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 Fourieroptiker von theoretischem und technischem Interesse. Ein interdisziplinär Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre untersucht werden.
Geometrische Optik
In der
geometrischen Optik wird Licht durch idealisierte Strahlen approximiert. 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.
Ein 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
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:
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 Augeen. Dieses verarbeitet die Absorption von Licht unterschiedlicher Wellenlänge an den
Photorezeptor 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 einer 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 el Heitam (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. Im Folgenden sind deshalb nur exemplarisch die wichtigsten Bauelemente, Komponenten und Geräte aufgelistet:
Optische Bauelemente
Optische Komponenten
Passive Elemente
Aktive Elemente
verschiedene Modulatoren und spezielle
Lichtquellen,
optische Detektoren
Optische Geräte
Anwendungen und Methoden
Siehe auch
Weitere Bedeutung
Als
Optik bezeichnet man auch die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes und im
übertragenen Sinne auch das
Aussehen eines Gegenstandes oder eine bestimmte Sichtweise.
Literatur
- Friedrich Wilhelm Barfuss: Populäres Lehrbuch der Optik, Katoptrik und Dioptrik. 2. Auflage. 1860 (Digitalisat
)
- Max Born, Emil Wolf: Principles of Optics. Cambridge University Press, 7. Auflage. 1999, ISBN 0-521-64222-1
- Heinz Haferkorn: Optik. 4. Auflage. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8
- Eugene Hecht: Optics. Verlag Addison Wesley, 2003, ISBN 0-321-18878-0
- Dietrich Kühlke: Optik. Verlag Harri Deutsch, 2. Auflage. 2004, ISBN 3-8171-1741-8
Weblinks
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