Optik

Tafel mit optischen Gerätschaften, 1728 Cyclopaedia

Optik (griechisch οπτικη – optike – „Lehre vom Sichtbaren“, optiko „zum Sehen gehörig“, zu opsis „das Sehen“) ist ein Bereich der Physik, der sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie, insbesondere im Zusammenhang mit optischen Abbildungen, beschäftigt. Optik wird daher auch als die Lehre vom Licht bezeichnet.

Die „technische Optik“ ist im Sinne einer Definition von Optik als Teilbereich der Physik keine optische, sondern eine technische Disziplin. Zusätzlich wird die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes umgangssprachlich Optik genannt, ohne Wissenschaft zu sein.

Unter Licht versteht man in der Regel den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums im Bereich 380 nm und 780 nm. In der Physik wird als optisches Spektrum häufig auch der Frequenzbereich ab einer Frequenz von 1 THz bis 300 THz definiert. Hierunter fällt also auch das unsichtbare Licht, wie das Infrarotlicht oder das ultraviolette Licht. Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichts. Dies erlaubt eine Übertragung der Erkenntnisse der Optik auf andere Spektralbereiche, zum Beispiel die Röntgenstrahlung (siehe Röntgenoptik) sowie Mikro- und Funkwellen.

Auch Strahlen geladener Teilchen bewegen sich in elektrischen oder magnetischen Feldern oft nach den Gesetzen der Optik (siehe Elektronenoptik).

Teilbereiche der Optik

Man unterscheidet zwei klassische Zugänge zur Lichtausbreitung: Die Wellenoptik und die geometrische Optik. Grundlage der Wellenoptik ist die Wellennatur des Lichts. Die Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik gelten für den Fall, dass die Abmessungen des optischen Systems sehr groß sind gegenüber der Wellenlänge des Lichts. Bei geringen Abmessungen der Komponenten gegenüber der Wellenlänge spricht man von der Mikrooptik.

Eine wichtige Teildisziplin der Optik ist die Quantenoptik, die sich mit den Wechselwirkungen von Licht und Materie beschäftigt. Dabei spielt besonders der gequantelte Charakter des Lichts eine bedeutende Rolle.

Daneben sind die nichtlineare Optik (bei der das Licht im Gegensatz zur linearen Optik das umgebende Medium beeinflusst und dadurch zusätzliche Effekte bewirkt) und die Fourieroptik von theoretischem und technischem Interesse. Ein interdisziplinärer Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre untersucht werden.

Geometrische Optik

→ Hauptartikel: Geometrische Optik

Beispiel eines Strahlengangs anhand des Kepler-Fernrohrs

In der geometrischen Optik wird Licht durch idealisierte Strahlen angenähert. Der Weg des Lichtes, etwa durch ein optisches Instrument, wird durch Verfolgen des Strahlenverlaufs konstruiert. Das snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Brechung des Lichtes an Grenzflächen zwischen transparenten Medien mit verschiedener Brechzahl (an Oberflächen von Linsen oder Prismen). Bei Reflexion an Spiegeln und bei der Totalreflexion gilt die Regel, dass der Einfallswinkel dem Reflexionswinkel gleich ist. Mittels dieser Methode lassen sich Abbildungen, beispielsweise durch Linsen oder Linsensysteme (Mikroskop, Teleskop, Objektiv) und die dabei auftretenden Abbildungsfehler behandeln. Eine wichtige Näherung ist die paraxiale Optik, welche aus einer Linearisierung des Snelliusschen Brechungsgesetzes abgeleitet werden kann, und wichtige Begriffe wie Brennweite und Abbildungsmaßstab definiert.

Wellenoptik

→ Hauptartikel: Wellenoptik

Beugung am Spalt gemäß dem Huygensschen Prinzip

Als Wellenoptik wird der Bereich der Optik bezeichnet, der von der Wellennatur des Lichts handelt. Sie erklärt Phänomene, die durch die geometrische Optik nicht erklärt werden können, da bei ihnen die Welleneigenschaft des Lichtes relevant sind. Beispielsweise ist in der geometrischen Optik im Prinzip eine ideale Abbildung möglich, wohingegen die Wellenoptik zeigt, dass durch Beugungseffekte der Auflösung eine prinzipielle Grenze gesetzt ist; dies ist unter anderem bei fotolithografischen Prozessschritten bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen zu beachten. Wichtige Elemente der Wellenoptik sind:

• Interferenz zwischen einander überlagernden Wellenfronten.
• Beugung, die sich zeigt, wenn Licht sich durch kleine Spalten oder an Kanten entlang ausbreitet (Beugungsintegral).
• Polarisation des Lichts.
• Streuung des Lichts an Partikeln, die in dem Volumen, durch das das Licht fällt, verteilt sind.

