Hochauflösendes Fernsehen

Immer größere Fernsehbildschirme erfordern moderne HDTV-Kameras (oben), die auch entfernte Bilder verzerrungsfrei heranzoomen können. Dabei hilft Calciumfluorid als optisches Linsenmaterial Farbfehler zu vermeiden. Foto oben: Sony, Foto unten: SCHOTT
Katrin Striegel

Hautnah dabei

Die Zukunft des Fernsehens heißt High Definition TV (HDTV). Spezielle optische Materialien ermöglichen die dazu nötige hohe Auflösung in den modernen Kameras: Calciumfluoride.

Spätestens seit der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland hat man sich daran gewöhnt: Im 16:9-Breitbild-Format und mit fünfmal mehr Bildinformation ist man hautnah dabei. Auch wenn das Geschehen für die Fans im Stadion weit weg ist und die Spieler nur wenige Zentimeter groß erscheinen, erlebt der Zuschauer am Bildschirm dank HDTV jede Schweißperle mit. Immer größere Fernseher und genauere Detailaufnahmen fordern jedoch eine immer bessere Auflösung der TV-Kameraobjekte. Unverzichtbar für diese enormen Zoom-Ergebnisse sind daher moderne HDTV-Kameras, die über weite Entfernungen Bilder ohne Verzerrungen und Abweichungen heranholen können. Hierzu musste unter anderem die Problematik der Farbkorrektur gelöst werden, da sich bei vielen, hintereinander angeordneten Linsen in optischen Systemen Farbfehler ergeben. Diese treten auf, weil die durchlaufenden Lichtstrahlen abhängig von ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark von einer Linse gebrochen werden und somit nicht genau auf demselben Punkt der Bildebene auftreffen. Es entstehen Unschärfen und Farbsäume, die sogenannte chromatische Aberration. Dieser unerwünschte Effekt lässt sich korrigieren, indem man eine zweite Linse beziehungsweise ein optisches Material verwendet, das sich genau entgegengesetzt verhält – und hier kommen Calciumfluorid-Kristalle zum Zug.
Farbkorrektur in Linsensystemen

Im Grunde wird damit eine schon lange bekannte Eigenheit bestimmter Kristalle genutzt. Denn bereits im Jahre 1886 erkannte der Jenaer Optikpionier Prof. Dr. Ernst Abbe die einzigartige Eignung von Calciumfluorid-Kristallen zur Farbkorrektur in Objektiven und entwickelte die apochromatische Korrektion. Solcherart korrigierte Linsensysteme brechen das Licht auf eine ganz bestimmte Art und Weise und erzielen eine punktgenaue Überlagerung der roten, grünen und blauen Lichtstrahlen. Die Folge ist, dass keine chromatischen Aberrationen, also Farbabweichungen, entstehen. In der Fotografie werden apochromatische Objektive häufig mit der Abkürzung apo gekennzeichnet. Bislang wurden vor allem höherwertige, lichtstarke Teleobjektive als Apo­chromaten ausgeführt. Mit dem Durchsetzen der HDTV-Technologie eröffnet sich nun in Linsen für Fernsehkameras ein weiterer Markt für Calciumfluorid-Kristalle.

„In farbig abbildenden Systemen kommt es darauf an, wie geschickt hochbrechende und niedrigbrechende Gläser kombiniert werden. Ziel ist, einerseits die Brechung zu erhalten, die benötigt wird, um etwas zu vergrößern oder zu verkleinern, und andererseits die Farbfehler, die dabei auftreten, zu korrigieren. Calciumfluorid-Kristalle, wie sie SCHOTT LITHOTEC herstellt und die heute in ganz neuen Abmaßen und Mengen zur Verfügung stehen, bieten sich hier an, weil sie im Vergleich zu optischen Gläsern eine extrem geringe Brechzahl und sehr hohe Abbe-Zahl aufweisen”, erläutert Peter Maushake, Produkt Manager Optical Materials bei SCHOTT LITHOTEC in Jena, Deutschland.

In der Familie der Fluoridkristalle ist Calciumfluorid bekannt dafür, eines der härtesten Materialien zu sein. Die daraus resultierende gute Bearbeitungsmöglichkeit ist ein weiterer Grund, warum es sich besonders gut für den Einsatz in der Fertigung einer breiten Palette von optischen Komponenten eignet.
Seit der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland ist auch der Fernsehzuschauer dank HDTV hautnah dabei. Foto: TV Skyline
Auch ideal geeignet für die Laseroptik

Calciumfluorid kann nicht nur Temperaturen bis 800 Grad Celsius in trockener Atmosphäre aushalten. Aufgrund seiner geringen Absorption ist es auch bestens geeignet für Optiken von Hochleistungslasern. Die Homogenität des Brechungsindexes ist ein weiterer wichtiger Parameter für das Linsenmaterial, um ein möglichst verzerrungsfreies Bild zu erhalten. Hier wird Calciumfluorid selbst den höchsten Qualitätsanforderungen gerecht. Auch wenn die Mikrolithographie zur Herstellung von Computerchips weiterhin das wichtigste Anwendungsgebiet für Calciumfluorid ist – wobei hier vor allem die außergewöhnliche Transmission für ultraviolette (UV) Strahlung zum Tragen kommt–, wird das Material immer häufiger auch für Anwendungen in visuellen sowie infraroten Wellenlängenbereichen genutzt. Calciumfluorid verfügt zudem über eine Reihe weiterer wichtiger optischer Eigenschaften wie etwa niedrige axiale und radiale Doppelbrechung.

Zudem besitzt Calciumfluorid durch seine extreme Reinheit und Struktur eine hohe Laserbeständigkeit und kommt deshalb bevorzugt in Litho-Excimer-Laseroptiken im tiefen UV-Bereich zum Einsatz. Es erlangte dort neben dem Quarzglas eine hohe Bedeutung als Material in der Halbleiterlithographie in den sogenannten Wafer-Steppern. Diese Beleuchtungs- und Projektionsoptiken dienen zum Abbilden der Schaltungsstrukturen auf Siliciumwafern mit minimalen Strukturbreiten von derzeit 45 Nanometern.
Ergänzende Informationen
Einzigartige Zucht von Einkristallen