.

aus KINOTECHNIK 1939 - Heft 1 / Januar - Zeitschrift für die Technik im Film

Von Dr. H. I. Gramatzki, DKG Vortrag in der 160. öffentlichen Vortragssitzung der DKG am 21. Oktober 1938 (Es geht um extreme Tele-Brennweiten)

Ein ebenso eigenartiges wie charakteristisches Merkmal technischer Entwicklung ist das Bestreben, die Ferne zu überwinden.

Wir sehen diesen Willen in der Verkehrstechnik, im Nachrichtenwesen, und es ist keine isolierte Erscheinung, wenn auch Kinematographie und photographische Forschung heute in besonderem Maße vor dem Problem der Überwindung der Ferne, also vor den Fragen der Fernaufnahme stehen.

Um das Gebiet dieses Problems gegenüber der Nahaufnahme abzugrenzen, müssen wir die Faktoren herauslösen, die entscheidend sind für die Fernaufnahme.

Die Ferne bringt unmittelbar zwei Veränderungen mit sich: Verkleinerung der scheinbaren Größe des Objekts, Einschaltung eines atmosphärischen Körpers erheblicher Ausdehnung zwischen Gegenstand und Kamera.

Mittelbar kommt ein dritter Faktor hinzu: die durch die geringe scheinbare Größe des Objekts im Hinblick auf die begrenzte Wiedergabefähigkeit der photographischen Emulsion notwendige Anwendung großer Brennweiten.

Da in vielen Fällen eine möglichst hohe Lichtstärke verlangt wird, bringt die lange Brennweite große Öffnungen mit sich und verstärkt damit wiederum den schädlichen Einfluß der Atmosphäre.

Da der Kameramann bei Verwendung normaler Brennweiten und bei Aufnahmen aus geringen Entfernungen niemals etwas von der Störung der Bilder durch die Atmosphäre beobachten konnte, mußte diese schlimmste Quelle aller Bildverschlechterungen übersehen werden, bis die Praxis der Fernaufnahme sie schonungslos offenbarte.

Wer nicht Gelegenheit hatte, ferne Objekte durch ein Teleskop größerer Öffnung bei starker Vergrößerung zu beobachten, wird es sich kaum vorstellen können, bis zu welchem Grad die sogenannte Luftunruhe ein optisches Bild verderben kann, er wird sich das um so weniger vorstellen können, wenn er an das gewohnte Mattscheibenbild bei Nahaufnahmen denkt, das selbst mit der stärksten Lupenvergrößerung auch nicht die Spur eines Einflusses der Luft zwischen Kamera und Gegenstand erkennen läßt.
.

Da die Luftunruhe der gefährlichste Feind der Fernaufnahme ist, sei er zuerst erörtert. Vorweg sei bemerkt, daß es, so unwahrscheinlich es zunächst klingt, möglich ist, den Einfluß der Luftunruhe zu verkleinern, und zwar durch Wahl geeigneter Emulsionen.

Es wird sich ferner zeigen, daß die großen Öffnungen trotz der theoretischen größeren optischen Auflösungskraft relativ ungünstiger sind als kleinere.

Das große Prüffeld aller Fragen der Fernaufnahmen ist die photographische Erforschung des Mondes und der großen Planeten. Die Arbeiten auf diesem Spezialgebiet der modernen Astronomie kommen in vollem Umfang der Technik der irdischen Fernaufnahme zugute.

Um zu zahlenmäßigen Ergebnissen über den Einfluß der Luftunruhe zu gelangen, müssen wir uns mit den optischen Faktoren dieses Phänomens beschäftigen und sie auf eine möglichst einfache Form bringen.
.

Die von einem Oberflächenelement eines ferneren Gegenstandes kommenden Strahlen können wir als paralleles Bündel auffassen. Dieses Bündel besitzt neben der Eigenschaft der Parallelität noch eine zweite relativ zum Instrument: unveränderliche Richtung relativ zur optischen Achse desselben. Die Luftunruhe ist eine Störung beider Eigenschaften.

Die Störung der Richtung ist theoretisch rasch abgetan. Die verursachte Bildunschärfe ist das Produkt aus dem Winkel, um den die Richtungskonstanz gestört wird, und der Brennweite des Instruments.
.

In reiner Form würde eine solche Störung im Tanzen eines an sich scharfen Bildes bestehen. Wir wollen sie als transversale Störung bezeichnen.

