die das schon immer wussten und denen auch auffiel, dass die Abbildung von LED Beleuchtung irgendwie "besser" aussieht. Vermutlich bedeutet "besser" jedoch einen Gewöhnungseffekt und erscheint daher erst einmal "ungewöhnlicher", als das, was man bisher kannte.

Im Grunde müsste man nun sogar hergehen und die Optiken für verschiedene Lichtquellen anders rechnen, um eventuell wahrgenommene Lichtsäume zu minimieren. Bei elektronischen Kameras (aber auch im Auge) hängt das alles obendrein davon ab, wie die Wahrnehmung für die beiden äußeren Farbbereiche oder der Kamera tatsächlich ausfällt (spektrale Empfindlichkeit). Manche moderne Kamera hat übrigens im Roten eine verminderte Empfindlichkeit. Dies korrigiert man später wieder durch eine Farbkorrektur der digitalen Fotos. Ein Schelm, wer Böses dabei denkt.

So komplizierte Korrekturen berechnet natürlich kein Mensch. Jedenfalls ist es mir noch nicht bekannt, dass sich diese Erkenntnis in der Mikroskopie tatsächlich durchsetzen würde. Stattdessen bietet man die gleichen Optiken sowohl für Halogenbeleuchtung, als auch für LED an. Manche (Feld-) Mikroskope nutzen heute noch die natürliche Energieverteilung der Sonne (Beleuchtung über Spiegel).

Man wird sich also entscheiden müssen, ob die Forderung lautet, ein möglichst farbreines Bild zu erhalten, oder ein möglichst scharfes Bild. Im Idealfall wiegt vermutlich die Forderung nach einem möglichst kontrastreichem, scharfen Bild stärker, als die Forderung nach "perfekter" Farbreinheit.

Farbreinheit ist noch unmöglicher zu erfüllen, als gedacht.

Ob einem dies wirklich auffällt, das hängt vermutlich davon ab, wie viel Leervergrößerung man bereits mit dem Mikroskop realisiert hat. Das Auge ist ja vorwiegend im gelbgrünen empfindlich.

Viele Grüße

Thilo Bauer

[the_playstation]

Farbreinheit ist noch unmöglicher zu erfüllen, als gedacht.

Ich sag nur Spiegeloptiken.

[Thilo Bauer]

Farbreinheit ist noch unmöglicher zu erfüllen, als gedacht.

Ich sag nur Spiegeloptiken.

Wie schon gesagt: Unmöglich farbrein.

[Guy Marson]

Hallo Thilo,

gut erklärt!! Bin voll einverstanden, bis auf:

Manche moderne Kamera hat übrigens im Roten eine verminderte Empfindlichkeit.

leider sind immer noch IR-Sperrfilter nötig um die hohe IR-Empfindlichkeit - auch moderner Bildwandler zu reduzieren (...).

OT: Schlaumeier (hier) kamen vor Jahren mal auf die Idee, diese in ihren "Okularkameras" zu entfernen   weil die damals noch sehr zögerlich verwendeten weissen LEDs quasi keinen IR-Anteil hatten - im Vergleich zu damals üblichen Halogenfunzeln.

Gutes Nächtle,
Guy

[CMB]

Zitat:

"Im Grunde müsste man nun sogar hergehen und die Optiken für verschiedene Lichtquellen anders rechnen, um eventuell wahrgenommene Lichtsäume zu minimieren. ........

So komplizierte Korrekturen berechnet natürlich kein Mensch. Jedenfalls ist es mir noch nicht bekannt, dass sich diese Erkenntnis in der Mikroskopie tatsächlich durchsetzen würde. Stattdessen bietet man die gleichen Optiken sowohl für Halogenbeleuchtung, als auch für LED an
.......
Thilo Bauer"

Moin,

Danke für diese Hinweise. Sie liefern eine Erklärung für das auch von mir bei der Verwendung von LED beobachtete Phänomen der Farbsäume, die so jedenfalls bei der Verwendung der alten Birnen visuell und mikrofotografisch nicht auftraten.  Ich habe mir, um dem Phänomen nachzugehen, dazu von Herrn Hiller schon vor mehreren Jahren eine Serie von LED -Einschubleuchten machen lassen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen( dass die Zusammensetzung der Frequenzen entscheidend ist, ist mir klar) . Und in der Tat sind bei den Planfluotaren aber auch bei den anderen Objektivklassen die Farbsäume umso geringer, je näher man an die ursprüngliche Farbtemperatur neuer Glühbirnen des alten Bautypes herankommt. Das hat bei mir die Vermutung verdichtet, dass jedenfalls bei der Fa. Wild der spezifische Frequenzgang der Birnen in die Berechnung eingeflossen ist. In dieser Deutlichkeit habe ich das bei Objektiven der Endlich -Reihe von Zeiss Jena nicht beobachten können.

