Geometrische Optik

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Beispiel eines Strahlengangs im Kepler-Fernrohr, der den Ort des Zwischenbildes bei FOB, FOK zeigt.

Die geometrische Optik oder Strahlenoptik bedient sich des Strahlenmodells des Lichtes[1] und behandelt damit auf einfache, rein geometrische Weise den Weg des Lichtes auf Linien.[2]

Einem auf eine Linie begrenzten Lichtstrahl kommt keine physikalische Realität zu,[2] und man kann ihn folglich auch nicht experimentell realisieren.[1] Dennoch lässt sich mit Hilfe der Strahlenoptik die Funktion der optischen Abbildung, die die Hauptaufgabe der technischen Optik ist,[3] oft mit ausreichender Genauigkeit beschreiben.[4]

Beschränkt man die geometrische Optik auf Strahlen, die die optische Achse sehr flach schneiden, liegt die sogenannte paraxiale Optik vor. Dafür lassen sich geschlossene mathematische Ausdrücke für Abbildungsgleichungen finden. Man wendet diese Methode aber hauptsächlich nur dann an, wenn man sich einen schnellen grundsätzlichen Überblick verschaffen will, bevor man umfangreiche Ermittlungen genauer durchführt.[5]

Die geometrische Optik lässt sich mathematisch als Grenzfall der Wellenoptik für verschwindend kleine Wellenlänge des Lichts auffassen. Sie versagt aber auch in diesem Fall, wenn die Verhältnisse für Strahlen mit hoher Energiedichte oder nahe an der Grenze zum Schatten (kein Licht) untersucht werden sollen.[1]

Axiome der geometrischen Optik[Bearbeiten]

Als allgemeinste Grundlage der Strahlenoptik lässt sich das Fermatsche Prinzip ansehen.[6] Es führt auf die beiden ersten der folgenden Axiome.[6]

  • 1. Axiom: In homogenem Material sind die Lichtstrahlen gerade.
  • 2. Axiom: An der Grenze zwischen zwei homogenen isotropen Materialien wird das Licht im Allgemeinen nach dem Reflexionsgesetz reflektiert und nach dem Brechungsgesetz gebrochen.
  • 3. Axiom: Der Strahlengang ist umkehrbar, die Lichtrichtung auf einem Lichtstrahl ist belanglos.
  • 4. Axiom: Die Lichtstrahlen durchkreuzen einander, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Hauptanwendungsgebiet der Strahlenoptik ist die Behandlung der Abbildung durch optische Elemente, Geräte und Systeme, wie Linsen, Brillen, Objektive, Fernrohre und Mikroskope.

Auch das Raytracing-Verfahren in der 3D-Computergrafik beruht auf den Gesetzen der geometrischen Optik.

Die Luftspiegelungen durch eine heiße Luftschicht über sonnenbeschienenem Asphalt und andere Naturphänomene können auch durch Anwendung dieses Prinzips erklärt werden.

Grenzen[Bearbeiten]

Effekte, die von der geometrischen Optik nicht beschrieben werden können, sind unter anderem:

Einige Methoden der geometrischen Optik, insbesondere die Matrizenoptik, übertragen sich jedoch auf das Konzept der Gaußstrahlen, welches die Effekte der Wellenoptik teilweise mit berücksichtigt.

Weiterführendes[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 35.
  2. a b Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 11.
  3. Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 157.
  4. Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 180.
  5. Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 184.
  6. a b Heinz Haferkorn: Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 37.