Optik

 

Ein Fernglas ist ein tragbares, in der Regel freihändig verwendbares Fernrohr. Es ist überwiegend in binokularer Ausführung auf dem Markt, die es ermöglicht, Objekte mit beiden Augen über getrennte Strahlengänge zu beobachten. Das Fernglas wird einerseits in einfacher Linsenbauweise als Theaterglas (Opernglas, Galilei-Fernrohr) angeboten, andererseits als Prismenfernglas (Kepler-Fernrohr), das umgangssprachlich auch Feldstecher genannt wird. In einäugiger Bauweise spricht man von Monokular.

Den Übergang zu Fernrohren bilden die etwas längeren, aus Gewichts- und Konstruktionsgründen überwiegend mit Stativ zu verwendenden Spektive. Mit einem ausziehbaren Tubus werden letztere auch Auszugsfernrohre genannt.

Typische Vergrößerungen sind für Operngläser 3-fach, für Feldstecher 6- bis 10-fach und für Spektive mit Zoom-Okular 15- bis 50-fach.

Die beiden Haupttypen der binokularen Ferngläser sind die optisch einfachen Theatergläser und die aufwändigeren Prismenferngläser (Feldstecher, Großfeldstecher und Doppelspektive).

Die traditionell gebauten Theatergläser, früher auch Operngläser oder Operngucker genannt (engl. opera glasses, theater binoculars oder Galilean binoculars), sind leichte und kleine binokulare Ferngläser nach dem Galilei-Fernrohr-Prinzip. Sie enthalten pro Strahlengang lediglich eine konvexe Objektivlinse und eine konkave Okularlinse, welche direkt ein aufrechtes Bild erzeugen. Umkehrprismen sind daher nicht nötig. Theatergläser ermöglichen eine nur geringe Vergrößerung (zwischen 1½ und 5, häufig in den Versionen 2,5×18 bis 3×28 hergestellt), die aber zur Beobachtung des Geschehens auf einer Theaterbühne angemessen ist. Die einfache optische Konstruktion ermöglicht nur ein kleines Gesichtsfeld, und die Abbildungsqualität ist geringer als in den kompakten Ferngläsern mit Umkehrprismen. Daher wurden schon bald nach Erfindung des Umkehrprinzips auch Prismen-Theatergläser mit der angemessenen relativ kleinen Vergrößerung angeboten.

Prismenferngläser funktionieren nach dem Kepler-Fernrohr-Prinzip und enthalten ein Umkehrprisma zwischen Okular und Objektiv, welches einerseits das um 180° verdrehte Bild zurückdreht und andererseits bei hochwertiger Abbildung eine kompakte Bauweise ermöglicht.

Von der Baugröße her unterscheidet man vereinfacht zwischen Kompakt- oder Taschenferngläsern (die auch als Theater- und Museumsgläser angeboten werden, bis etwa 300 g wiegen und häufig bei Nichtgebrauch zu kleinerem Volumen zusammengeklappt werden können), Universalgläsern (Feldstecher im engeren Sinne, zwischen etwa 400 und 1200 g) und Großferngläsern mit Objektivöffnungen ab etwa 66 mm, die eher auf Stativen Verwendung finden. Die Bezeichnungen variieren aber etwas.

Vergrößerungszahl und Objektivdurchmesser  Vergrößerungszahl und Objektivdurchmesser stehen auf praktisch allen Ferngläsern (hier: 7×50).
Die Sehfeldgröße wird im angelsächsischen Raum statt in ° oder in „m pro 1000 m“ oft in „Fuß pro 1000 Yards“ angegeben (hier: 372 ft. at 1000 yds., entspricht 124 m pro 1000 m bzw. 7,1°).

Die wichtigsten und in der Regel auch angeschriebenen Kenngrößen eines Fernglases sind die Vergrößerungszahl und der Objektivdurchmesser. Zum Beispiel bedeutet die Kennzeichnung 10×50, dass eine 10-fache Vergrößerung und ein Objektivdurchmesser von 50 mm vorliegen. Die Vergrößerungszahl ist der Quotient aus Objektivbrennweite und Okularbrennweite. Eine 10-fache Vergrößerung bedeutet, dass das Bild 10-mal größer erscheint als mit bloßem Auge. Der Objektivdurchmesser bestimmt, wie viel Licht vom Fernglas aufgenommen wird, und ist somit für die Bildhelligkeit mitverantwortlich, die aber auch von der Vergrößerung beeinflusst wird. Die Bildhelligkeit ist proportional zu ( D / v ) 2 {\displaystyle (D/v)^{2}} , wobei D der Objektivdurchmesser und v die Vergrößerungszahl ist.

