Optische Linsen

Optik

Optische Linsen

  • Was sind Sammellinsen …
  • … und was Zerstreuungslinsen?
  • Wie erzeugen Linsen eigentlich Bilder?
  • Was sind virtuelle …
  • … und was reelle Bilder?

Die Evolution des Auges

Im Tierreich gibt es die verschiedensten Augentypen. Manche davon sind sehr hochentwickelt, andere auf einem sehr niederen Stadium. Im Folgenden werden einige Beispiele dieser Sinnesorgane dargestellt, die entsprechend ihrem Bau sehr unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen können. Das hochentwickelte Auge der Wirbeltiere scheint eine sinnvolle Entwicklung aus den "niederen" Vorstufen zu sein.

Hell-Dunkel-Wahrnehmung mit Lichtsinneszellen

Regenwurm

Viele wirbellose Tiere sind nur zu einer Hell-Dunkel-Wahrnehmung in der Lage. So hat z.B. der Regenwurm in die Haut eingelagerte Lichtsinneszellen, mit denen er feststellen kann, ob er dem Licht ausgesetzt ist.

Man könnte nun meinen, dass der Regenwurm, der sich im Normalfall in der Erde befindet, überhaupt nichts sehen muss. Wenn seine Lichtsinneszellen aber reagieren, so ist das für ihn das Zeichen, dass er sich im Tageslicht befindet und die Gefahr besteht, dass er von Vögeln gefressen wird. Der Lichtsinn des Regenwurms ist in etwa vergleichbar mit dem menschlichen Wärmesinn.

Hell-Dunkel-Wahrnehmung mit Lichtsinneszellen am Beispiel des Lichtsinns des Regenwurms

Grubenauge

Napfschnecke

Bei höher entwickelten Tieren finden sich die lichtempfindlichen Zellen konzentriert an bestimmten Flecken zusammen. Dadurch erhöhte sich die Lichtempfindlichkeit. Zum besseren Schutz zogen sich diese Flecken im Laufe der Entwicklungsgeschichte in Gruben zurück. Die Napfschnecken sind z.B. mit solchen Sehgruben ausgestattet. Durch die Anordnung der Sinneszellen werden diese nur durch Licht aus bestimmten Richtungen erregt (vgl. Animation). Auf diese Weise wird für die Tiere neben dem Hell-Dunkel-Sehen ein Richtungssehen möglich.

Da beim Grubenauge (Napfauge) ein Gegenstandspunkt nicht wieder auf einen Punkt auf der lichtempfindlichen Schicht abgebildet wird, entsteht hier kein Bildeindruck.

Aufbau und Funktionsweise eines Grubenauges am Beispiel des Auges einer Napfschnecke

Lochauge

Nautilus

Bei einem tintenfisch­ähnlichen Tier, dem Nautilus, sind die Sehgruben fast zugewachsen. Dadurch zeichnet sich das Bild der Außenwelt auf dem Grubenboden ab wie bei einer einfachen Lochkamera.

Ist das Loch groß, so ist das Bild hell aber unscharf. Ist das Loch klein, so ist das Bild scharf aber dunkel.

Neben dem Hell-Dunkel- und Richtungssehen gestattet das Lochauge eine - wenn auch nicht optimale - Abbildung des Gegenstandes.

Aufbau und Funktionsweise eines Lochauges am Beispiel des Auges eines Nautilus

Linsenauge

Schnitt durch das Auge einer Weinbergschnecke

Das Lochauge entwirft vom Gegenstand nur ein scharfes Bild, wenn das Loch sehr klein ist. Damit sinkt aber die Bildhelligkeit. Man erkauft sich also die Schärfe mit einem Verlust an Helligkeit. Hier kam die Natur im Laufe der Entwicklung auf einen Trick: Wahrscheinlich entstand aus der im Hohlraum des Lochauges befindlichen Flüssigkeit aus Flüssigkeitsverdickungen die Augenlinse.

Trotz großer Öffnung ist mit der Linse eine Abbildung des Gegenstandes möglich, d.h. man erreicht gleichzeitig Schärfe und Helligkeit.

Aufbau und Funktionsweise eines Linsenauges am Beispiel des Auges einer Weinbergschnecke
Weinbergschnecke

Die Weinbergschnecke besitzt z.B. ein solches Linsenauge.

Mögliche Evolution des Auges von einer flachen lichtempfindlichen Schicht hin zum Linsenauge

Evolution

Es gibt eine Theorie (Nilsson, Pelger, 1994), die besagt, dass das Linsenauge durch die Evolution aus einer flachen lichtempfindlichen Schicht hervorgegangen ist.