Die Störung der Parallelität ist etwas verwickelter, aber dennoch in elementarer Form in erster Annäherung darstellbar. Wir gehen dabei von der Vorstellung aus, daß ein solches gestörtes, ursprünglich paralleles Bündel sich auffassen läßt als ein Büschel von sehr kleinem Öffnungswinkel (Bild 1).

Das parallele Bündel wird also durch eine momentane Störung in der Atmosphäre in ein Büschel verwandelt, so daß die Strahlen nicht mehr von einem unendlich weit entfernten Punkt zu kommen scheinen, sondern von einem in der endlichen Entfernung befindlichen, der, je nachdem er positiv oder negativ ist, vor oder hinter dem Objekt 0 liegt. s ist eine mittlere Entfernung, denn die gestörten Strahlen werden sich naturgemäß nicht in einem einzigen Punkte schneiden.

Bild 1. Durch Luftunruhe gestörtes Strahlenbündel
.

Die longitudinalen Störungen sind ähnlichzu berechen wie die transversalen Störungen. Die wirksame Luftunruhe ist aber nicht identisch mit diesen Störungen, denn wir arbeiten ja nicht mit punktförmigen Abbildungen, sondern unser kleinstes Bildelement ist das Beugungsscheibchen.

Die Luftunruhe wird erst dann schädlich, wenn der Durchmesser 2q des Zerstreuungskreises, den wir als Maß der Luftunruhe betrachten, größer wird als der Durchmesser ö des Beugungsscheibchens.

Dieser Gedankengang ergibt, daß die Bildgüte in grober Annäherung mit Abnahme der Öffnung steigt.
.
Dies stimmt mit der Praxis im Prinzip überein. Abblendung bewirkt bei schlechter Luft eine Bildverbesserung trotz des Helligkeits- und Definitionsverlustes, da mit der Vergrößerung des Beugungsscheibchens eine Verkleinerung des Zerstreuungskreises 2 q einhergeht.

Bild 2. Infolge der Luftunruhe entstehender Zerstreuungskreis in der Bildebene
.

Die astronomischen Werte der Bildverschlechterung durch Luftunruhe sind, wenn wir irdische Fernaufnahmen berücksichtigen, viel zu klein. Der photographierende Astronom wird für seine schwierigen Aufnahmen eine möglichst große Höhe des Gestirns über dem Horizont wählen und schon eine Erhebung von 30° als sehr tiefen Stand betrachten.

Das steil gerichtete Teleskop des Astronomen weist auf sehr kurzem Wege durch die störende Atmosphäre in den Weltenraum, und der Einfluß der unteren Luftschichten wird auf ein Minimum reduziert.

Bei der irdischen Fernaufnahme kommen wir aber überhaupt nicht oder nur in Ausnahmefällen aus der untersten Schicht heraus, und die Nähe des Erdbodens wird besonders im Sommer verhängnisvoll trotz der wesentlich geringeren Öffnung der für irdische Fernaufnahmen verwendeten Optik.
.

Hier muß die Forschungsarbeit einsetzen. Es handelt sich um eine der wichtigsten Aufnahmen der Fernkinematographie. Durch Verwendung geeigneter Testtafeln muß die Abhängigkeit der Bildgüte von meteorologischen und geographischen Faktoren, von den optischen Hilfsmitteln, von der Art der Emulsion durch ein umfassendes Tatsachenmaterial erforscht und das Ergebnis in eine Form gebracht werden, die dem Kameramann Fehlschläge erspart.

Bei Fernaufnahmen handelt es sich häufig um das Festhalten einmaliger, kaum wieder zu erwartender Ereignisse, ein Fehlschlag bedeutet schwere ideelle und materielle Verluste.

Eine Erforschung des Einflusses der Luftunruhe auf die otpischen Bilder bei Fernaufnahmen wird es verhindern, daß man die Ursachen von Fehlaufnahmen an falscher Stelle sucht.

Bei starker Bodenerwärmung wird man auch bei bester Optik und absolut genauer Einstellung mit einer mehr oder minder großen Unschärfe zu rechnen haben und besser tun, solche Aufnahmen zu Tages- und Jahreszeiten vorzunehmen, bei denen solche atmosphärischen Störungen praktisch ausgeschaltet sind.
.

Bei der irdischen Fernaufnahme haben wir noch mit einem zweiten atmosphärischen Faktor zu rechnen: der selektiven Absorption und Streuung des Lichts in dem trüben Medium Luft, die dazu führt, daß bei wachsender Entfernung nur noch die langen, zuletzt sogar die dem Auge nicht mehr wahrnehmbaren Strahlen zur Abbildung brauchbar sind. Das sich daraus ergebende physikalische Problem berührt ein allgemeines, die Scharfeinstellung.
.

