Partielle Reflexion

Teilweise Reflexion und Transmission einer eindimensionalen Welle an einer Grenzfläche. Der Anteil der reflektierten und transmittierten Intensität einer elektromagnetischen Welle lässt sich mit den fresnelschen Formeln berechnen

Strahlung trifft auf eine Grenzfläche zweier Medien

Unter partieller Reflexion versteht man in der Optik den Effekt, dass das auf eine Grenzfläche zwischen Medien verschiedener Brechzahl auftreffende Licht teilweise reflektiert wird. Der übrige Anteil des Lichtes tritt normalerweise gebrochen, also unter Richtungsänderung, in das andere Medium über. Die partielle Reflexion tritt z. B. an Wasseroberflächen oder optischen Linsen auf, und sie bewirkt, dass man sich in einer Fensterscheibe spiegeln kann.

Partielle Reflexion kann auch bei anderen Wellenarten auftreten, wie etwa bei Schallwellen, die auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien auftreffen. Voraussetzung ist stets, dass sich die Phasengeschwindigkeit der Welle ändert.

Elektromagnetische Welle

Wenn ein Lichtstrahl auf eine Fläche auftrifft, gilt nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz für den Winkel γ des gebrochenen Strahls

$\sin(\gamma) = \frac{n_1}{n_2} \sin(\alpha).$

Dabei ist α der Winkel des einfallenden Strahls(gegen die Normale gemessen). n₁ und n₂ sind die Brechzahlen der Medien vor und nach der Fläche.

Wenn der rechte Term kleiner als 1 ist, tritt partielle Reflexion auf: Der Strahl wird teils gebrochen und teils reflektiert (Bild). Wenn hingegen der rechte Term größer als 1 ist, gibt es für γ keine Lösung, und es tritt Totalreflexion auf. Für den total oder partiell reflektierten Strahl gilt immer das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel (α = β).

Die Quantität von gebrochenem und reflektiertem Licht kann aus den fresnelschen Formeln abgeleitet werden. Sie ist für den senkrecht und den parallel zur Einfallsebene polarisierten Lichtanteil unterschiedlich. Die Einfallsebene enthält den einfallenden Strahl und die Normale auf die Fläche im Auftreffpunkt. R_s sei der Reflexionsgrad für das senkrecht zur Einfallsebene und R_p für das parallel zur Einfallsebene polarisierte Licht.

Im Fall einer scharfen Grenzfläche zwischen homogenen, nicht absorbierenden Medien gilt für die Reflexionsgrade (reflektierter Anteil der Strahlungsintensität):

$R_s = \left[\frac{\sin (\alpha - \gamma)}{\sin (\alpha + \gamma)} \right]^2=\left[\frac{n_1\cos\alpha-n_2\cos\gamma}{n_1\cos\alpha+n_2\cos\gamma}\right]^2,$

$R_p = \left[ \frac{\tan (\alpha - \gamma)}{\tan (\alpha + \gamma)} \right]^2=\left[\frac{n_2\cos\alpha-n_1\cos\gamma}{n_2\cos\alpha+n_1\cos\gamma}\right]^2.$

In dem Sonderfall $\alpha + \gamma = 90^\circ$ wird der parallel zur Einfallsebene polarisierte Lichtanteil überhaupt nicht reflektiert, sondern vollständig gebrochen (Brewster-Winkel). Dieser Effekt ermöglicht es zum Beispiel, Laserlicht ohne Reflexionsverlust durch ein Fenster hindurchtreten zu lassen.

Für unpolarisiertes Licht beträgt der gesamte Reflexionsgrad

$R = \frac{R_s + R_p}{2}.$

Das reflektierte und das gebrochene Licht sind dann bei $\alpha \ne 0$ teilweise polarisiert, da die Polarisationsanteile verschieden stark reflektiert werden. Deshalb kann man mit einem Polarisationsfilter in der Fotografie die Auswirkung der Reflexion auf das Bild steuern. Je nach Orientierung des Filters wird das reflektierte Licht stärker oder schwächer ausgefiltert als das unpolarisierte Licht. Die Reflexe werden im Bild also entweder abgeschwächt oder verstärkt.

Bei senkrechtem Lichteinfall (α = γ = 0) beträgt der Reflexionsgrad unabhängig von der Polarisation

$R=\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)^2.$

Bei optischen Systemen wie Fotoobjektiven ist die partielle Reflexion an den Linsenoberflächen in der Regel unerwünscht. Sie führt zu einem Lichtverlust, und nach zweimaliger Reflexion geht das Licht wieder in der ursprünglichen Richtung aus dem System, und es kann störende Lichtflecke auf dem Bild erzeugen; siehe Abbildungsfehler: Falschlicht. Durch Vergüten der Flächen kann man die partielle Reflexion jedoch stark reduzieren.

Siehe auch

• Reflexion (Physik)
• Zeitbereichsreflektometrie#Störquellenortung