Die anfängliche flache Struktur besteht aus einer lichtempfindlichen Schicht (grün), die sich über einer Pigmentschicht (dunkelblau) befindet. Die lichtempfindliche Schicht wird durch eine transparente Abdeckung (gelb) geschützt. In der nebenstehenden Animation ist - extrem vereinfacht - der Übergang zum Linsenauge dargestellt.

Bei den meisten Tiergruppen ist die Entwicklung des Auges mit dem einfachen Linsenauge abgeschlossen. Nur die Tintenfische und Wirbeltiere haben in ihrer Entwicklung noch weitere Verbesserungen erfahren:

Das Scharfstellen auf verschieden entfernte Gegenstände (Akkomodation) erfolgt bei den Säugetieren durch die Variation der Linsenkrümmung (Veränderung der Brennweite), während der Abstand zwischen Linse und lichtempfindlicher Schicht gleich bleibt. Fische schaffen das Scharfstellen durch ein Vor- und Zurückschieben der Augenlinse, wobei die Linsenkrümmung nicht verändert wird.

Das Anpassen an verschiedene Helligkeiten (Adaption) erfolgt durch eine Blende, die sich entsprechend der herrschenden Helligkeit weitet oder verengt.

Fernrohr-Geschichte

Die gegenseitige Befruchtung von Technik und Physik wird am Beispiel der Teleskope besonders deutlich. Die technischen Fortschritte bei der Herstellung von reinen, schlierenfreien Gläsern und die hochausgebildete Kunst der Glasbearbeitung (Schleifen, Polieren usw.) machten den Bau zunehmend leistungsfähiger Linsensysteme möglich. Der Blick durch das Fernrohr führte und führt die Wissenschaftler zu immer neuen Ansichten über den Aufbau unserer Welt.

Aus physikalischer Sicht sollen zwei wesentliche Eigenschaften aller Fernrohre hier vorweg herausgestellt werden:

  • Vergrößerung: Durch geeignete Linsensysteme wird der Winkel unter dem wir das zu beobachtende Objekt wahrnehmen vergrößert.
  • Empfindlichkeitssteigerung: Der Durchmesser der Linse, in die das Licht eintritt (Objektiv) ist größer als die Eintrittsöffnung unseres Auges. Dadurch wird mehr Licht vom Objekt aufgenommen. Das Fernrohr erhöht also die Empfindlichkeit des Nachweises.
     

Das holländische oder galileiische Fernrohr

Die ersten Hinweise auf Mikroskope und Fernrohre stammen aus den Niederlanden (ca. 1600 n. Chr.). Dem Mikroskop wurde anfangs wenig Bedeutung zugemessen, während der Nutzen des Fernrohres für Seefahrt und Astronomie schnell erkannt wurde.
Im Jahre 1609 baute Galilei in Padua ein holländisches Fernrohr nach und machte eine Reihe astronomischer Beobachtungen, welche nahelegten, dass nicht die Erde sondern die Sonne im Zentrum unseres Systems steht. Diese neue Vorstellung des Aufbaues unserer Welt wurde vorher schon von anderen Gelehrten (z. B. Kopernikus) postuliert, Galilei lieferte jedoch mit seinen Beobachtungen ganz handfeste Hinweise.

Galileis Fernrohr bestand aus einem Objektiv (plankonvexe Linse) mit ca. 900 mm Brennweite, das Okular war plankonkav und hatte eine Brennweite von ca. -50 mm. Die Vergrößerung des Fernrohres war also in einem Bereich von 15-20. Die von Galilei verwendeten Linsen hatten noch zahlreiche Lufteinschlüsse und waren nicht optimal geschliffen. Diese Nachteile konnten mit der Zeit verbessert werden. Ein grundsätzliches Problem des holländischen Fernrohres blieb jedoch bestehen: Das Gesichtsfeld dieses Fernrohrtyps ist relativ klein. So sah Galilei bei seinen Beobachtungen des Vollmondes nur ca. ein Viertel der vollen Scheibe.

Galileo GALILEI (1564 - 1642)
von Justus Sustermans [Public domain], via Wikimedia Commons

Das keplersche oder astronomische Fernrohr

Ein seinem Werk "Dioptrice" zeigte Kepler (1611), dass ein Fernrohr auch durch die Kombination zweier Sammellinsen aufzubauen ist (langbrennweitiges Objektiv; kurzbrennweitiges Okular). Die Kepler-Rohre haben gegenüber den Galilei-Rohren den Nachteil, dass die Bilder auf dem Kopf stehen (kein Nachteil in der Astronomie) und ihre Baulänge größer ist. Als Vorteile kann man die höhere Bildhelligkeit und das größere Gesichtsfeld nennen.

