E1 Lichtausbreitung und grundlegende geometrische Optik

Thema

Licht, das von einem Objekt ausgesendet wird, breitet sich in einem homogenen Medium – einem Medium, dessen optische Eigenschaften an jedem Punkt gleich sind – geradlinig aus. Dieses Modell bezeichnet es als optischen Strahl. Jeder Punkt des Objekts sendet gleichzeitig viele optische Strahlen in verschiedene Richtungen aus. Solange sich diese Strahlen innerhalb desselben homogenen Mediums befinden, breiten sie sich geradlinig aus, ohne abzulenken, unabhängig von der zurückgelegten Strecke.

Ein optischer Strahl verliert seine geradlinige Ausbreitung, sobald er auf eine Grenzfläche trifft: die Grenze zwischen einem homogenen Medium und einem anderen, andersartigen homogenen Medium mit einem anderen Brechungsindex. Der Brechungsindex eines homogenen Mediums beschreibt, wie stark das Licht in diesem Medium im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum abgebremst wird. Je höher der Brechungsindex, desto langsamer breitet sich das Licht darin aus. Der Winkel, unter dem ein optischer Strahl auf eine Grenzfläche trifft, gemessen relativ zur Senkrechten zur Grenzfläche am Auftreffpunkt, wird als Einfallswinkel bezeichnet.

Wenn ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche in ein homogenes Medium mit einem anderen Brechungsindex als dem des Ausgangsmediums trifft, ändert er seine Richtung genau an der Grenzfläche. Diese Richtungsänderung wird als Brechung bezeichnet. Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Ausgangsmediums und des Zielmediums ist, desto stärker ist die Richtungsänderung des Lichtstrahls bei der Brechung. Tritt ein Lichtstrahl in ein Medium mit höherem Brechungsindex ein, wird er zur Senkrechten zur Grenzfläche hin gebrochen; tritt er in ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex ein, wird er von dieser Senkrechten weg gebrochen.

An jeder Grenzfläche wird ein Lichtstrahl nicht vollständig in das neue Medium gebrochen: Ein Teil des Strahls wird zurück in das Ausgangsmedium reflektiert, ohne die Grenzfläche zu durchqueren (Reflexion), während der Rest des Strahls die Grenzfläche durchquert und in das neue Medium gebrochen wird (Transmission). Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindizes zweier homogener Medien an einer Grenzfläche ist, desto größer ist der Anteil des Lichtstrahls, der an dieser Grenzfläche reflektiert wird, und desto kleiner ist der Anteil, der auf die andere Seite durchgelassen wird.

Wenn Licht von einem Objekt mehrere Grenzflächen durchläuft, beispielsweise die von Hornhaut und Linse, bevor es die Netzhaut erreicht, bestimmt die Brechung jedes Lichtstrahls an jeder Grenzfläche gemeinsam, wohin dieser Strahl letztendlich gerichtet ist. Die Kombination aller Lichtstrahlen, die vom selben Punkt des Objekts ausgehen und an jeder Grenzfläche auf dieselbe Weise gebrochen werden, bestimmt, ob diese Lichtstrahlen in einem einzigen Punkt auf der Netzhaut wieder zusammenlaufen. Daher bildet dieses Modell von Lichtstrahlen, Brechung, Reflexion und Transmission die Grundlage für alle nachfolgenden Berechnungen zur Bildentstehung und zur Konstruktion einer Linse, damit das Bild genau dort entsteht, wo es benötigt wird.

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