Apochromat

Als Apochromat (griech. für frei von Farben, farblos) bezeichnet man ein optisches System, z.B. ein Objektiv, bei dem der Farbfehler weitestgehend korrigiert ist, also eine sehr geringe Variation der Brennweite mit der Wellenlänge besteht.

Der Idee nach ist ein Apochromat also ein System, bei dem diejenigen Abbildungsfehler, die bei visueller Beobachtung am meisten stören, für mehr als zwei Wellenlängen korrigiert sind. De facto sind es Optiken mit 3 Linsen aus verschiedenen Glassorten.

Definition nach Abbe

Der Begriff der Apochromasie wurde zuerst von Abbe eingeführt. Nach Abbe ist ein Apochromat ein optisches System, dessen Farblängsfehler für drei Wellenlängen behoben ist und außerdem die Farbabhängigkeit der sphärischen Aberration, der Gaußfehler, für zwei weit voneinander entfernte Wellenlängen korrigiert ist.

Funktionsweise

Die durchlaufenden Lichtstrahlen werden – abhängig von ihrer Wellenlänge – unterschiedlich stark von einer Linse gebrochen und treffen somit nicht genau auf demselben Punkt der Bildebene auf. Es entstehen Unschärfen und Farbsäume (siehe chromatische Aberration).

Die Konstruktion der achromatischen Linsensysteme beruht darauf, dass das Verhältnis von Brechungsindex und Dispersion von verschiedenen Glassorten unterschiedlich ist, was sich in verschiedenen Abbe-Zahlen ausdrückt. Wäre dieses Verhältnis gleich, gäbe es keine Möglichkeit, den Farbfehler von Linsensystemen auszugleichen. Der verbleibende Farbfehler eines Achromaten wird durch eine Maßzahl beschrieben, welche die Schnittweite bei drei Wellenlängen in Beziehung setzt, das sogenannte sekundäre Spektrum.

Durch Einsatz von mindestens drei optischen Glassorten kann das sekundäre Spektrum reduziert, beim echten Apochromaten ganz beseitigt werden. Dafür muss man mindestens eine Linse aus Glas (oder anderem Material) mit besonderen Dispersionseigenschaften verwenden, wie Fluorit, Langkronglas (Fluorkronglas) und Kurzflintglas. Langkronglas besitzt eine hohe Teildispersion im kurzwelligen (blauen) Bereich des Spektrums, d.h. die Brechzahl ändert sich hier stark mit der Wellenlänge, verglichen mit seiner Teildispersion im langwelligen (roten) Bereich. Kurzflintglas hat hier hingegen eine relativ geringe Teildispersion. Solche speziellen Glassorten sind notwendig, um das sekundäre Spektrum zu beeinflussen. Bei gewöhnlichen Glassorten ist die Teildispersion eng mit der allgemeinen Dispersion (Abbe-Zahl) verknüpft. Wenn man nur solche Gläser verwendet, kann man das sekundäre Spektrum nicht wesentlich reduzieren.

Da sich die Brechzahlverläufe der verfügbaren Materialien nicht stark genug unterscheiden, sind zur völligen Beseitigung des sekundären Spektrums stark gekrümmte Flächen nötig, was zu Lasten anderer Abbildungsfehler geht bzw. die nutzbare Lichtstärke einschränkt. Deshalb begnügt man sich oft mit einer erheblichen Reduktion des sekundären Spektrums, statt es völlig zu beseitigen. Diese Linsensysteme werden teilweise als Halbapochromate bezeichnet, zum Teil auch als verbesserte Achromate bezeichnet.

Astronomie

Der klassische Weg zur Verringerung des Rest-Farbfehlers von Linsenfernrohren, z.B. in der Astronomie, war die Wahl immer längerer Brennweiten (relativ zur Öffnung), erst der Wunsch nach kompakteren und lichtstärkeren Teleskopen (f:8 oder kürzer) führte zur Nachfrage nach den wesentlich teureren Apochromaten. Diese bestehen meist aus drei Linsen, die an einer oder zwei Kontaktflächen verkittet oder mit Öl gefügt sein können.

Für größere Fernrohre ist es jedoch preisgünstiger, statt eines Apochromaten auf Spiegeloptiken überzugehen, die keinen Farbfehler aufweisen.

Mikroskopie

Da Mikroskop-Objektive für höhere Vergrößerungen immer mit großer Öffnung (numerische Apertur) arbeiten um die nötige Auflösung zu erzielen, ist der Farbfehler hier besonders störend und die Entwicklung apochromatischer Objektive durch Zeiss galt als großer Fortschritt. Für die Mikroskopfotografie kommen weitere Anforderungen wie die Ebnung des Bildfeldes auch in den Randbereichen hinzu; Objektive, die dies leisten, heißen Planapochromaten, sie wurden 1938 von Hans Boegehold bei Carl Zeiss entwickelt.

Fotografie und Spektive

In der Fotografie werden Objektive mit (teilweise) korrigiertem sekundären Spektrum häufig mit der Abkürzung „APO“ gekennzeichnet. Dabei handelt es sich vor allem um höherwertige, lichtstarke Teleobjektive. Insbesondere beim Fotografieren mit Offenblende wird damit eine merklich gesteigerte Abbildungsqualität erzielt. Diese Fotoobjektive sind aber selten (falls überhaupt) echte Apochromate. Die vollständige Korrektur des sekundären Spektrums ist nur dann sinnvoll, wenn auch die übrigen Abbildungsfehler ähnlich gut korrigiert werden. Dies würde aber einen extrem hohen Aufwand erfordern. Ein solches Objektiv wäre sehr teuer, und seine Abbildungsqualität könnte in der Praxis auch kaum genutzt werden.

Hersteller wie Zeiss, Leica, Swarovski, Nikon, Kowa u.a. haben Spektivreihen im Programm, die ebenfalls mit der APO-Technologie ausgestattet sind. Diese Spektive sind ein wenig schwerer als die baugleichen Geräte ohne APO und kosten deutlich mehr. Die bessere Farbqualität und der höhere Kontrast sind bei astronomischen Beobachtungen nahezu unerlässlich.