Formelsammlung Optik

Tabelle mit optischen Gerätschaften, 1728 Cyclopaedia

Optik (griech. 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. Zusätzlich wird die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes Optik genannt.

Unter Licht versteht man in der Regel den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen ca. 380 nm bis 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 z. B. 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 wie Röntgenstrahlung (siehe Röntgenoptik) bis hin zu Mikro- und Funkwellen.
Auch Strahlen geladener Teilchen bewegen sich in elektrischen oder magnetischen Feldern oft nach den Gesetzen der Optik (siehe z. B. 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, welche 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 (z. B. an Oberflächen von Linsen oder Prismen). Bei Reflexion an Spiegeln und bei partieller oder 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 die geometrische Optik nicht erklären kann, da bei ihnen die Welleneigenschaft des Lichtes relevant sind. So 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. 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.

Auf die Wellenoptik bauen die Kristalloptik und die Magnetooptik auf!

Oberflächenphänomene

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 bzw. Streuung des restlichen Spektralanteils.

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 optische Sinnesorgan des Menschen ist das Auge. Dieses verarbeitet die Absorption von Licht unterschiedlicher Wellenlänge an den Photorezeptoren zu Aktionspotenzialfolgen der Ganglienzellen der Netzhaut. 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 bzw. Optometrie als der Messung der Sehweite.

Geschichte der Sehhilfen

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 sind in Gotlands Fornsal, dem historischen Museum der Stadt Visby, ausgestellt, andere gingen verloren.

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 tauchen gegen Ende des 11. Jahrhunderts auf Gotland auf und verschwinden 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 ca. 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". 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. Sie stellt eine inhaltliche Verknüpfung der Teilgebiete Optische Messtechnik, Lasertechnik und Technische Optik (einschließlich Mikrooptik, Lichttechnik oder Faseroptik) dar. Im Folgenden sind die wichtigsten Bauelemente, Komponenten und Geräte aufgelistet.

Optische Bauelemente

• Strahlungsquelle
• Linsen
• Fresnel-Zonenplatte
• Filter
• Planplatten
• Wellenplatte
• Spiegel
• Prismen
• Beugungsgitter
• Blenden
• Empfänger: Projektionsfläche, Filmebene, Strahlungsdetektor

Optische Komponenten

• Kondensor
• Fresnellinse
• Doppelprismen
• Ulbrichtkugel

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

Optische Geräte

• Ophthalmometer
• Lupen
• Lesestein
• Brillen
• Fernrohre
• Ferngläser
• Spektive
• Mikroskope
• Spektroskope
• Laser
• Polarimeter
• Stereoskop
• Laserlink
• Polarisator
• Anomaloskop
• Refraktometer
• Lidar
• Tachymeter
• Profilprojektor

Anwendungen und Methoden

• Stereoskopie
• Holographie
• Fotografie

Siehe auch

• Licht, Auge
• Visuelle Wahrnehmung, Optische Täuschung
• Brillouin-Streuung
• Dispersion
• Opazität

Literatur

• Friedrich Wilhelm Barfuss: Populäres Lehrbuch der Optik, Katoptrik und Dioptrik. 2. Auflage. 1860 (Digitalisat)
• Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer : Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, Optik. 10. Auflage, Walter de Gruyter, 2004, ISBN 978-3-11-017081-8.
• Max Born, Emil Wolf: Principles of Optics. 7. Auflage, Cambridge University Press, 1999, ISBN 0-521-64222-1.
• Heinz Haferkorn: Optik. 4. Auflage. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8.
• Eugene Hecht: Optik. 4. Auflage, Verlag Addison Wesley, 2005. ISBN 978-3-486-27359-5.
• Dietrich Kühlke: Optik. 2. Auflage, Verlag Harri Deutsch, 2004, ISBN 3-8171-1741-8.

Weblinks

• Selection of the world's best optical illusions