Optik Flashcards
Geometrische Optik
In der geometrischen Optik wird die Wellennatur des Lichtes vernachlässigt und von der Annahme ausgegangen, dass sich Lichtstrahlen geradlinig ausbreiten. Der Verlauf von Lichtstrahlen in einem optischen System wird durch die Spiegelungs- und Brechungsgesetze festgelegt.
Wellenoptik
Unter bestimmten Bedingungen zeigt Licht Welleneigenschaften, die mit dem vereinfachten Modell von “Lichtstrahlen” nicht erklärbar sind. Um beispielsweise auch Farbspektren, Interferenz- und Polarisationserscheinungen beschreiben zu können, geht man in der “modernen” Optik von einem Wellenmodell des Lichts aus.
Lichtbrechung und Interferenz
Wird Licht durch die Öffnung einer Blende so begrenzt, dass nur ein schmales Lichtbündel die Blende passieren kann, so dürfte gemäß der Strahlenoptik kein Licht außerhalb dieses Bündels auftreten. Tatsächlich weicht die Ausbreitungsrichtung des Lichts allerdings vom geradlinigen Verlauf ab, so dass an nahezu allen Stellen hinter der Blende eine gewisse Menge an Licht anzutreffen ist. Man sagt, dass Licht, ähnlich wie eine Wasserwelle, an den Kanten eines Hindernisses “gebeugt” wird.
Lichtdispersion
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem optischen Medium ist nicht nur von dessen Brechungsindex, sondern auch von der Lichtfrequenz abhängig. Die unterschiedlichen Spektralanteile werden dadurch beispielsweise beim Durchgang durch ein Prisma unterschiedlich stark gebrochen, so dass sich mittels eines Prismas weißes Licht in seine Farbanteile aufteilen lässt.
Absorption
Absorption von Lichtstrahlen beobachten Sie jedes Mal, wenn Sie im Sonnenlicht einen farbigen (nicht-weißen) Gegenstand betrachten.
Reflexion
Gegenstände können, je nach Material und Art der Oberfläche, einen Teil des auf sie fallenden Lichts zurückwerfen. Diesen Vorgang nennt man Reflexion.
Wird (fast) das gesamte auf einen Gegenstand fallende Licht reflektiert, so spricht man von einer Spiegelung.
Das Reflexionsgesetz
Für ebene Spiegel gilt das Reflexionsgesetz: Jeder auftreffende Lichtstrahl verlässt den Spiegel im gleichen Winkel, wie er aufgetroffen ist.
->Jeder Lichtstrahl kann seinen Weg stets auch in umgekehrter Richtung durchlaufen.
Direkte und diffuse Reflexion
Die Reflexion von Lichtstrahlen an einem ebenen, glatten Spiegel wird direkte Reflexion genannt. Treffen Lichtstrahlen allerdings auf einen ebenen Spiegel mit einer rauen Oberfläche, so spricht man von einer diffusen Reflexion: Das Licht wird nach dem Reflexionsgesetz in verschiedene Richtungen zurückgeworfen (“gestreut”).
Brechungsgesetz
Der Winkel zwischen dieser Senkrechten und dem einfallenden Strahl wird Einfallswinkel , der Winkel zwischen der Senkrechten und dem gebrochenen Strahl Brechungswinkel genannt.
Brechzahl n
n = sin a/sin b
Im Vakuum = 1
Wasser= 1,33
Quarzglas = 1,46
-Tritt ein Lichtstrahl von einem Stoff mit der Brechzahl in einen anderen Stoff mit einer höheren Brechzahl über, so wird er zur Senkrechten hin gebrochen.
Totalreflexion
Tritt ein Lichtstrahl von einem optischen Medium mit hoher Brechzahl in einen anderen Stoff mit niedriger Brechzahl über, so wird er von der Senkrechten weg gebrochen; der Brechungswinkel ist in diesem Fall größer als der Einfallswinkel .
Bei einem bestimmten, von den beiden Materialien abhängigen Einfallswinkel nimmt der Brechungswinkel den Wert an. In diesem Fall kann der einfallende Lichtstrahl nicht mehr aus dem optisch dichteren Medium in das optisch dünnere Medium übergehen, sondern wird reflektiert
Doppelte Lichtbrechung an einer ebenen Platter
Beim Durchgang durch eine ebene Platte, beispielsweise eine Glasscheibe, wird ein Lichtstrahl zweimal gebrochen: Beim Eintritt wird der Strahl zur Senkrechten hin, beim Austritt von der Senkrechten weg gebrochen. Da die Brechzahlen und somit die Ablenkungen in beiden Fällen gleich sind, erfährt der Lichtstrahl insgesamt nur eine parallele Verschiebung.
Optische Achse
Die Gerade, die durch die Mitte der Linse verläuft und senkrecht zur Linsenebene steht, heißt optische Achse.
Brennweite
Der Abstand zwischen Linsenmittelpunkt und einem Brennpunkt wird Brennweite genannt. Die Brennweite einer optischen Linse ist umso größer, desto flacher die Linse ist.
Brennpunktstrahlen
Alle Strahlen, die durch einen Brennpunkt einer optischen Linse verlaufen, werden durch die Linse so gebrochen, dass sie hinter der Linse parallel zur optischen Achse verlaufen.
