Kommen jetzt die flachen Objektive?

Ein Forscherteam der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hat jüngst eine nur aus einer dünnen Titandioxidschicht bestehende Linse vorgestellt, die Licht wie ein apochromatisches Objektiv bündelt. Können wir also bald mit völlig flachen Objektiven rechnen? Kommen jetzt die flachen Objektive?

Eine alte Regel besagt, dass eine als Frage formulierte Überschrift zumeist mit „Nein“ zu beantworten ist. Es dürfte daher nicht überraschen, wenn es sich auch in diesem Fall so verhält; auf den Grund dafür komme ich später zurück.

Sogenannte Pancake-Objektive, die einer Systemkamera kaum zusätzliche Tiefe hinzufügen, sind höchst populär. Eine Kamera mit einem solchen Pfannkuchenobjektiv hat zwar unweigerlich etwas unvorteilhaft Mopsartiges, aber jedenfalls nimmt sie nicht viel Platz weg. Solche Objektive lassen sich aber nur für kürzere Brennweiten realisieren. Allenfalls leichte Teleobjektive liegen noch im Rahmen des Möglichen. Zudem erfordern sie Zugeständnisse an die Abbildungsqualität und die Lichtstärke, denn hoch korrigierte Objektive mit großer Öffnung erfordern aufwendige Rechnungen mit einer großen Zahl von Linsen, die nun mal ihren Platz benötigen.

Die ersten Versuche, Linsen flacher zu gestalten, gehen auf Augustin Jean Fresnel (1788–1827) zurück. Seine Fresnel-Linse kann man sich als gewöhnliche Sammellinse vorstellen, die man in konzentrische Segmente zerlegt, die dann in ihrer Dicke reduziert und zu einer flachen Scheibe zusammengeschoben werden. Darunter leidet allerdings die Bildqualität, abgesehen davon, dass eine einzelne Sammellinse ohnehin alle denkbaren Abbildungsfehler produziert. Fresnel-Linsen werden daher nicht als Objektive, sondern nur als Lichtformer vor Scheinwerfern oder in Leuchttürmen eingesetzt.

Die Fresnelsche Zonenplatte hat denselben Erfinder, aber ein ganz anderes Funktionsprinzip. Eine Zonenplatte enthält abwechselnd schwarze beziehungsweise durchsichtige konzentrische Ringe mit präzise berechnetem Abstand und Dicke. Die Lichtwellen, die die durchsichtigen Ringe passieren, werden gebeugt und interferieren hinter der Platte miteinander. Die Ringe sind so ausgelegt, dass sich die durch verschiedene Ringe gewanderten Wellen nur an bestimmten Punkten konstruktiv überlagern, so dass Wellenberg auf Wellenberg trifft und sie sich verstärken. Zwischen diesen Punkten löschen sich die Wellen ganz oder teilweise aus. So entsteht eine Art von Brennpunkt – nicht wie bei einer gewöhnlichen Sammellinse durch die Brechung des Lichts, sondern durch dessen Beugung. Eine solche diffraktive Optik findet man beispielsweise in einigen Canon-Objektiven, erkennbar am Kürzel „DO“ für „Diffractive Optics“.

Während Fresnels Linsen und Zonenplatten schon zwei Jahrhunderte alt sind, gibt es seit rund 15 Jahren einen neuen Ansatz, der auf der Nanotechnologie basiert: „Linsen“ aus Metamaterialien. Wenn das Licht beim Übergang von der Luft in das Glas einer Linse (und erneut beim Übergang in die Luft) gebrochen wird, dann geht das auf die unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in Luft und Glas zurück. Diese Unterschiede beruhen wiederum auf der atomaren Struktur der unterschiedlichen optischen Medien. In der klassischen Objektivkonstruktion wählt man zwischen verschiedenen Glassorten, die je nach ihrer atomaren Struktur verschiedene Brechungseigenschaften haben. Mit Methoden der Nanotechnologie kann man nun Metamaterialien aus einer Art von Designer-Atomen konstruieren, die zwar deutlich größer als echte Atome, aber kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, und daher mit diesem interagieren.

Vor einigen Jahren gelang das nur mit den längeren Mikrowellen oder im Bereich des Infrarot, aber mittlerweile ist es gelungen, Metamaterialien mit so kleinen Strukturen zu erzeugen, dass sich so hergestellte Linsen auch für das sichtbare Licht zwischen etwa 400 und 700 Nanometer eignen. Die Linsen lassen sich aus einem preisgünstigen Basismaterial wie Titandioxid herstellen, mit lithografischen Verfahren, wie sie auch in der Chip-Produktion eingesetzt werden.

Linsen aus Metamaterialien hatten zunächst den Nachteil, dass sie sich nur für eine einzige Wellenlänge eigneten. Andere Wellenlängen wurden stärker oder schwächer gebrochen, das heißt die Linsen zeigten eine ausgeprägte chromatische Aberration. Das Forscherteam in Harvard hatte es schon vor einem Jahr geschafft, eine Linse für einen 60 Nanometer breiten Wellenlängenbereich zu konstruieren, und stellte nun eine verbesserte Linse vor, die Wellenlängen zwischen 470 und 670 Nanometer, also fast dem gesamten Bereich des sichtbaren Lichts, in einem Punkt bündelt.

Auch diese Linse hat noch Nachteile, die sie für eine Verwendung in der Fotografie untauglich machen. Insbesondere ist sie sehr klein und wenig lichtdurchlässig. Das aktuelle Tempo der Entwicklung in diesem Forschungsbereich spricht aber dafür, dass sich das bald ändern könnte. Der nächste Schritt soll eine Linse mit einem Durchmesser von 10 Millimetern sein.

Und trotzdem – aus Metamaterialien lassen sich keine Pancake-Teleobjektive konstruieren. Auch diese Linsen haben schließlich eine Brennweite und der Abstand zwischen der Linse und dem von ihr erzeugten Bild ist immer noch wenigstens gleich der Brennweite (bei einer Fokussierung auf Unendlich) und im Nahbereich noch größer. Die Linse mag dünn sein, aber das Objektiv im Ganzen bleibt eine lange Tüte, selbst wenn diese außer einer Titandioxidplatte nur Luft enthält.