Manche Fernglashersteller neigen dazu, etablierte Kennzahlen (z. B. 8×32, 10×50) selbst dann zu verwenden, wenn der Objektivdurchmesser im Einzelfall einige Millimeter kleiner ausfällt. Auch die Vergrößerung des gesehenen Bildes ist nicht so klar definiert:

  • Erstens variieren die tatsächlichen Vergrößerungen zwischen den Ferngläsern geringfügig um die angegebenen Werte,
  • zweitens ändern sie sich etwas mit dem Objektabstand (scheinbare geringere Vergrößerung bei kleinen Entfernungen) und
  • drittens verändert die jeweilige Verzeichnung die Vergrößerung insofern, als die für Ferngläser typische kissenförmige Verzeichnung den Vergrößerungsfaktor zum Rand hin etwas erhöht.
  • Schließlich hat man bei Ferngläsern der klassischen Porrobauweise den subjektiven Eindruck, dass die Vergrößerung etwas geringer ausfällt als bei einem gleich stark vergrößernden Dachkant-Fernglas mit geringerem Objektivabstand, was in der Nähe besonders ausgeprägt ist; dieser sogenannte Liliputismus-Effekt ist die Folge einer anderen Wahrnehmung bzw. zerebralen Verrechnung des stärker stereoskopischen Bildes und fällt bei monokularem Einblick weg.

Das Strahlenbündel, das senkrecht durch das Objektiv in das Fernglas gelangt, hat den wirksamen Durchmesser des jeweiligen Objektivs. Der wirksame Durchmesser wird manchmal durch eine Eintrittsblende hinter dem Objektiv oder noch weiter im Geräteinnern etwas verringert. Diese Blenden dienen meist der Unterdrückung von Abbildungsfehlern im Randbereich. Diejenige Blende oder Linsenfassung, die den Durchmesser des Strahlenbündels festlegt, definiert die sogenannte Eintrittspupille. Der Quotient aus wirksamem Objektivdurchmesser und Vergrößerung (zum Beispiel 50 mm/10 = 5 mm) bestimmt den Durchmesser des Strahlenbündels, welches das Okular verlässt und auf das Auge trifft. Dieser Durchmesser des Strahlenbündels wird als Austrittspupille bezeichnet. Sie ist das Bild der Eintrittspupille und ist direkt proportional zur Größe des Objektivs (bei unveränderter Vergrößerung!). Wenn man das Fernglas in einigem Abstand vom Auge hält, ist die Austrittspupille als heller Lichtkreis vor dem Okular „schwebend“ erkennbar. Da die Pupille unseres Auges bei Tageshelle eine Pupillenöffnung von 2 bis 3 mm und in der Dunkelheit von etwa 6 mm (maximal 7 bis 8 mm, im fortgeschrittenen Lebensalter oft nur bis ca. 5 mm) hat, ist die sinnvolle Größe der Austrittspupille des Fernglases entweder 2 bis 3 mm oder etwa doppelt so groß. Diese Sinnfälligkeit wird leider meistens missachtet. Es sind weit mehr Ferngläser mit der größeren Austrittspupille im Gebrauch als mit kleinerer. Die Verdopplung der Austrittspupille bedeutet, dass das Fernglas mindestens das doppelte Gewicht hat, das ohne wesentlichen Nutzen bei Spaziergängen oder Wanderungen, die am Tage stattfinden, umhergetragen wird. Die zu große Austrittspupille ist nur von Vorteil, wenn sich das Fernglas nicht ruhig vor den Augen halten lässt (zum Beispiel auf einem schwankenden Schiff). Eine Austrittspupille unter 2 bis 3 mm führt wegen des dunkleren Bildes zu deutlicher Wahrnehmungseinschränkung. Für ein auch in der Dämmerung und in klaren Nächten (Sternbeobachtung) zu gebrauchendes Allround-Fernglas (ohne Bild-stabilisierenden Zusatz) werden 6- bis 9-fache Vergrößerung und maximal 44 mm Objektivdurchmesser (9- bis 12-fach und maximal 60 mm für kräftige Menschen jüngeren und mittleren Alters) empfohlen.

