Lichtbrechung und Optische Linsen

Brechung des Lichts

Die Brechung des Lichts ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung, wenn Lichtstrahlen eine Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dichte durchqueren.

Die an der Lichtbrechung beteiligten Elemente sind:

• Einfallender Strahl: Der Lichtstrahl, der die Oberfläche im Medium 1 erreicht.
• Gebrochener Strahl: Der Lichtstrahl, der die Oberfläche durchquert und sich im Medium 2 bewegt.
• Normale: Eine gedachte Linie, die senkrecht zur Oberfläche am Einfallspunkt steht.
• Einfallswinkel: Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen.
• Brechungswinkel: Der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Normalen.

Bei der Brechung des Lichts gelten immer die folgenden Bedingungen:

• Wenn Licht von einem optisch dünneren Medium (z.B. Luft) in ein optisch dichteres Medium (z.B. Wasser) übergeht, wird der gebrochene Strahl zur Normalen hin gebrochen.
• Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (z.B. Wasser) in ein optisch dünneres Medium (z.B. Luft) übergeht, wird der gebrochene Strahl von der Normalen weg gebrochen.

Brechungsindex

Der Brechungsindex ist eine physikalische Größe, die das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium zu ihrer Geschwindigkeit im Vakuum (oder näherungsweise in Luft) angibt. Er wird mit dem Buchstaben n dargestellt und berechnet sich aus folgender Gleichung:

Dabei ist n der Brechungsindex, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (ca. 300.000 km/s) und v die Lichtgeschwindigkeit im betreffenden Medium.

Gesetze der Brechung

Snellius' Gesetz

Das Snellius'sche Brechungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen den Einfallswinkeln und Brechungswinkeln an der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes.

Linsen

Linsen sind transparente Körper, die von zwei Flächen begrenzt werden, von denen mindestens eine gekrümmt (meist kugelförmig) sein muss. Sie erzeugen Bilder durch die Brechung des Lichts.

Es gibt zwei Haupttypen von Linsen:

• Sammellinsen (Konvexlinsen): Der zentrale Teil der Linse ist dicker als die Ränder. Sie können bikonvex, plankonvex oder konkav-konvex sein.
• Zerstreuungslinsen (Konkavlinsen): Die Ränder der Linse sind dicker als der zentrale Teil. Sie können bikonkav, plankonkav oder konvex-konkav sein.

Die optischen Elemente einer Linse sind:

• Optisches Zentrum: Dies ist der geometrische Mittelpunkt der Linse.
• Krümmungsmittelpunkte: Die Mittelpunkte der Kugelflächen, die die Linsenoberflächen bilden.
• Optische Achse: Die Linie, die durch die Krümmungsmittelpunkte und das optische Zentrum verläuft.
• Brennpunkt (Fokus): Der Punkt auf der optischen Achse, durch den alle parallel zur optischen Achse einfallenden Strahlen nach der Brechung verlaufen (bei Sammellinsen) oder von dem sie scheinbar ausgehen (bei Zerstreuungslinsen).

Zur Konstruktion von Bildern eines Objekts mit einer Sammellinse werden typischerweise folgende spezielle Strahlen verwendet:

• Ein Strahl, der parallel zur optischen Achse einfällt, wird von der Linse gebrochen und verläuft danach durch den Brennpunkt.
• Ein Strahl, der durch das optische Zentrum verläuft, wird nicht abgelenkt.