Johannes KEPLER (1571 - 1630)
unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Da die Vergrößerung der Fernrohre mit der Objektivbrennweite steigt, versuchte man durch den Bau immer längerer Rohre Vorteile zu gewinnen. Um 1670 konstruierte Johannes Hevelius ein über 40m langes Rohr. In der Praxis hat es sich jedoch nicht sonderlich bewährt, da schon der leiseste Windstoß die Justierung veränderte.

Das Spiegelteleskop von Newton

Die Linsenfernrohre (man nennt sie auch Refraktoren) dieser Zeit hatten allesamt den Nachteil, dass das Bild eines Sterns stets von farbigen Kreisringen umgeben war. Newton erkannte dass dies von der unterschiedliche Brechung des verschiedenfarbigen Lichtes des Sterns in der Glaslinse verursacht wird. Bei der Reflexion an Spiegeln verhält sich verschiedenfarbiges Licht allerdings gleichartig. Daher ersetzte Newton (1672) die Konvexlinse des Objektivs durch einen Wölbspiegel, an dem ähnliche Abbildungsgleichungen gelten wie an der Linse. Newtons Spiegel hatte einen Durchmesser von ca. 40mm und war noch nicht perfekt geformt, aber die Farbfehler waren stark reduziert und die Baulänge des Teleskops deutlich geringer als die eines Kepler-Rohres.

Isaac NEWTON (1643 - 1727)
von Sir Godfrey Kneller [Public domain], via Wikimedia Commons

 

Im Jahre 1871 gelang Herschel mit einem Spiegel-Teleskop (Spiegeldurchmesser ca. 160 mm) die Entdeckung des Planeten Uranus.

Nebenstehendes Bild stammt vom Deutschen Museum in München.

Qualität und Größe wächst

Durch die Forschungen und technischen Entwicklungen des Joseph Fraunhofer aus München konnten einige Nachteile von Refraktoren beseitigt werden. Durch Linsenkombinationen aus verschiedenen Glassorten und ausgeklügelter Schleiftechnik gelang es die bisher störenden Farbfehler stark zu reduzieren. Mit einem auf Fraunhofer zurückgehenden Fernrohr konnte 1846 der Planet Neptun entdeckt werden.

Nebenstehendes Bild stammt vom Deutschen Museum in München.

Aber auch an der Entwicklung großer Spiegel wurde weiter fieberhaft gearbeitet. Eines der größten Spiegelteleskope wurde 1949 auf den Mt. Palomar in den USA eingerichtet. Der Durchmesser des Spiegels beträgt etwa 5000 mm. Mit ihm konnten Objekte im Universum registriert werden, die ca. 10 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Die Empfindlichkeit dieses Teleskops ist so hoch, dass es Objekte nachweisen kann, die so schwach strahlen, wie eine Kerzenflamme in 5000 km Entfernung.
Um Empfangsstörungen durch erwärmte oder verschmutzte Luft zu vermeiden, aber auch um fern von irdischen Lichtquellen zu sein (deren Licht stört bei der Beobachtung), baut man die großen Teleskope meist in größeren Höhen auf.

Im Jahre 1990 transportierte ein Space-Shuttle das Hubble-Space-Teleskop mit einem Spiegel von 2400 mm Durchmesser in eine Erdumlaufbahn. Mit diesem Weltraumteleskop konnten bisher noch nicht gekannte Galaxien entdeckt werden.

Trotz der großen Erfolge der Weltraumteleskope liegt ein großer Forschungsschwerpunkt in der Entwicklung von sehr großen und untereinander vernetzten Teleskopen auf der Erde.
Von der europäischen Südsternwarte ESO in Garching bei München wurde das "Very Large Telescope" entwickelt. Es besteht aus vier Spiegeln von fast je 10000 mm Durchmesser. Die Spiegel lassen sich untereinander elektronisch koppeln, so dass hiermit ein Riesenteleskop entsteht, mit dem man wiederum völlig neue Ansichten über die Entstehungsgeschichte unseres Alls erlangen wird.

Die ESO plant für ca. 2015 den Bau eines "Überwältigend großen Teleskops". Es soll einen Spiegeldurchmesser von hundert Metern haben und fast die Ausmaße der Cheops-Pyramide erreichen. Mit ihm sollen extrem lichtschwache Objekte gesehen werden können, die kurz nach dem "Urknall" entstanden sind.