Die Wellenoptik kann auch Effekte beschreiben, die von der Wellenlänge des Lichts abhängen; man spricht dabei allgemein von Dispersion. (Beispiel: „Warum ist der Himmel blau?“) Je nach oben genanntem Mechanismus müssen sehr verschiedene Modelle zur Beschreibung genutzt werden, die zu sehr unterschiedlichen Wellenlängenabhängigkeiten führen.

Auf der Wellenoptik bauen die Kristalloptik und die Magnetooptik auf.

Oberflächenphänomene

Lichtbrechung im Prismenspektrometer; Teilreflexion an beiden brechenden Flächen als Nebeneffekt

Die Wechselwirkung von Licht mit wirklichen (d. h. nicht idealisierten) Oberflächen ist für die optische Wahrnehmung des Menschen bedeutsam, ist aber bislang nur unvollständig verstanden. Bedeutsam ist die Remission, also die Absorption eines Teil des Lichts sowie die Reflexion, Transmission beziehungsweise Streuung des restlichen Spektralanteils. Reflexion und Transmission lassen sich durch die Brechung des Lichts an den Grenzflächen beschreiben. Wiederum ist eine Wellenlängenabhängigkeit der meisten Mechanismen zu beachten, also deren Dispersion.

Manche Oberflächen, wie etwa die menschliche Haut, sind in den obersten Hautschichten teilweise transparent, so dass optisch keine reflektierende Fläche, sondern eine reflektierende Schicht vorliegt. Eine abstrakte Beschreibung der optischen Vorgänge an derartigen Oberflächen ist kompliziert, und einer der Gründe, dass computergenerierte Bilder künstlich wirken können.

Das menschliche Auge

Das Auge ist das optische Sinnesorgan des Menschen, es wertet den Reiz von Licht unterschiedlicher Wellenlänge an den Photorezeptoren zu Aktionspotentialfolgen der Ganglienzellen der Netzhaut aus. Die physiologische Optik befasst sich mit der Optik und dem Aufbau des Auges. In der Medizin spricht man bei der das Auge betreffenden Medizin von der Augenoptik oder Optometrie als der Messung der Sehweite. Der Vorgang des Sehens lässt sich mithilfe der Optik nur teilweise erklären. Das Gehirn spielt dabei eine große Rolle, denn es verarbeitet Informationen erst zu dem, was wir als Sehen bezeichnen. Dieser Teil fällt aber der Biologie zu. Alle durchsichtigen Teile des Auges wirken zusammen wie eine einzige Sammellinse und entwerfen ein stark verkleinertes, verkehrtes, wirkliches Bild.

Geschichte der Sehhilfen

Französische Scherenbrille im Empire-Stil um 1805

Mit der Entstehungsgeschichte von Sehhilfen sind Linsen verbunden, die auf Gotland gefunden wurden. Die auf der Insel gefundenen bikonvexen, teilweise gefassten Bergkristall-Linsen gehören zu Wikingerschätzen des 11. oder 12. Jahrhunderts. Einige der in Fröjel gefundenen so genannten Visby-Linsen sind in Gotlands Fornsal, dem historischen Museum der Stadt Visby, ausgestellt.

Bei den gefassten Exemplaren besteht die Chance, dass die Fassung auf Gotland gefertigt wurde, während der geschliffene Kristall importiert wurde. M. Stenberger hält zumindest eine Fassung für gotländische Goldschmiedekunst. Die Verarbeitung von Bergkristall war bereits im 11. Jahrhundert weit verbreitet. Die Herkunft der gotländischen Linsen war aber trotz genauer Analyse nicht zu ermitteln. Die Handelsbeziehungen der schwedischen Wikinger konzentrierten sich auf den Handel mit dem Südosten Europas und Kleinasiens. Nach Meinung von M. Stenberger wurden die Linsen aus dem Orient in den Pontischen Raum gebracht, wo sie mit Silberfassungen versehen wurden. Von dort könnten sie von Mitgliedern der Waräger-Garde aus Byzanz nach Gotland verbracht worden sein. Bergkristalle tauchten gegen Ende des 11. Jahrhunderts auf Gotland auf und verschwanden schnell wieder.

Einige Visby-Linsen haben optische Eigenschaften, die besser sind als die späterer sphärischer Lesesteine. Die Abbildungsqualität ist teilweise so gut, dass sich die vor rund 1000 Jahren gefertigten Linsen mit heutigen Linsen messen können.