Lichtstärke, Dämmerungszahl und Transmission

Um die Eignung eines Fernglases bei geringer Lichtintensität zu charakterisieren, dienen zwei weitere Kennzahlen:

  • Die Lichtstärke (präziser: geometrische Lichtstärke) ist proportional zum Quadrat der Austrittspupille. Sie wird als dimensionslose Zahl angegeben, die sich aus dem Quadrat der in mm gemessenen Austrittspupille ergibt, ist im Beispiel eines 10×50-Glases die Zahl 25( =(50/10)² ).
  • Die Dämmerungszahl ist die Quadratwurzel des Produktes aus Vergrößerung (10) und Objektivdurchmesser (50). Sie wird ebenfalls als dimensionslose Zahl angegeben.
  • Im Beispiel des 10×50-Glases ist die Dämmerungszahl 22,36 (= Quadratwurzel aus 10x50).

Obgleich beide Werte in der Regel als dimensionslose Zahlen angegeben werden, sind sie tatsächlich nicht dimensionslos, sondern abhängig von der verwendeten Einheit für den Eintrittspupillendurchmesser, welche daher für eindeutige Kennzeichnungen unbedingt mit angegeben werden muss. Bei beiden Kennzahlen handelt es sich zudem um stark vereinfachte Leistungsparameter, die aus den Grenzfällen weit komplexerer Modelle zur Fernrohrleistung hervorgehen.

Effektive Lichtstärke und effektive Dämmerungszahl ergeben sich, wenn auch die Abhängigkeit von der Transmission (Lichtdurchlässigkeit) der eingesetzten Gläser und von deren Oberflächenbehandlung (Verspiegelung, Vergütung) berücksichtigt ist.

Die Transmission des jeweiligen optischen Systems ist nur instrumentell messbar. Sie gibt an, wie viel Prozent der einfallenden Lichtstrahlung nach Passieren der Gesamtoptik das Okular verlassen. Dieser Prozentwert ist für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich, weshalb Ferngläser je nach Fertigung auch einen gegenüber der Natur leicht abweichenden Farbeindruck hinterlassen können. Ferngläser hoher Qualität erreichen Transmissionswerte von über 90 Prozent im Bereich um 600–700 nm und zwischen 80 und 90 % um 450–600 nm. Ältere Ferngläser bis etwa zur Mitte des 20. Jahrhunderts hatten infolge fehlender Vergütung maximal etwa 70 % Transmission und zeigten dadurch im Vergleich zu modernen Gläsern ein leicht dunkleres Bild. – In heutigen Werbeunterlagen werden deutlich höhere Transmissionswerte vorgetäuscht (z. B. „99 %“), die aber nur für Einzellinsen oder -prismen, nicht aber für das Gesamtsystem gelten.

Reales und scheinbares Sehfeld

Das reale Sehfeld wird entweder in Winkelgraden (°) oder als Feldbreite auf 1.000 m Entfernung angegeben. 1° entspricht ungefähr 17,5 m Feldbreite in 1000 m Entfernung.

Genaue Berechnung: Die halbe Feldbreite ist das Produkt aus dem Tangens des halben Sehwinkels und der Entfernung.

Rechnung für 6° Sehwinkel: tan 3° × 1000 m = 0,0524 × 1000 m = 52,4 m; das Sehfeld ist auf 1000 m etwa 105 m breit (2 × 52,4 m).

Das reale Sehfeld von Ferngläsern nimmt mit zunehmender Vergrößerung ab und reicht von etwa 3° (rund 50 m pro 1000 m, typisch für 18- bis 20-fache Vergrößerung) bis etwa 9° (rund 160 m pro 1000 m, typisch für 6- bis 7-fache Vergrößerung). Das Sehfeld lässt sich nicht beliebig vergrößern, die am Rand auftretenden Abbildungsfehler und die Abmessungen der Prismen und Okularlinsen setzen eine praktische Grenze. Ferngläser mit größerem Sehfeld bilden die Ränder oft unscharf und verzerrt ab. Sie wurden und werden trotz der Randfehler, mangelnder Brillentauglichkeit, hohem Gewicht und Störanfälligkeit dennoch gelegentlich hergestellt. Beispiele waren das Leitz Amplivid (12,1°) und das Zeiss Deltar 8x40 (11,3°) sowie ist das Leitz Trinovid 6x24 (12,1°). Solche Sehfeldgrößen sind von Vorteil, wenn sich das zu beobachtende Objekt schnell quer zur Sehrichtung bewegt (Sport, Jagd) oder wenn das zu beobachtende Sehfeld groß ist (Theaterbühnen). Diese Marktlücke wird von der Bushnell XtraWide-Serie gefüllt (17°).

