Zerstreuungskreis
Englisch: circle of confusion
Optischer Lichtfleck, der entsteht, wenn ein Lichtkegel von einer Linse bei der Abbildung einer Punktquelle nicht exakt fokussiert wird.
Zerstreuungskreis: Der unscharfe Fleck, der die Grenzen des Objektivs zeigt
In der Optik ist der Zerstreuungskreis der kleinste kreisförmige Lichtfleck, den ein Objektiv beim Abbilden einer Punktquelle erzeugen kann. Er entsteht, weil echte Objektive nicht alle Strahlen von einem Objektpunkt auf einen mathematischen Punkt in der Bildebene fokussieren können. Stattdessen konvergieren die Strahlen zu einem Kegel, der die Fokusebene als kleine Scheibe schneidet. Diese Scheibe ist der Zerstreuungskreis. Je größer er ist, desto deutlicher wird die Unschärfe im Endbild.
Die Größe des Zerstreuungskreises hängt von mehreren Faktoren ab: der Brennweite des Objektivs, dem Durchmesser der Blende, dem Abstand vom Objektiv zum Objekt und dem Abstand vom Objektiv zur Bildebene. Sphärische Aberration in der Objektivkonstruktion führt dazu, dass Strahlen in unterschiedlichen Höhen über dem Objektiv in leicht unterschiedlichen Entfernungen fokussieren, was zu unvermeidbarer Unschärfe führt. In der praktischen Bildgebung liegt der Durchmesser des Zerstreuungskreises für Kameraobjektive typischerweise zwischen 0,03 mm und 0,1 mm, je nach Format und Konstruktion.
Tiefenschärfe und akzeptable Schärfe
Der Zerstreuungskreis-Schwellenwert ist grundlegend für Tiefenschärfeberechnungen. Wenn ein Fotograf oder Kamerakonstrukteur einen maximal akzeptablen Durchmesser des Zerstreuungskreises festlegt, definieren sie, was als scharfer Fokus gilt. Größere Schwellenwerte ermöglichen eine größere scheinbare Tiefenschärfe, weil Punkte weiter entfernt von der Fokusebene immer noch innerhalb der akzeptablen Grenze unscharf werden. Standard ist ein Durchmesser von etwa 1/1500 der Brennweite für digitale Kameras im Kleinbildformat, aber höherwertige Anwendungen können 1/3000 oder kleiner erfordern.
In der maschinellen Bildverarbeitung und bei Präzisionsmesssystemen ist die Kontrolle des Zerstreuungskreises entscheidend. Diese Systeme müssen winzige Merkmale unterscheiden oder Positionen auf Mikrometer-Toleranz messen können. Aberrationskorrektion und abgeblendete Blenden (kleinere Öffnungen) reduzieren den Kegelwinkel und verkleinern den Zerstreuungskreis. Eine Abblendung um eine Blendenstufe reduziert den Durchmesser des Zerstreuungskreises typischerweise etwa um den Faktor zwei, auf Kosten der Lichtstärke und erfordert längere Belichtungszeiten.
Der Begriff stammt aus der klassischen Linsenlehre und bezeichnet die geometrische Kontur der fokussierten Region. Bei der optischen Konstruktion modellieren Ingenieure den Zerstreuungskreis mit Ray-Tracing-Software, um die Leistung über das Bildfeld vorherzusagen. Bei Kameras und Mikroskopen ist die Angabe eines akzeptablen Kreisdurchmessers Teil der Spezifikation zwischen optischem Design und beabsichtigter Verwendung. Ein Filmobjektiv für 35-mm-Filmaufnahmen könnte einen Kreis tolerieren, der dreimal größer ist als einer für wissenschaftliche Mikroskopie, weil die Schärfenwahrnehmung vom Betrachtungsabstand und der Vergrößerung abhängt.