Wirkungsweise eines Zoom-Objektivs

Das Geheimnis eines Variogons, d.h. eines Vario- oder Zoom-Objektivs, besteht darin, daß einige grundlegende optische Gesetze geschickt ausgenutzt sind und durch entsprechende Korrektion der Restaberrationen für eine gute Abbildungsqualität gesorgt ist. Dazu bedarf es u.a. drei wesentlicher Voraussetzungen: geeignete Rechenprogramme, leistungsfähige Rechner und vor allen Dingen das optisch-physikalische Know how. 

Die heutigen Zoom-Objektive sind in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise sehr komplex. Daher wird nachfolgend zum besseren Verständnis die prinzipielle Funktionsweise eines herkömmlichen Variogon-Objektivs beschrieben. Alle Zoom-Objektive besitzen jedoch die Eigenschaft, bei der Änderung der Brennweite das entstehende Bild exakt auf eine ortsfeste Abbildungsebene abzubilden, sei es die Filmbühne oder die Ebene eines Bildsensors.

Das Konstruktionsprinzip eines Variogons herkömmlicher Bauart ist leicht zu verstehen. Das Wesentliche ist, daß das Bild nicht unmittelbar auf dem Film entsteht, sondern dort erst nach einigen virtuellen Zwischenabbildungen zustande kommt. 

Eine erste Linsengruppe entwirft ein Bild des Gegenstandes wie jedes andere Objektiv auch. Nur dieser Teil des optischen Systems wird zum Einstellen der Aufnahmeentfernung verschoben, nicht das ganze Objektiv, wie oft üblich. Die zweite Linsengruppe entwirft von diesem ersten Bild ein zweites, erst eine dritte Linsengruppe entwirft das endgültige Bild. 

Abb. 1:  Schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines Variogons

Dadurch, daß man die zweite Gruppe verschiebt, ändert man den Abbildungsmaßstab vom ersten zum zweiten Zwischenbild und damit auch die Größe, mit der der Gegenstand endgültig auf dem Empfänger erscheint (Abb. 1). Das bedeutet aber gleichzeitig, daß sich die Brennweite des Gesamtsystems ändert. Mit der axialen Verschiebung ändert sich allerdings auch die Lage des zweiten und dritten, reellen Bildes. Damit der Benutzer nicht nach jedem Brennweiten-
wechsel neu fokussieren muß, wird eine weitere Linsengruppe bewegt. Dadurch wird gleichzeitig mit der Brennweitenveränderung die Schärfe nachgestellt. 

Die Brennweitenvariation kann man grundsätzlich auf zwei Arten realisieren. Im einen Fall werden die beiden Linsengruppen mechanisch so gesteuert, daß beide ganz bestimmte aber unterschiedliche Bewegungen ausführen ( mechanische Kompensation ), im anderen Fall werden beide Linsengruppen gemeinsam bewegt, dann kann man durch geschickte Wahl der optischen Größen der beiden Glieder erreichen, daß die Lage des Bildes konstant bleibt, allerdings in diesem zweiten Fall theoretisch nicht ganz streng, aber praktisch mit genügender Genauigkeit ( optische Kompensation ). 

Abb. 2: Mechanische Kompensation der Schnittweitenänderung. oben: Die Bewegung der 2. Linse ändert die Brennweite, die der ersten hält die Schärfe konstant. unten: Die zweite Linse besteht aus zwei Teilen, durch deren Relativbewegung die Schärfe konstant gehalten wird.

Abb. 2 zeigt schematisch das Prinzip der mechanischen Kompensation, das bei allen herkömmlichen Variogon-Objektiven angewandt wird. Dabei sind die Linsengruppen - hier durch eine oder zwei Linsen dargestellt - durch römische Ziffern l, II und III, die Bilder durch arabische Ziffern 1, 2 und 3 gekennzeichnet. Die eingezeichneten Kurven sollen die Stellung der Linsen und Bildpunkte bei verschiedenen Brennweiten angeben, oben bei der kürzesten, unten bei der längsten. 

In der oberen Abb. 2 verändert die Bewegung der Linse II die Brennweite, die der Linse l hält die Lagen der Bilder 2 und 3 konstant. In der unteren Abb. 2 ist die Linsengruppe II aufgespalten (IIa und IIb); hier dient die Abstandsänderung beider Linsen dazu, das Bild festzuhalten. 

Abb. 3:  Praktische Ausführung am Beispiel des Variogons 2,8/10-40 mm.  Bei der praktischen Ausführung nach Abb. 2 hat ein Teil der Linsen- gruppen negative Brechkraft und die Zwischenbilder sind virtuell.

Als praktische Ausführung des in der unteren Abb. 2 skizzierten Prinzips ist in Abb. 3 der Linsenschnitt des Variogons 1:2,8/10-40 mm gezeigt. Die einzelnen Glieder sind durch römische Ziffern gekennzeichnet. 

In manchen Fällen spaltet man die dritte Linsengruppe noch derart in zwei Teile auf (lIla und IIIb in Abb. 3), daß zwischen ihnen paralleler Strahlengang besteht. Dann kann man sich das ganze Objektiv an dieser Stelle getrennt denken in einen brennweitenlosen Vorsatz und ein Grundobjektiv. Brennweitenlose Vorsätze wirken gewissermaßen wie ein Galilei'sches Fernrohr, das je nachdem, von welcher Seite man hineinschaut, vergrößert oder verkleinert. Wenn der Vorsatz vergrößert, wird die Brennweite der Kombination verlängert, und umgekehrt. Der Vorsatzteil des Variogons hat nun die Eigenschaft, daß man seine Vergrößerung stetig ändern und damit die Brennweite des Objektivs nach Wunsch einstellen kann.

Nachdem schon während der 30er Jahre in Deutschland derartige Objektive auf den Markt gekommen waren, die großes Aufsehen erregt hatten, haben in der Nachkriegszeit die "Optischen Werke Jos. Schneider & Co." als erste deutsche Firma ein solches Objektiv für 8mm-Schmalfilmkameras geschaffen. Es handelt sich um das Variogon 2,8/10-40 mm, das in Abb. 4 zu sehen ist.

Abb. 4: Variogon 2,8/10-40 mm

Variogon-Zoomobjektiv