Um die vom Motiv einfallenden Lichtstrahlen auf der Bildebene zu bündeln, kommt ein Linsensystem aus unterschiedlichsten Linsenformen und Glastypen zum Einsatz. Durch die verschiedenen Materialien und Glasvergütungen kommt es zu Fehlern in dieser Lichtbündelung, die sich auch auf dem fertigen Bild bemerkbar machen können.
Durch immer hochwertigere Fertigungen und bessere Glasvergütungen gelingt es den Konstrukteuren sich immer mehr dem optimalen Objektiv zu nähern und die Fehler immer stärker zu minimieren. Je besser dies gelingt, desto hochwertigere Materialien und genauere Fertigungen werden hierbei eingesetzt, was natürlich seinen Preis hat.
Die nachfolgend beschriebenen Abbildungsfehler treten sowohl bei analogen als auch digitalen Kameras gleichermaßen auf. Lediglich der Fehler bei schräg einfallenden Lichtstrahlen erfordert in der Digitalfotografie einen höheren technischen Aufwand zur Korrektur.
sphärische Aberration
Dieser Fehler führt zu einer Unschärfe im Bild, ausgelöst durch einen Öffnungsfehler in der Blende. Hierbei werden die Lichtstrahlen am Bildrand stärker gebrochen als die Strahlen nahe der optischen Achse. Dies führt zu einer uneinheitlichen Lichtbündelung auf der Bildebene. Es entsteht ein zu großer Lichtpunkt, der als Unscharf wahrgenommen wird.
Moderne Objektive haben in aller Regel entsprechende Korrekturen eingebaut, weshalb dieser Fehler nur noch selten auftreten dürfte.
chromatische Aberration
Weißes Licht wird durch Linsensysteme und Prismen in seine farbigen Bestandteile zerlegt, wobei jede Wellenlänge ihre eigene Geschwindigkeit hat und eine spezielle Charakteristik in ihrer Wellenform aufweist. Dies führt zu einer unterschiedlichen Brechung im Linsensystem, was zu unterschiedlichen Brennpunkten führen kann. Dadurch entstehen Unschärfen und Farbsäume an Linien und Kanten.
Diesem Farbfehler rücken die Hersteller mit entsprechenden Objektivkorrekturen zu Leibe. Bei einfacher konstruierten Objektiven werden 2 Wellenlängen (Blaugrün und Rot) korrigiert (achromatische Objektive), bei hochwertigen Objektiven erstreckt sich die Korrektur auf die 3 Wellenlängen Blaugrün, Gelbgrün und Rot (apochromatische Objektive).
Bildfeldwölbung
Bei diesem Fehler werden Bildpunkte eines 2-dimensionalen Abbildes, die weiter von der optischen Achse entfernt liegen, näher an der Linse abgebildet als die achsnahen Bildpunkte. Es entsteht ein schalenförmig gebogenes Abbild.
Verzeichnung (Distorsion)
Gerade Linien werden als gekrümmte Linien wiedergegeben und zwar um so stärker als diese Linien von der optischen Achse entfernt sind. Diese Verzeichnung kann sowohl kissen- als auch tonnenförmig sein.
Randabschattung (Vignetierung)
Fallen Lichtstrahlen schräg ins Objektiv, werden sie in der Bildmitte heller abgebildet als am Bildrand, wo es zu einer Abdunkelung kommt. Es handelt sich nicht um ein Objektivfehler im eigentlichen Sinn, sondern tritt geometrisch bedingt bei jedem Objektiv mehr oder weniger stark auf. Je kleiner die Brennweite (Weitwinkel) ist, desto stärker tritt die Vignettierung in Erscheinung.
Schärfe
Der Schärfeeindruck liegt in der subjektiven Wahrnehmungskraft des Betrachters und wird von vielen Parametern bestimmt. In der digitalen Fotografie kommt es neben dem subjektiven Schärfeeindruck auch darauf an, ein Bild für einen bestimmten Zweck hin in der Schärfe zu optimieren. So erfordert der Ausdruck eines kleinen Bildes sicherlich eine höhere Schärfung als für die Ausgabe am Monitor nötig ist.
Auflösung
Neben den Fehlerkorrekturen entscheidet das optische Auflösungsvermögen der Objektive über die Qualität der Aufnahme.
Die Auflösung wird durch sämtliche an der Aufnahme beteiligten Komponenten bestimmt um zwei nebeneinander liegende Bildpunkte oder Linien getrennt darstellen zu können. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei dem verwendeten Objektiv zu.