Getestet habe ich mit einem Wild M20 und Diatomeenpräparaten.

Freundliche Grüsse in die Runde

CMB

[Klaus Henkel]

Lieber CMB,

Wozu wohl die Hersteller ihren Instrumenten immer Blaufilter beilegen? Um die Farbtemperatur des Beleuchtungslichts auf 5200 bis 5500 Kelvin zu bringen, das der Farbtemperatur des normalen Tageslichts entspricht. Das ist doch das Allererste, was man mit einem neuen Mikroskop macht: Das Blaufilter in den Filterhalter oder auf den Leuchtfeldblendenaustritt zu legen. Bei der alten Kinoprojektionslampe 6V 15W von 2.850 auf 5500 und bei Halogenlampen von 3200 auf 5500.

Gruß KH

[Thilo Bauer]

Herzlichen Dank für das Feedback.

Die Anmerkungen scheinen meine Vermutungen innerhalb der Mikroskopie ja bereits irgendwie zu bestätigen.

Bezüglich der IR Sperrfilter eine Anmerkung:

Ja, moderne DSLRs nutzen solche Filter, um IR und UV abzuschneiden.

(Amateur-) Astronomen mögen diese serienmäßig verbauten Farb-Filter, welche UV und IR wegschneiden jedoch nicht besonders. Der Grund ist der schnelle Abfall der Filter hin zum äußeren Rot. Dieser Filterverlauf weist darauf hin wie Optiken allgemein korrigiert sind. Gerade Fotooptiken sind für die äußeren Farbbereiche Rot und Blau oftmals ebenfalls nicht gut korrigiert (von den teuren Objektiven abgesehen). In gewisser Weise scheinen die Kamerahersteller diesem Umstand durch spezielle Blockfilter Rechnung zu tragen, deren Flanken die Empfindlichkeit hier reduzieren, damit die Farbfehler nicht gravierend ins Gewicht fallen. Die Astronomen mögen dies nicht besonders, weil hier insbesondere in einem interessanten Farbbereich im Roten die Bildintensität bereits auf weniger als 20%  gegenüber der Empfindlichkeit im Grünen abgesunken ist. Dies ist ein Farbbereich, der die Astronomen besonders interessiert. Es ist dies die Farbe in dem Wasserstoff-Nebel eine Emissionslinie haben und hier bevorzugt leuchten. Auch in der konventionellen Fotografie fallen einfachere Optiken gerne mit einem Farbsaum auf (selbst gesehen an einem nicht abgeblendeten, billigen 70-300mm Telezoom).

Der Ausbau des Sperrfilters und Einsatz alternativer steil-flankigerer Filter bringt hier deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Farbempfindlichkeit in diesem Spektralbereich.

Es gibt diese Ausbauten bzw. Umbauten in zwei Ausprägungen im einschlägigen Fachhandel: (1) als Umbau mit einem fest eingebauten Alternativ-Filter (meist als Interferenzfilter ausgeführt) oder (2) als Ausbau des internen Filters mit der Option andere Filter einzusetzen.

Für den Fotografen interessanter erscheint mir die zweite Variante, welche ich bevorzugt auch in der Astronomie einsetze. Sie erlaubt mehr Flexibilität. Denn solche Kameras sind nun auch im UV und IR empfindlich, liefern ohne Farbfilter jedoch keine gewohnt farbigen Abbildungen mehr! Das liegt daran dass die Sensoren der DSLRs weit ins IR empfindlich sind, was mit den vorgeschalteten Blockfiltern korrigiert wird. Die von mir verwendeten, umgebauten Canon Kameras (vollständiger Ausbau der internen Filter) zeigen mittels Spektralanalyse, dass die Bildsensoren sogar bis etwa 1100nm Wellenlänge ausgesprochen empfindlich sind. Hierfür gibt es von einschlägigen Filterherstellern jedoch inzwischen Einlege-Filter (speziell für die Canon Modelle), die es nun ermöglichen wieder RGB Aufnahmen zu tätigen, indem IR und UV wieder geblockt wird. Ein Anbieter ist Astronomik, der solche Filter als Einlegefilter für spezielle astronomische Wellenlängen anbietet.

