Die Physik hinter Teleobjektiven: Aufbau und Funktionsprinzip

Strahlengang und Telebauweise

Ein Teleobjektiv besteht im Kern aus zwei Gruppen. Vorn sitzt eine Sammellinsengruppe mit positiver Brechkraft, dahinter eine Zerstreuungsgruppe mit negativer Brechkraft. Die vordere Gruppe bündelt das Licht, die hintere spreizt die Strahlen wieder auf. Im Ergebnis wirkt das Objektiv, als hätte es seine Hauptebene weit vor der Frontlinse. Die Brennweite ist damit deutlich länger als der Abstand zwischen Sensor und Frontlinse.

Moderne Objektive bestehen aus mehr als diesen zwei Gruppen. Weitere Linsen und bewegliche Gruppen dienen dazu, Abbildungsfehler zu korrigieren, den Fokus zu verschieben (Innenfokus) oder bei Zoomobjektiven die Brennweite zu verändern. Das Grundprinzip der Telebauweise bleibt aber dasselbe. Ein Weitwinkelobjektiv für Spiegelreflexkameras braucht dagegen die entgegengesetzte Anordnung (Retrofokus), damit zwischen Hinterlinse und Sensor Platz für den Spiegel bleibt.

Brennweite und Bildwinkel

Der Bildwinkel beschreibt, wie viel von der Szene aufs Bild passt. Er folgt aus der Formel: Bildwinkel = 2 × arctan (Sensordiagonale / (2 × Brennweite)). Für Kleinbild mit 43,3 mm Diagonale ergeben sich diese Werte:

Ein kleinerer Sensor sieht bei gleicher Brennweite nur einen Ausschnitt dieses Bildkreises. Der Crop-Faktor beschreibt das Verhältnis zum Kleinbild: Bei APS-C von etwa 1,5 (Canon 1,6) und bei Micro Four Thirds von 2,0 entspricht der Bildwinkel einer entsprechend längeren Kleinbildbrennweite. 300 mm an APS-C zeigen also etwa den Ausschnitt von 450 mm am Kleinbild. Das Objektiv selbst hat weiterhin 300 mm Brennweite. Mehr dazu steht auf der Seite zu Telebrennweiten und Bildwinkel.

Der Eindruck der Vergrößerung hat eine einfache Ursache: Die Bildgröße eines Motivs auf dem Sensor ist proportional zur Brennweite und umgekehrt proportional zum Abstand. Die doppelte Brennweite gibt also bei gleichem Abstand ein Motiv in doppelter Höhe und Breite.

Lichtstärke und Größe der Frontlinse

Die Blendenzahl ist das Verhältnis aus Brennweite und Durchmesser der Eintrittspupille. Ein 200-mm-Objektiv mit Lichtstärke f/2,8 braucht eine wirksame Öffnung von rund 71 mm, ein 600-mm-Objektiv mit f/4 sogar rund 150 mm. Das erklärt, warum lichtstarke Supertele so groß und schwer sind: Die Frontlinsen müssen mitwachsen, wenn die Blendenzahl klein bleiben soll. Lichtschwächere Telezooms sind kleiner, weil ihre Öffnung im Verhältnis zur Brennweite kleiner ausfällt.

Mit der Brennweite ändert sich außerdem die Schärfentiefe. Bei gleichem Abstand sinkt sie mit dem Quadrat der Brennweite, bei gleichem Bildausschnitt bleibt sie nahezu gleich. Der Hintergrund erscheint mit längerer Brennweite stärker vergrößert und deshalb weicher. Ausführlicher geht darauf der Beitrag zur Schärfentiefe ein, der Zusammenhang gehört aber schon zu den physikalischen Grundlagen.

Abbildungsfehler und ihre Korrektur

Je länger die Brennweite, desto stärker fallen bestimmte Fehler ins Gewicht:

• Chromatische Aberration: Verschiedene Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen und bilden an Kontrastkanten Farbsäume. Gegenmittel sind Gläser mit besonderer Dispersion, bei Herstellern etwa ED, APO oder Fluorit genannt.
• Sphärische Aberration und Koma: Randstrahlen treffen den Sensor an anderer Stelle als Strahlen in Achsnähe. Asphärische Linsenflächen und das Abblenden mildern das.
• Reflexe und Streulicht: Jede Glas-Luft-Fläche reflektiert einen kleinen Teil des Lichts. Mehrschichtvergütungen verringern das, Gegenlichtblenden schirmen seitliches Licht ab.
• Verzeichnung: Sie fällt bei Teleobjektiven meist schwächer aus als bei Weitwinkelobjektiven.