Je mehr nebeneinander liegende Punkte dargestellt werden können, desto höher ist die Auflösung.
Beschränkende Faktoren der Bildqualität
An erster Stelle ist hier wohl das Objektiv selbst zu nennen. Vor allem in den günstigen Consumerkameras und Kameras vom Lebensmitteldiscounter sind in der Regel einfachste Linsenkonstruktionen vorhanden, die zudem meist nicht einmal auf den Bildsensor abgestimmt sind. Wer von solchen Kameras Spitzenbilder erwartet, glaubt auch noch an den Weihnachtsmann.
Als Faustregel kann man im Objektivbereich durchaus noch sagen:
Je hochwertiger und teurer ein Objektiv ist, desto besser ist sein Abbildungsvermögen.
Im Bereich der konventionellen Fotografie ist die Filmemulsion maßgeblich am Auflösungsvermögen beteiligt. Je kleiner das Filmkorn ist (also die im Film enthaltenen Mikrokristalle), desto höher ist auch sein Auflösungsvermögen. Ein Film mit 100 ASA erzeugt etwa 8,6 Millionen Bildpunkte (bzw. 100 bis 120 Linien pro Millimeter).
In der digitalen Fotografie ist die Lichtempfindlichkeit für das Auflösungsvermögen unbedeutend. Hier kommt es auf die Anzahl der Fotodioden/Chip an. Bei kleinen Fotozellen muss ein Objektiv eine höhere Detailgenauigkeit zustande bringen um die Fotozellen korrekt zu belichten. Auch dies ist sicherlich ein Faktor, der in der Entwicklung von Kameras eine große Rolle spielt.
Wesentlich wichtiger ist hier die Frage der kamerainternen Bildaufbereitung. Durch das Bayer-Pattern-Mosaik-Prinzip liefert eine 6 Megapixel-Kamera tatsächlich nur etwa 2,5 Millionen Bildpunkte. Der nachträglichen Berechnung (Interpolation) der fehlenden Pixel kommt damit eine große Bedeutung zu. Die Ausnahme bildet dabei der Foveon-Chip, der mangels Interpolationszwang effektive 3,3 Mio. Bildpunkte liefert.
Aber nicht nur hardwareseitig sind beschränkende Faktoren zu beachten. Auch das menschliche Auge und seine Sehkraft sind maßgeblich. Während ein durchschnittliches Objektiv etwa 50 Linienpaare pro Millimeter erfassen kann, löst das menschliche Auge lediglich 5 Linienpaare / mm auf – abhängig vom Betrachtungsabstand.
Abhängigkeit vom Sensortyp
Läßt man die Consumerkameras mit ihren „"Zollformaten" wegen fehlender Möglichkeit des Objektivwechsels außer Betracht, so muss man sich die Wechselwirkungen von Objektiv und Sensorgröße anhand des Vollformatsensors (36 x 24 mm), des APS-Sensors (30 x 17 mm) und des noch relativ neuen 4/3-Zoll-Standard-Format-Sensors (17 x 13 mm) betrachten.
Vollformatsensor
Zum Einsatz kommen hier normale Kleinbildobjektive.
Die vom Motiv kommenden Lichtstrahlen decken den Sensor in Kleinbildgröße ab. Da die Objektive für die Bildgröße berechnet sind, bleibt die Brennweite erhalten. Es kommt nicht zu der so oft beschriebenen "Brennweitenverlängerung". Die Lichtstrahlen, die nahe des Objektivrandes einfallen, müssen stark gebrochen werden.
Vorteilhaft ist hierbei sicherlich, dass die aus der analogen Fototechnik her bekannten Objektive ohne Einschränkung und Umstellung der fotografischen Gewohnheiten weiterhin genutz werden können.
Durch die starke Brechung der Lichtstrahlen am Objektivrand, trifft das Licht relativ schräg auf den Sensor auf. Die Lichtintensität wird dadurch stark vermindert und es können Abdunkelungen um mehrere Blendenstufen entstehen. Davon weiter unten mehr.
APS-Sensor
Auch Kameras mit dem wesentlich kleineren Sensor im APS-Format nutzen herkömmliche Kleinbildobjektive.