Der arabische Gelehrte Ibn Al-Haitham (996–1038) schrieb über das Sehen, die Refraktion und die Reflexion in seinem Buch „Schatz der Optik“.^[1][2] Um 1240 wurde das Buch ins Lateinische übersetzt. Genial war seine Überlegung, das Auge mit geschliffenen Linsen zu unterstützen. Europäische Mönche griffen diesen Gedanken auf und fertigten später als im Orient halbkugelige Plankonvexlinsen für Sehhilfen.

Technische Optik

Das Design, die Auslegung und die Fertigung optischer Systeme wird als Technische Optik bezeichnet und zählt im Unterschied zur physikalischen Optik zu den Ingenieurwissenschaften, da hier die konkrete Konstruktion und Herstellung optischer Geräte sowie die Konzeption spezifischer Strahlengänge im Vordergrund stehen. Bedeutende Vertreter dieser Fachrichtung waren unter anderen Johannes Kepler, Joseph von Fraunhofer und Ernst Abbe. Die heutige gewerbliche Berufsbezeichnung ist Feinoptiker.

Sie stellt eine inhaltliche Verknüpfung der Teilgebiete Optische Messtechnik, Lasertechnik und theoretische Optik (einschließlich Mikrooptik, Lichttechnik oder Faseroptik) dar. Im Folgenden sind die wichtigsten Bauelemente, Komponenten und Geräte aufgelistet.

Optische Bauelemente

• Strahlungsquelle
• Linse
• Fresnel-Zonenplatte
• Filter
• Planplatten
• Wellenplatte
• Spiegel
• Prisma
• Beugungsgitter
• Blende
• Empfänger: Projektionsfläche, Filmebene, Strahlungsdetektor

Optische Komponenten

• Kondensor
• Objektiv
• Fresnel-Linse
• Doppelprisma
• Ulbricht-Kugel

Sowie verschiedene aktive Komponenten: Modulatoren, spezielle Lichtquellen und optische Detektoren.

Optische Geräte

• Ophthalmometer
• Lupe
• Lesestein
• Brillen
• Fernrohr
• Fernglas
• Spektiv
• Mikroskop
• Spektroskop
• Laser
• Polarimeter
• Stereoskop
• Laserlink
• Polarisator
• Anomaloskop
• Kamera
• Refraktometer
• Lidar
• Tachymeter
• Teleskop

Anwendungen und Methoden

• Projektion
• Stereoskopie
• Holographie
• Fotografie

Bekannte Optiker

Ernst Abbe Alhazen Laurent Cassegrain John Dollond Peter Dollond Benjamin Franklin Joseph von Fraunhofer Hans-Joachim Haase Hans Lipperhey Zacharias Janssen Christiaan Huygens

Johannes Kepler Antoni van Leeuwenhoek Dmitri Dmitrijewitsch Maksutow Isaac Newton Josef Maximilian Petzval Hermann Pistor Carl Pulfrich Christoph Scheiner Bernhard Schmidt Ludwig Seidel August Sonnefeld

Siehe auch

• Visuelle Wahrnehmung, Optische Täuschung
• Brillouin-Streuung
• Opazität
• Tarnkappe

Literatur

• Friedrich Wilhelm Barfuß: Populäres Lehrbuch der Optik, Katoptrik und Dioptrik. 2. Auflage. 1860 (Digitalisat in der Google Buchsuche).
• Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Optik. 10. Auflage. De Gruyter, Berlin 2004, ISBN 3-11-017081-7 (Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 3).
• Max Born, Emil Wolf: Principles of Optics. 7. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-64222-1.
• Heinz Haferkorn: Optik. 4. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8.
• Eugene Hecht: Optik. 4. Auflage. Oldenbourg, München 2005, ISBN 3-486-27359-0.
• Dietrich Kühlke: Optik. 2. Auflage. Deutsch, Frankfurt am Main 2004, ISBN 3-8171-1741-8.

Weblinks

 Wikibooks: Optik – Lern- und Lehrmaterialien

 Wiktionary: Optik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikibooks: Formelsammlung Optik – Lern- und Lehrmaterialien

 Commons: Optik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

1. ↑ Abu-'Ali Al-Hasan Ibn Al-Haytham: Kitab-al-Manazir. (deutsch: „Schatz der Optik“).
2. ↑ Ian P. Howard: Basic Mechanisms. Porteous, Toronto 2002, ISBN 0-9730873-0-7, S. 16 ff. (Seeing in Depth. Band 1).