Wenn wir bedenken, daß bereits bei kurzen Brennweiten diese Aufgabe keine leichte ist, so müssen wir bei der Fernaufnahme auf weit größere Schwierigkeiten gefaßt sein.

Bei der Fernaufnahme auf kleinem Format, wozu auch das Leicaformat zu rechnen ist, wird mit Rücksicht auf die geringe scheinbare Größe des Objekts eine viel größere Abbildungsschärfe, also eine weit größere Auflösung des Bildes verlangt werden als bei einer Nahaufnahme.

Die Scharfeinstellung muß mit größter Genauigkeit erfolgen, was aber gerade hier durch die meist bei 1:5 liegenden Öffnungsverhältnisse erschwert wird.

Soll die Aufnahme gar noch im unsichtbaren Wellenbereich vorgenommen werden, so muß die Entfernungsskala des Objektivs für diese Wellenlängen geeicht werden.

Wird ein Filter verwendet, was bei Infrarotaufnahmen unerläßlich ist, so tritt eine neue Schwierigkeit hinzu, die darin liegt, daß bei langbrennweitigen Objektiven Krümmungen der Filterflächen im Betrage von einem oder mehreren Kilometern schon verhängnisvoll werden können.

Bei einer Brennweite von einem Meter bewirkt ein Filter, dessen eine Fläche mathematisch plan, die andere aber eine Kugelfläche von einem Kilometer Radius ist, eine Bildverschiebung von 0,5 mm!

Bei den Fernbildlinsen der Astrogesellschaft wird diese Fehlerquelle dadurch ausgeschaltet, daß das Filter in der Nähe der Bildebene angeordnet wird und zur Scharfeinstellung eine Klarglasscheibe gleicher Dicke verwendet wird. Durch diese Anordnung wird auch eine Verkleinerung und damit Verbilligung des Filters erreicht.
.

In diesem Zusammenhang sei eine Methode erwähnt, nach der es dem Astronomen möglich ist, bei Brennweiten von 6 bis 10 Metern sogar ohne Anwendung einer Lupe bis auf Emulsionsschichtdicke scharf einzustellen.

Die Methode, die von dem jüngst verstorbenen Physiker Dr. Kreusler stammt, beruht auf der Anwendung der "Foucaultschen" Messerschneidenmethode. Auf einer klaren Glasplatte, die in die Filmführung eingelegt wird, befindet sich, der Emulsionsschicht entsprechend, ein scharf ausgeschnittener Stanniolstreifen.

Dicht an der Schneide des Streifens sieht der Beobachter nach dem Objekt. Das Instrument ist auf einen hellen Fixstern gerichtet. Infolge der Drehung der Erde wandert das Bild des Sterns in der Bildebene des Instruments und kommt an die Schneide des Stanniolstreifens.

Der Beobachter, in dessen Pupille das Licht des Sterns fällt, sieht die Objektivöffnung hell erleuchtet. Liegt der Stanniolstreifen genau in der Bildebene, so erlischt das Licht in der Objektivöffnung mit einem Schlag, liegt der Stanniolstreifen nicht in der Einstellebene, so erscheint dem beobachtenden Auge ein in die erleuchtete Objektivöffnung hereinwandernder Schatten.

Aus der Bewegungsrichtung des Sternbildes relativ zum Stanniolstreifen und der Bewegungsrichtung des Schattens in der Objektivöffnung ergibt sich eindeutig, ob der Stanniolstreifen vor oder hinter der Einstellebene liegt.

Die Methode ist so empfindlich, daß sie bei Spiegelteleskopen geringfügige Deformationen der Fläche erkennbar macht, ja, sogar solche Änderungen der spiegelnden Fläche, die einfach durch die verschiedene Dicke der Versilberung entstehen.

Das Verfahren ist das unzweifelhaft genaueste zur Einstellung langbrennweitiger Objektive auf Unendlich. Dieses Problem der Fernaufnahme kann als in jeder Hinsicht gelöst bezeichnet werden.

• Anmerkung : Bei den japanischen Kleinbildkameras wurde ein Schnittbild-Entfernungsmesser nach ähnlichenGrundsätzen eingebaut.

.

Weit schwieriger wird aber das Problem der Scharfeinstellung, wenn es sich nicht um Aufnahmen feststehender Objekte handelt, sondern um veränderliche Gegenstandsentfernung.