Auch hier decken die vom Motive kommenden Strahlen den kompletten Sensor ab. Da die Bildinformation auf einer kleineren Fläche untergebracht werden muss, verändert sich das Verhältnis um den Faktor, um den die Fläche bzw. Bilddiagonale kleiner ist als der Kleinbildfilm (i.d.R. um den Faktor 1,5 bis 1,7 je nach Kamera/Chiphersteller). Die sichtbare Auswirkung ist einer Verlängerung der Brennweite ähnlich, weshalb sich der (falsche) Begriff Brennweitenverlängerung eingebürgert hat. Dies ist auch der größte Nachteil (im Weitwinkelbereich – 20 mm Brennweite mutieren zu 30 mm Brennweite) oder auch der größte Vorteil (im Telebereich 100 mm Brennweite entsprechen dann 150 mm Brennweite) je nach Intension des Fotografen.
Die Lichtstrahlen am Bildrand müssen nicht so stark gekrümmt werden, wodurch der Lichtverlust durch schrägen Lichteinfall nicht so stark ausgeprägt ist wie beim Vollformatsensor.
4/3-Zoll-Standard-Format
Im Hinblick auf die o.g. Einschränkungen wurde von den Firmen Kodak und Olympus ein ganz neues Format entwickelt, der erstmals 2003 mit Einführung der Olympus E-1 Produktionsreife erhielt.
Der Hintergrund ist hier ein exaktes Verhältnis von 2 :1 zwischen der Größe des Bajonettanschlusses und dem abgebildeten Bildkreis. Mittels neu konstruierter Objektive und Bajonettfassungen wird erreicht, daß die volle Brennweite wie beim Vollformatsensor erhalten bleibt.
Im Gegensatz zu anderen digitalen SLR ist hier das Seitenverhältnis 4 : 3.
Im Vergleich zu herkömmlichen Kleinbildobjektiven ist der Durchmesser der hinteren Linse wesenlich größer, die Lichtstreuung zum Bildrand hin wesentlich geringer. Da die Objektive bei gleicher Brennweite nur ½ so groß sind, ergibt sich ein geringerer Lichtverlust innerhalb des Objektivgehäuses was zu einer höheren Lichtstärke des Objektivs führt. Dadurch muß auch das Spannungssignal des Bildsensors nicht so stark angehoben werden was zu einer Verringerung des thermischen Bildrauschens führt.
Die Objektive sind durch ihre Bauform dadurch auch kleiner, handlicher und leichter – Allerdings setzt dies auch die komplette Neuanschaffung voraus, wie es aber bei jedem Systemwechsel ebenso der Fall ist.
Problemfall schräges Licht
Ein großer Unterschied zwischen der digitalen und der analogen Fototechnik macht sich vor allem in Extremsituationen wie dem schräg einfallenden Licht bemerkbar.
Im analogen Fotobereich durchdringen die Lichtstrahlen die entsprechenden Farbschichten und treffen dort irgendwo auf eines der ungeordnet vorhandenen Mikrokristalle, wobei es dann zur Belichtung kommt. Es wird eine hohe "Trefferquote" erreicht. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtstrahl auf keines der Silberhalegonidkristalle trifft, tendiert gegen 0. Dadurch kommt es zu einer wesentlich geringeren Vignettierung am Bildrand.
Im Gegensatz dazu steht der normale CCD / CMOS-Sensor. Hier trifft der Lichtstrahl auf eine genau definierte Fläche in der Größe einer Fotodiode, die im Bayer-Pattern-Mosaik vorliegt. Je schräger nun der Lichteinfall auf solch eine Fotozelle trifft, desto schwächer ist die zugrunde liegende Energie. Es treten starke Vignettierungen zum Bildrand hin auf.
Die Industrie bietet hier drei Lösungsansätze an, die einzeln oder aber auch in Kombination in jeder Digitalkamera vorhanden sein können.
1) Vor jeder Fotodiode wird eine Mikrolinse angebracht, die das eintreffende Licht bündelt und verstärkt. Je weiter die Fotodiode vom Bildmittelpunkt entfernt ist, desto stärker werden diese Mikrolinsen zum Mittelpunkt hin gedreht. Diese Methode heißt microlens-shifting.
2) Zum Bildrand hin werden die Spannungssignale der Fotodioden stärker angehoben, bzw. eine höhere Lichtempfindlichkeit eingestellt, so daß z.B. in der Bildmitte die Lichtempfindlichkeit bei 100 ASA liegt, am Bildrand dagegen bei 400 ASA.
Kameras haben dazu in ihrer Firmeware eine kleine Datenbank hinterlegt, mit deren Hilfe sie abhängig von der Brennweite und der eingestellten Belichtung die Randabdunkelung korrigieren kann.
Diese Methode nennt sich corner shading compensation.
3) Es werden speziell für die Digitalfotografie optimierte Objektive angeboten. Diese haben spezielle Linsenelemente, die für eine bessere Ausleuchtung der Randpixel sorgen.