Astigmatismus

Astigmatismus tritt auf, wenn eine Linse eine ungleichmäßige Krümmung entlang verschiedener Meridiane aufweist, wodurch Lichtstrahlen je nach ihrer Ausrichtung in unterschiedlichen Abständen konvergieren. Anstatt einen scharfen Fokuspunkt zu bilden, verteilen sich Strahlen von einem einzelnen Objektpunkt über eine Fokalline oder verteilen sich in eine verschwommene Kaustik-Oberfläche. Das Ergebnis ist eine gerichtete Unschärfe: horizontale Linien können scharf erscheinen, während vertikale Linien verschwommen bleiben oder umgekehrt, je nachdem welcher Meridian die Aberration dominiert.

In optischen Systemen stammt Astigmatismus aus mehreren Quellen. Kugellinsen, die absichtlich mit Zylinderstärke geschliffen werden, zeigen Astigmatismus konstruktionsbedingt. Außerachsige Strahlen, die eine Kugellinse durchqueren, entwickeln Astigmatismus als Feldaberration, die zu den Bildrändern hin schlimmer wird. Optische Elemente, die geneigt statt senkrecht zur Lichtstrecke angeordnet sind, führen ihn unbeabsichtigt ein. Falsche Ausrichtung von Verbundelementlinsen, bei der Hauptebenen für verschiedene Meridiane nicht zusammenfallen, erzeugt systematischen Astigmatismus. Herstellungsfehler, wie leicht elliptisches Schleifen auf einer nominell kugelförmigen Fläche, führen zu zufälligem Astigmatismus.

Messung und Korrektur

Astigmatismus wird in Dioptrien quantifiziert und ist durch seine Stärke und seinen Achsenwinkel spezifiziert. Eine Linse mit 1,00 Dioptrie Astigmatismus bei 90 Grad fokussiert meridionale Strahlen in Luft gemessen in unterschiedlichen Abständen von etwa 1 Meter. Die Messung in optischen Systemen nutzt Verfahren wie Through-Focus-Abbildung, bei der sich das Unschärfemuster beim Verschieben der Fokalebene verändert, oder Laser-Beam-Profiling zur Abbildung der Intensitätsverteilung über die Wellefront. Bei menschlichem Sehen kann das Auge selbst einen Astigmatismusfehler aufweisen, bei dem die Hornhaut oder die Linse unterschiedliche Krümmungsradien entlang senkrechter Achsen hat.

Korrektur erfordert die Einführung eines gleichen und entgegengesetzten Astigmatismus. Bei der Sehhilfe bedeutet das zylindrische oder torische Linsen in der passenden Achsenausrichtung. Bei der Instrumentenauslegung wird Astigmatismus durch sorgfältige Wahl der Linsenform und des Abstands geregelt oder durch Einführung absichtlicher Zylinderelemente, die außerachsige Aberration aufheben. Hochpräzisions-Abbildungssysteme nutzen oft Paare von Zylinderlinsen zur unabhängigen Kontrolle des Astigmatismus neben anderen Aberrationen.

Der Begriff stammt von griechischen Wurzeln, die keinen Fokuspunkt bedeuten. In der Fotografie und Mikroskopie erscheint Astigmatismus normalerweise als unerwünschtes Artefakt, das optische Korrektur oder Fokusoptimierung erfordert. In Spezialanwendungen wie anamorphe Kinematografie oder Strahlformung ist bewusst eingeführter Astigmatismus ein funktionales Element, das Licht formt um nicht-kreisförmige Punkte oder gestreckte Bilder mit spezifischen Seitenverhältnissen zu erzeugen.