Der Fotograf sollte jedoch nicht erwarten, dass die wiedergewonnene Farbwiedergabe in RGB besonders einfach ist. Denn die enorm gesteigerte Empfindlichkeit liefert Farbbilder mit einem deutlich magenta farbenen Farbstich (rot und blau ist deutlich empfindlicher). Dies ist in der Regel nur mit Bildverarbeitung oder speziellen Einstellungen zur Farbkorrektur in der Kamera zu korrigieren. Neben den RGB Korrekturfiltern mit verbesserter Rot-Empfindlichkeit gibt es auch verschiedene Filter für spezielle Wellenlängen und auch im IR.

Die Möglichkeiten im IR und UV sind jedoch in gewisser Weise durch die Mikroskop-Objektive begrenzt, welche bei Achromaten nur für visuelle Wellenlängen korrigiert sind. Hier läuft der Fokus im IR und UV schnell weg und die Bilder werden mit erweiterten Filterbereichen zwangsläufig unschärfer, da die Optik hierfür nicht korrigiert ist (Ausnahme: Apochromat, welcher beispielsweise für bis zu 7 Wellenlängen auch im UV und IR korrigiert ist). Immerhin sind solche Experimente natürlich auch mit einfachen Objektiven erlaubt, die nicht für UV und IR farbkorrigiert sind (Apochromat).

Die neuen Möglichkeiten von derartigen "Astro-Umbauten" der Kameras hier in einem Beitrag abzuhandeln wäre über's Ziel hinausgeschossen. Immerhin existieren solche Möglichkeiten, welche dem geneigten Mikroskopiker manches neue Anwendungsfeld erschließen dürften. Das sei nur nebenbei erwähnt.

Hier ging es ja primär um Farbsäume. Diese werden sich mit solchen Kameras natürlich auch dramatisch verändern.

Man sollte nicht vergessen, dass auch Astronomen primär Spiegeloptiken oder Apochromate fotografisch einsetzen.

Viele Grüße

Thilo Bauer

PS: Das besprochene Blaufilter dient tatsächlich in erster Linie dazu eine Farbkorrektur der extrem rot strahlenden Glühlampen auf die Farbtemperatur "Tageslicht" zu bewirken. Nebenbei verschiebt sich, wie gesagt, der Schwerpunkt der Planck-Kurve der spektralen Energieverteilung der Beleuchtung nun hin zum Blauen (dies hängt jedoch auch vom Blaufilter ab). Damit entsteht nebenbei nicht nur eine Farbkorrektur, sondern, wie erwähnt auch eine leichte Verbesserung der Bildauflösung, die ja für kürzere Wellenlängen auch besser ausfällt. Ich würde erwarten, dass blau-weiß strahlende LEDs ähnliche Verbesserungen bewirken, gegenüber den warm-weißen LEDs, deren Schwerpunkt eher zum Gelben hin tendieren. Für den Fotografen hat das Blaufilter zusätzlich den Vorteil, dass er kaum eine Farbkorrektur bei Bildern oder Videos vornehmen muss, wenn er einen entsprechend auf die Lichtquelle abgestimmten Blaufilter ("Tageslicht"-Weiß) einsetzt.

[Thilo Bauer]

Ich stelle hier mal einen anschaulichen Vergleich der spektralen Empfindlichkeit mit/ohne Filter einer Canon EOS 60D ein, um die gewonnene Empfindlichkeit der DSLRs nach Ausbau der serienmäßig verbauten UV/IR Blockfilter zu veranschaulichen. Die obere Aufnahme entstand mit einer Canon EOS 60D, welcher der Filter entnommen wurde und anschließend mit einem steilflankigen UV/IR Interferenzfilter wieder ergänzt wurde. Die Farbverfälschung der Glühlampe deutet die erforderliche Farbkorrektur aufgrund verbesserter Empfindlichkeit im B und R an. Die untere Aufnahme zeigt die spektrale Empfindlichkeit des Sensors vom nahen UV bis ins IR ganz ohne Filter nach dem Ausbau. Man erkennt auch den gewonnenen Anteil im IR.

[the_playstation]

Hallo Thilo,
wahrscheinlich habe Ich in Optik früher nicht aufgepaßt.
Warum sind Spiegel nicht farbrein (beugungsbehaftet)?
Irgendwie stehe Ich auf dem Schlauch.

Aufgrund der begrenzten Öffnung (Beugung an Blenden, ...)?

Danke Jorrit.