Geometrische Optik (heißt auch Strahlenoptik) Man stellt sich Licht

Geometrische Optik
(heißt auch Strahlenoptik)
Man stellt sich Licht als Strahl vor. Der Weg verschiedener Lichtstrahlen ist von einander
unabhängig, d.h. sie können durcheinander durchgehen ohne sich zu stören. Licht sucht sich den
kürzesten Weg und breitet sich im homogenen (gleiche Dichte, gleiche Temperatur) Medium (meint
Luft, Wasser, Glas etc.) gradlinig aus.
Das ändert sich, wenn der Lichtstrahl ein anderes Medium trifft. An der Grenzfläche wird i.d.R. ein
Teil des Lichtes reflektiert, ein anderer Teil setzt den Weg im anderen Medium in einer anderen
Richtung fort, man sagt er wird gebrochen.
Es gelten folgende Gesetze:
Für die Reflexion: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ' .
n1
sin
Für die Brechung das Snelliussche Gesetz: sin = n = n1/2
2
n
mit als Winkel im zweiten Medium und x als Brechzahlen, für Vakuum und Luft i.d.R. 1, für
Glas ca. 1,5 , für Wasser 1,33.
Dabei werden die Winkel immer zur Normalen auf die Grenzfläche gemessen.
Wenn das Verhältnis der Brechzahlen kleiner als 1 ist, kann Totalreflexion auftreten. Bei einem
Grenzwinkel Gr wird zu 90° und der Sinus damit zu 1. Wird der Winkel größer als der
Grenzwinkel, wird alles Licht reflektiert. Bei der Lichtleitung durch Glasfasern nutzt man diesen
Mechanismus aus. Ein Glaskern wird von einer Hülle niedrigerer Brechzahl umgeben, das Licht
unter einem entsprechenden Winkel eingestrahlt und damit vollständig durch die Glasfaser geleitet.
Abbildung durch Linsen:
Zur Konstruktion zeichnet man die Mittellinie der Linse und durch deren Mittelpunkt eine gedachte
Linie, die optische Achse. Befindet sich der Gegenstand auf der optischen Achse, wird von der
Spitze des Gegenstandes der achsparallele Strahl bis zur Mittellinie der Linse und ab dort durch den
Brennpunkt weitergeführt.(Bei Zerstreuungslinsen durch den gegenstandsseitigen Brennpunkt). Der
zweite Strahl wird durch den Schnittpunkt O zwischen Mittellinie und optischer Achse gezeichnet.
Beide schneiden sich in der Spitze des Bildes.
Zwischen Bildgröße und Gegenstandsgröße(auch Objektgröße genannt) und dem Abstand des
Bildes von O, Bildweite genannt, sowie dem Abstand des Gegenstands von O, Gegenstandsweite
oder Objektweite genannt, beschreibt der Abbildungsmaßstab die Beziehung: G/B = g/b.
Der Abstand des Brennpunkts von O wird Brennweite f genannt. Er ist eine Eigenschaft der
jeweiligen Linse.Es gilt die Abbildungsgleichung:
1 1 1
=
f g b
Linsen sind die Grundbausteine optischer Geräte. Lupen, Fotoapparate und Diaprojektoren kommen
im einfachsten Fall mit einer Linse aus. Mikroskope(starke Vergrößerung des Sehwinkels bei einem
nahen Gegenstand) und Fernrohre (Vergrößerung des Sehwinkels bei einem weit entfernten
Gegenstand) brauchen mindestens zwei Linsen, Objektiv (näher am Objekt) und Okular (näher am
Auge, dient als Lupe). Der Sehwinkel ist der Winkel, unter dem das Objekt erscheint. Beim
Mikroskop besitzt das Objektiv eine sehr kleine, beim Fernrohr eine sehr große Brennweite.
In hochwertigen Geräten benutzt man statt einzelner Linsen oft Linsensysteme, um Farbfehler
(verschiedenfarbiges Licht wird unterschiedlich gebrochen) und geometrische Fehler
(Kissenverzeichnungen, Achsenverdrehungen etc.) zu vermeiden.