Grundlagen der Optik: Reflexion, Spiegel, Linsen & Sehfehler
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Grundlagen der geometrischen Optik
Reflexionsarten
Spiegelnde Reflexion (Specular Reflection)
Tritt auf, wenn Licht in Form von parallel einfallenden Strahlen auf eine ebene und sehr glatte Oberfläche trifft.
Diffuse Reflexion
Tritt auf, wenn die Oberfläche rau ist und das Licht in alle Richtungen gestreut wird.
Das Fermatsche Prinzip
Das Fermatsche Prinzip ist der geometrische Ausdruck des Gesetzes der Reflexion.
Spiegel
Planspiegel
Beim Planspiegel bilden der einfallende und der reflektierte Strahl den gleichen Winkel in Bezug auf die Normale (eine imaginäre Linie senkrecht zur Oberfläche).
Gekrümmte Spiegel
Wenn ein Lichtstrahl einen Punkt der Spiegelkrümmung erreicht, bildet er einen Winkel mit der Normalen (N). Gekrümmte Spiegel sind von zweierlei Art:
Konkave Spiegel
Sie krümmen sich nach innen, konvergieren das Licht und können virtuelle oder reelle, vergrößerte oder verkleinerte Bilder erzeugen.
Konvexe Spiegel
Sie biegen sich nach außen, streuen das Licht und erzeugen nur virtuelle, verkleinerte und aufrechte Bilder. Ihr Gesichtsfeld ist größer als das eines Planspiegels.
Totalreflexion
Tritt auf, wenn der Lichtstrahl nicht in ein Medium mit geringerer optischer Dichte übergeht. Dieses Phänomen wird in der optischen Faser genutzt, um eine Vielzahl von Informationen mittels Licht zu übertragen.
Lichtdispersion: Prismen und Regenbogen
Die Dispersion von weißem Licht ist bekannt, wenn es auf ein dreieckiges Prisma trifft. Der Regenbogen entsteht auf die gleiche Weise, wobei Regentropfen als Prismen wirken und das Sonnenlicht streuen.
Linsen
Sammellinsen (Konvexe Linsen)
Sie zeichnen sich durch eine dickere Mitte und dünnere Ränder aus. Das Licht wird gebrochen, um im Brennpunkt zu konvergieren. Diese Linsen erzeugen reelle und virtuelle, große und kleine, aufrechte oder umgekehrte Bilder.
Zerstreuungslinsen (Konkave Linsen)
Sie zeichnen sich durch eine dünnere Mitte und dickere Ränder aus. Das Licht wird gebrochen, um von einem virtuellen Brennpunkt zu divergieren, wodurch nur kleine, virtuelle Bilder entstehen.
Der Prozess des Sehens (Menschliches Auge)
Der Sehvorgang läuft in folgenden Schritten ab:
- Das Licht eines Objekts erreicht das Auge und tritt durch die Hornhaut ein, die wie eine Sammellinse wirkt.
- Das Licht fällt durch die Pupille, deren Größe durch die Iris reguliert wird.
- Nach dem Passieren der Pupille wird das Licht von der Linse gebrochen.
- Die Lichtstrahlen treffen auf die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut. Diese senden Informationen über den Sehnerv an das Gehirn, wo das Bild erzeugt wird.
Häufige Sehfehler
Myopie (Kurzsichtigkeit)
Sehfehler, verursacht durch eine zu große Länge des Augapfels. Nahe Objekte werden scharf gesehen, ferne Objekte unscharf. Zur Korrektur werden Zerstreuungslinsen (konkave Linsen) verwendet.
Hyperopie (Weitsichtigkeit)
Der Augapfel ist zu kurz. Nahe Objekte werden unscharf gesehen. Zur Korrektur werden Sammellinsen (konvexe Linsen) verwendet, um besser sehen zu können.
Astigmatismus
Die Hornhaut weist an verschiedenen Stellen unterschiedliche Krümmungen auf, was zu unscharfen und verzerrten Bildern führt.