Wie gut ein bestimmtes Modell diese Fehler korrigiert, steht in den Herstellerangaben und in unabhängigen Messungen, nicht in einer Gattungsbezeichnung. Ein hoher Brennweitenwert sagt darüber nichts.

Spiegelobjektive als gefaltete Optik

Bei sehr langen Brennweiten gibt es eine zweite Möglichkeit, die Baulänge zu verkürzen: Ein Spiegelobjektiv (Katadioptrik) lenkt das Licht mit einem Hohlspiegel und einem kleinen Fangspiegel zweimal um. Dadurch ist es sehr kompakt und leicht. Die Nachteile sind typisch: Die Blende ist fest, der Fangspiegel verdeckt einen Teil der Öffnung, und Lichtpunkte im unscharfen Bereich erscheinen als Ringe („Donuts“). Für Motive mit weicher Unschärfe sind sie deshalb weniger geeignet.

Festbrennweite, Zoom und Telekonverter

Festbrennweiten haben eine einfachere Konstruktion, weil die Linsengruppen nur für eine Brennweite optimiert werden müssen. Zoomobjektive verschieben mehrere Gruppen gegeneinander und decken so einen Bereich ab, etwa 70-200 mm oder 100-400 mm. Dafür ist die Korrektur über den ganzen Bereich aufwendiger. Welche Variante besser zu Ihren Motiven passt, hängt vom Einsatz ab: Wer häufig den Ausschnitt ändern muss, profitiert vom Zoom, wer Lichtstärke und Gewicht priorisiert, schaut eher auf Festbrennweiten.

Ein Telekonverter ist eine zusätzliche Linsengruppe zwischen Kamera und Objektiv, die die Brennweite vervielfacht. Ein 1,4-facher Konverter verlängert die Brennweite um den Faktor 1,4 und kostet eine Blendenstufe, ein 2-facher verdoppelt sie und kostet zwei Stufen. Weil er das Bild vergrößert, vergrößert er auch vorhandene Abbildungsfehler, und der Autofokus kann bei geringerer Lichtstärke langsamer arbeiten. Ob ein Konverter an ein Objektiv passt, geben ausschließlich die Hersteller an.

Stabilisierung und Verwackeln

Dieselbe Winkelbewegung der Kamera verschiebt das Bild auf dem Sensor umso stärker, je länger die Brennweite ist. Deshalb gilt die Faustregel, dass die Verschlusszeit ohne Stabilisator höchstens dem Kehrwert der kleinbildäquivalenten Brennweite entsprechen sollte. Bei 300 mm Äquivalent also 1/300 s oder kürzer. Optische Stabilisatoren in Objektiv oder Kamera, von Herstellern IS, VR, OSS oder VC genannt, gleichen kleine Bewegungen der Kamera aus. Sie wirken nicht gegen die Eigenbewegung des Motivs: Dafür braucht es eine kurze Verschlusszeit.

Grenzen durch die Luft

Bei großen Entfernungen setzt nicht nur das Objektiv Grenzen, sondern auch die Atmosphäre. Dunst und Staub mindern den Kontrast, über erhitzten Flächen flimmert die Luft und verwischt feine Details. Dagegen helfen nur ein früher Tageszeitpunkt, ein höherer Standpunkt über dem Boden und gegebenenfalls eine kürzere Distanz. Eine längere Brennweite verstärkt das Problem, weil sie die gestörte Luftsäule mit vergrößert.

Vor- und Nachteile der Gattung

Typische Einsatzgebiete

Teleobjektive eignen sich überall dort, wo Abstand zum Motiv nötig oder gewünscht ist: Tier- und Sportfotografie, Porträt mit natürlicher Perspektive, Architekturdetails und Landschaftsausschnitte. Welche Brennweite zu welchem Motiv passt, zeigt die Seite zu den Einsatzzwecken der Brennweiten. Zum Bildaufbau gibt es einen eigenen Beitrag zu den Aufnahmetechniken.

Für Himmelsmotive gilt eine Sicherheitsregel: Richten Sie ein Teleobjektiv niemals ohne einen dafür zugelassenen Sonnenfilter auf die Sonne. Das gebündelte Licht kann die Augen schädigen und Kamera und Objektiv beschädigen, auch durch den Sucher oder bei Live View.

Kurz gesagt

• „Tele“ bezeichnet eine Bauweise, bei der die Baulänge kürzer ist als die Brennweite.
• Der Bildwinkel folgt aus Brennweite und Sensorgröße. Ein Crop-Faktor ändert den Bildausschnitt, nicht die Brennweite des Objektivs.
• Lichtstärke bei langer Brennweite verlangt große Linsen, daher Größe und Gewicht.
• Stabilisator und kurze Zeiten sind zwei verschiedene Mittel gegen zwei verschiedene Ursachen von Unschärfe.