Abbildungsfehler
Im Modell der Strahlenoptik geht man zunächst modellhaft davon aus, dass sich an eine sphärischen Sammellinse alle Strahlen exakt in einem Punkt, dem Brennpunkt treffen. Genauere Untersuchungen und Experimente machen jedoch deutlich, dass Abweichungen von diesem einfachen Modell auftreten. Solche Abweichungen bezeichnet man auch als Aberrationen (aus dem Lateinischen von "aberrare" für abschweifen). Dabei unterscheidet man zwei Arten der Aberration: sphärische Aberration und chromatische Aberration.
Sphärische Aberration
Die sphärische Aberration entsteht dadurch, dass parallele Strahlen, die in unterschiedlichem Abstand von der optischen Achse auf eine sphärische Linse treffen, sich nicht ganz exakt in einem Punkt schneiden (Vgl. Abb. 1.1 und Abb. 1.2). Der Abstand zwischen der Linse und dem Schnittpunkt von gebrochenem Strahl und optischer Achse hängt vom Abstand des einfallenden Strahls von der optischen Achse ab. Je weiter der Strahl von der optischen Achse entfernt ist, desto stärker wird er durch die Linse gebrochen und desto näher wandert sein Schnittpunkt an die Linse heran.
Die sphärische Aberration wird als besonders deutlich, wenn du Lichtstrahlen betrachtest oder zeichnest, die weit von der optischen Achse entfernt also nahe am Rand auf die Linse treffen.
In der Praxis wird dieser Effekt besonders bei sphärischen Linsen deutlich, die eine kleine Brennweite besitzen, also bei Linsen, wo der Abstand des Brennpunktes von der Linse klein ist.
Chromatische Aberration
Die chromatische Aberration entsteht dadurch, dass Licht unterschiedlicher Farben (exakter: Licht unterschiedlicher Wellenlängen) von der Linse unterschiedlich stark gebrochen wird. So wird der Strahl eines grünen Lasers von einer Linse etwas stärker gebrochen als der Strahl eines roten Lasers. Daher befindet sich der Brennpunkt \(\rm{F}_{\rm{grün}}\) der Strahlen des grünen Lasers etwas näher an der Linse als der Brennpunkt \(\rm{F}_{\rm{rot}}\) der Strahlen des roten Lasers (vgl. Abb. 2.1 und Abb. 2.2). Auch die chromatische Aberration wird in Versuchen besonders deutlich, wenn die einfallenden Strahlen relativ weit von der optischen Achse entfernt sind.
Lässt du anstelle des einfarbigen Laserlichtes weißes Licht durch die Linse fallen, so spaltet sich dieses Licht in die Spektralfarben auf (siehe Abb. 2.3).
Diese Abhängigkeit der Brechung von der Farbe (der Wellenlänge) nennt man auch Dispersion und dieses Phänomen sorgt unter anderem für das Auftreten von Regenbögen.
Simulation von Strahlengängen mit Algodoo
Sehr anschaulich und physikalisch korrekt kannst du Strahlengänge durch Linsen mithilfe der kostenfreien Simulationssoftware Algodoo simulieren. Hier kannst du auch die sphärische und chromatische Aberration zeigen und verdeutlichen, welchen Einfluss zum Beispiel eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Lichtquelle und optischer Achse auf die Abbildungsfehler hat.