Bei der Einzelaufnahme ist die Frage durch eine Spiegelreflexeinrichtung lösbar, wie sie beim Identoskop (Astrogesellschaft) verwirklicht worden ist. Bei der Kinematographie ist eine solche ununterbrochene Beobachtung des Gegenstandes während der Aufnahme bei der Arriflex-Kamera (Arnold & Richter) möglich.

• Anmerkung : Das war eien Neu-Entwicklung aus 1936 !!

Aus meiner astronomischen Praxis kann ich mitteilen, daß ich mit Erfolg eine unversilberte, möglichst planparallel geschliffene Glasplatte verwendet habe, die unter 45° geneigt vor der Bildebene angeordnet ein bzw. zwei Reflexbilder in ein Überwachungsokular spiegelt.

Obwohl die Helligkeit dieser Bilder nur etwa 4% der des Hauptbildes beträgt, zeigt die Praxis, daß sie selbst bei so schwachen Objekten wie beispielsweise dem Planeten Jupiter hell genug sind, um die Bildqualität gut beurteilen zu können.

Die geneigte Platte bringt allerdings eine Störung der Comacorrektion des Objektivs mit sich, die bei größerem Format merklich wird.
.

Eine solche dauernde Überwachung des Bildes bei der kinematographischen Aufnahme ist noch aus einem anderen Grunde wichtig. Wir kommen damit zu einem anderen Problem, das typisch ist für die Fernaufnahme.

Wie wir bereits erwähnten, bedingt die Fernaufnahme die Anwendung großer Brennweiten. Die Objektive werden aus diesem Grunde größer, länger und schwerer. Das erhöht aber die Gefahr der Schwingung im ganzen System.

Bei Anwendung langer Brennweiten werden aber alle Erschütterungen und Schwingungen in optische Fehler umgesetzt, die proportional der Brennweite sind.

Soll die Fernoptik wirklich ihre volle optische Leistung zur Geltung bringen können, so ist stabile, erschütterungs- und schwingungsfreie Aufstellung unerläßlich. Die jeweilige Prüfung, ob diese Bedingung am Standort und unter den gegebenen Verhältnissen erfüllt ist, wird sich wohl nicht anders bewerkstelligen lassen als durch Dauerbeobachtung des Bildes, denn für Vorversuche bleibt bei der aktuellen Aufnahme keine Zeit.
.

Aus der astronomischen Praxis heraus möchte ich noch auf eine Gefahrenquelle hinweisen, die nur allzu leicht unterschätzt und übersehen wird: der Wind.

Ein böiger Wind, ja, selbst leichte aber stoßartige Winde bringen Instrumente von Zentnergewicht zum Zittern, und die lange Brennweite tut das Übrige. Es genügen einige Hundertstel Millimeter, um das Bild zu verderben.

Nicht minder gefahrvoll sind Bodenerschütterungen durch ferne Lastkraftwagen. Nur wer die Möglichkeit hat, das Bild während der Aufnahme zu überwachen, sieht diese Störungen sozusagen im Original.

Wer erst das Negativ prüfen kann, steht vor einem Rätsel und kann sich die ,,unscharfe Aufnahme" nicht erklären.
.

Zusammenfassend können wir die physikalischen Probleme der Fernaufnahme als drei Grundprobleme bezeichnen:

• 1. Das optische, das hinsichtlich der abbildenden Systeme als gelöst betrachtet werden kann, während die Dauerüberwachung der Scharfeinstellung noch neue Aufgaben stellt.
• 2. Das mechanische, das heute sich auf die Stativfrage reduziert und sehr wesentlich ist.
• 3. Das Photochemische. Hier handelt es sich, nach meinen 15jährigen Arbeiten auf einem besonders schwierigen Gebiete der Fernaufnahme, nämlich den der photographischen Photometrie der großen Planeten um die Schaffung einer Spezialemulsion für irdische Fernaufnahmen, die folgende Eigenschaften besitzen muß.
• 3-1. Bei hoher relativer Empfindlichkeit eine steile Gradation (y bis etwa 3,0), (ein besonderes Entwicklungsverfahren).
• 3-2. Bei hoher relativer Empfindlichkeit feines Korn (kann als bereits gelöst angesehen werden).
• 3-3. Stark unterdrückte Blauempfindlichkeit.

Die dieser Emulsion zufallende Sonderaufgabe ist die Unterdrückung des schädlichen Einflusses der Luftunruhe auf die Qualität der optischen Bilder, ein Faktor, der die größte Gefahrenquelle für alle Fernaufnahmen bildet.
.