Brillenträger können sich auch bei sogenannt brillentauglichen Ferngläsern meist nicht des gesamten Sehfeldes erfreuen, welches ohne Brille überblickbar ist. Dabei trifft es Weitsichtige in anderer Weise und teilweise stärker als Kurzsichtige. Diese Sehfeldbeschneidung sollte individuell ausgetestet werden, da nur ganz selten im Werbetext die (ohnehin nur ungefähre) Sehfeldgröße für Brillenträger genannt wird.

Das scheinbare Sehfeld (auch scheinbarer Sehwinkel genannt) bezieht sich auf den vom Betrachter beim Betrachten durch das Okular empfundenen, winkelmäßigen Durchmesser des durch die Sehfeldblende begrenzten Sehfelds. Es ist etwa das Produkt aus realem Sehfeld und Vergrößerungsfaktor. Bei 6° realem Sehfeld und 10-facher Vergrößerung hat das scheinbare Sehfeld etwa 60°. Diese einfache Multiplikation liefert nur annähernd die genaue scheinbare Sehfeldgröße, berücksichtigt aber die weit verbreitete kissenförmige Verzeichnung. Die neuere Norm (ISO 14132-1:2002) verlangt eine modifizierte (wiederum trigonometrische) Berechnung (im Falle der Abwesenheit jeder Verzeichnung), die zu einem meist 2–4° kleineren scheinbaren Sehfeld führt; aus diesem Grunde können ältere und neuere Angaben für das gleiche Fernglas variieren, und Vergleiche zwischen verschiedenen Herstellern müssen die Berechnungsgrundlage berücksichtigen.

Bei einem zu kleinen scheinbaren Sehfeld kann der Beobachter einen „Tunnelblick“- oder „Schlüssellochblick“-Eindruck bekommen, doch ist die Grenze, unterhalb der dieser Eindruck entsteht, subjektiv unterschiedlich (meist zwischen 55° und 60°). Okulare mit einem scheinbaren Sehfeld von über etwa 60° heißen Weitwinkelokulare.

Schärfentiefe

Die Schärfentiefe hängt in erster Linie von der Vergrößerungszahl des Fernglases ab. Schwache Vergrößerungen erleichtern das gleichzeitige Scharfsehen unterschiedlich weit entfernter Objekte, während stärkere Vergrößerungen ein häufiges Nachfokussieren verlangen. Die Schärfentiefe reduziert sich quadratisch mit der Vergrößerungszahl, d. h. ein 10×-Fernglas hat etwa die halbe (7²/10² = 0,49) Schärfentiefe eines 7×-Fernglases.

In zweiter Linie ist der Objektabstand von großer Bedeutung: In einer Entfernung von 2 m beträgt die subjektive Schärfentiefe bei einem 7- bis 8-fach vergrößernden Fernglas rund 10 cm, in 10 m Entfernung rund 1 m, und ab ungefähr 25 m sieht man bis unendlich alles einigermaßen scharf (auf diesem Effekt beruhen die Fixfokus-Ferngläser). Die Schärfentiefe ist allerdings bei jungen Menschen mit hohem Akkommodationsvermögen der Augen besser als bei älteren, da sie, meist unbewusst, die Form ihrer Augenlinse etwas anpassen können. Daneben hängt die subjektiv empfundene Schärfentiefe auch von der Lichtstärke und auch etwas von der Art des Objekts ab.

In dritter Linie haben auch andere Faktoren einen Einfluss. So spielt die Austrittsblende des Fernglases bzw. die Augenpupille (je nachdem, welcher Durchmesser kleiner ist) eine Rolle, da eine kleinere effektive Pupille, ähnlich wie die Blende beim Fotoapparat, die Schärfentiefe erhöht. Bei Ferngläsern mit „Tunnelblick“ kann sich ferner bei Tag die Augenpupille wegen des dunklen Randes etwas zu weit öffnen, was die Schärfentiefe verringern und zudem auch Blendeffekte hervorrufen kann. Ein Weitwinkelokular schließt umgekehrt die Augenpupille etwas und erhöht dadurch die Schärfentiefe.

Quelle: wikipedia

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