Mittelpunktstrahlen
Strahlen, die durch den Linsenmittelpunkt verlaufen, werden beim Eintritt in das Linsenglas ebenso stark gebrochen wie beim Austritt. Mittelpunktstrahlen werden daher nur leicht parallel verschoben
Sammellinse
Nähert man einen Gegenstand vom Brennpunkt her einer Sammellinse, so nähert sich auch das Bild der Sammellinse. Sammellinsen erzeugen vergrößerte und aufrechte Bilder der Gegenstände, wenn sie sich innerhalb der Brennweite befinden (Lupeneffekt).
Zerstreuungslinsen
Eine Zerstreuungslinse erzeugt stets aufrechte, verkleinerte Bilder. Nähert man einen Gegenstand an die Linsenoberfläche an, so bewegt sich auch das Bild des Gegenstands auf die Linse zu und wird dabei größer; es bleibt jedoch stets kleiner als das Original.
Brennweiten fges
Soll die Brennweite f ges eines Systems mehrerer Linsen hintereinander bestimmt werden, so kann man die Kehrwerte der Brennweiten aller Linsen addieren, um den Kehrwert der Gesamtbrennweite zu erhalten:
1/fges= 1/f1+1/f2+1/f3…
Brechkraft
Die Brechkraft einer Linse wird in Dioptrien dpt angegeben. Eine Dioptrie entspricht der Brechkraft einer Sammellinse, die eine Brennweite von einem Meter hat. Die Brechkraft von Zerstreuungslinsen ist aufgrund der negativen Brennweite immer negativ.
D= 1/f
Linsengleichung
Der Abbildungsmaßstab hat keine Einheit, sondern ist ein reines Zahlenverhältnis. Maßstab > 1 entspricht einer Vergrößerung, Maßstab < 1 entspricht einer Verkleinerung.
1/f=1/b+1/g
Das Auge
Wie man am Verlauf der Lichtstrahlen im Auge erkennen kann, erzeugt die Augenlinse auf der Netzhaut ein umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild.
Die Hornhaut des Auges hat eine Brechkraft von etwa 43 dpt, die Brechkraft der (entspannten) Augenlinse beträgt etwa 15 dtp.
Weitsichtigkeit
Bei der Weitsichtigkeit ist der Augapfel “zu klein”, das von der Augenlinse erzeugte Bild liegt also hinter der Netzhaut. In diesem Fall kann eine geeignete Sammellinse Abhilfe schaffen, welche die Brechkraft des sich ergebenden Linsensystems erhöht bzw. seine Brennweite reduziert.
Kurzsichtigkeit
Bei der Kurzsichtigkeit ist der Augapfel “zu groß”, das von der Augenlinse erzeugte Bild liegt also vor der Netzhaut. In diesem Fall kann eine geeignete Zerstreuungslinse Abhilfe schaffen, welche die Brechkraft des sich ergebenden Linsensystems herabsetzt bzw. seine Brennweite erhöht.
Kleine Sehwinkel
e= Abstands des Gegenstands / Abstand zum Gegenstand
Das Kepler-Fernrohr
besteht im Wesentlichen aus einer großen, schwach gekrümmten Sammellinse als Objektiv und einer verhältnismäßig kleinen, stärker gekrümmten Sammellinse als Okular.
Gewöhnlich betrachtet man mit einem Kepler-Fernrohr sehr weit entfernte Gegenstände, die sich weit außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs befinden. Die Objektivlinse erzeugt in diesem Fall ein verkleinertes, umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild des Gegenstands im Inneren des Teleskops. Dieses wird durch das Okular, das wie eine Lupe wirkt, vergrößert betrachtet.
Das Lichtsmikroskop
Bei einem Lichtmikroskop wird mittels einer starken Lichtquelle, die sich im Sockel des Mikroskops befindet, ein auf einem Mikroskoptisch liegendes Präparat durchleuchtet. Dieser Gegenstand wird durch ein System aus zwei Sammellinsen (Objektiv und Okular) betrachtet.- Das Objektiv erzeugt in diesem Fall ein vergrößertes, umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild des Gegenstands innerhalb des Tubus.
Das Galilei Fernrohr
Ein Galilei-Fernrohr besteht im Wesentlichen aus einer großen, schwach gekrümmten Sammellinse als Objektiv und einer verhältnismäßig kleinen, wesentlich stärker gekrümmten Zerstreuungslinse als Okular. Gewöhnlich betrachtet man mit einem Galilei-Fernrohr sehr weit entfernte Gegenstände, die sich weit außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs befinden.
Physiologische Optik
Als visuelle Wahrnehmung bezeichnet man in der Physiologie die Aufnahme und Verarbeitung von visuellen Reizen, bei der über Auge und Gehirn eine Extraktion relevanter Informationen, Erkennung von Elementen und deren Interpretation durch Abgleich mit Erinnerungen stattfindet. Somit geht die visuelle Wahrnehmung weit über das reine Aufnehmen von Information hinaus
Akkomodation
Anpassung des Auges an unterschiedliche Gegenstandsweiten
Adaption
Anpassung des Auges an unterschiedliche Leuchtdichteniveaus