Mit den ersten Fernrohren gelang es, das heliozentrische Weltbild zu festigen. Mit den heutigen Teleskopen, die nicht nur im sichtbaren Bereich arbeiten, stößt man an die Grenzen des Alls vor.

GALILEI's Beobachtungen mit dem Fernrohr

Hier haben wir die wichtigsten Beobachtungen von Galileo GALILEI aufgelistet, die das geozentrische Weltsystem (Erde im Zentrum) des Aristoteles (384-322 v. Chr.) und Ptolemaios (100-160 n. Chr.) ins Wanken brachten und das heliozentrische Weltsystem (Sonne im Zentrum) des Kopernikus (1473-1543 n. Chr.) förderten.

Mondkrater

Abbildung 1: Mond; von Gregory H. Revera (Eigenes Werk) [CC-BY-SA-3.0 oder GFDL], via Wikimedia Commons

GALILEI sah durch sein Fernrohr auf dem Erdmond Krater und die Schatten von Bergen, ähnliche Beobachtungen wie man sie auf der Erde machen konnte. Die "Einzigartigkeit" der Erde bekam massive Kratzer.

Sonnenflecken

Abbildung 2: Sonnenflecken

GALILEI beobachtete dunkle Flecken auf der Sonne, die in Bewegung waren. Dies deutete auf eine Rotation der Sonne hin und ließ die von Kopernikus vorhergesagte Erdrotation nicht mehr so außergewöhnlich erscheinen.

Jupitermonde

Abbildung 3: Jupitermonde

GALILEI konnte durch sein Fernrohr die vier hellsten Jupitermonde auf ihrer Bahn um den Jupiter beobachten. Es lag nun der Schluss nahe, dass entsprechend der Erdmond die Erde umkreist. Dies war im Widerspruch zum Weltsystem des Ptolemaios.

Phasen der Venus

Abbildung 4: Phasen der Venus

GALILEI konnte zeigen, dass die Venus ähnlich wie unser Mond ausgeprägte Phasen aufweist. Im System des Ptolemaios wäre die Beleuchtung der Venus nur so denkbar, wie sie im linken Bild dargestellt ist.

Mikroskop-Geschichte

Die ersten Mikroskope tauchten - wie schon die ersten Fernrohre - im 17. Jahrhundert in Holland auf, wo die Glasschleiferkunst in Blüte stand. Oft wird Antoni van LEEUWENHOEK (1632 - 1723) als Erfinder des Mikroskops bezeichnet. Wahrscheinlich gab es schon vor ihm einfache Mikroskope, jedoch hat er den Bau der einlinsigen Mikroskope perfektioniert (eigentlich waren diese Mikroskope extreme Lupen) und vor allem hat er mit Hilfe seiner über 400 Mikroskope wichtige Entdeckungen gemacht.
Leeuwenhoek (Bild links) gelang es, Linsen zu schleifen deren Brennweite im Bereich von 1 mm lag, so dass deren Vergrößerung einen Wert von ca. 200 hatte. Außerdem stattete er seine Apparate mit einer Feinmechanik aus, die das Scharfstellen auf die Probe und die richtige Positionierung der Probe gestatteten (Bild Mitte). Das rechte Bild zeigt, wie ein solch frühes Mikroskop benutzt wurde.

Antoni van LEEUWENHOEK
(1632 - 1723)
von Jan Verkolje (I) [Public domain], via Wikimedia Commons

In seinem Zahnbelag fand Leeuwenhoek als erster Bakterien, die er in der nebenstehenden Skizze darstellte. Die Bedeutung der Bakterien für die Menschheit konnte zu dieser Zeit noch nicht erahnt werden. Das Mikroskop stellte aber im Laufe der Zeit ein wichtiges Instrument bei der Entdeckung von Krankheitserregern dar.
Leeuwenhoek entdeckte den peripheren Blutkreislauf in den feinen Kapillaren und konnte damit die Verbindung des arteriellen mit dem venösen Blutkreislauf erklären, ein bis dahin ungelöstes Problem der Mediziner.
Leeuwenhoeks spektakulärste wissenschaftliche Tat aber war die Entdeckung der menschlichen Spermatozoen und der geschlechtlichen Fortpflanzung aller Lebewesen. Akribisch beobachtete er, neben dem vieler anderer Tiere, das sexuelle Verhalten der Flöhe und die Entwicklungsschritte vom befruchteten Ei bis zum fertig entwickelten Floh. Dabei scheute er sich nicht, diese Forschungsobjekte in seiner Hosentasche mit sich herum zu tragen und mit dem eigenen Blut zu ernähren.
(aus: Deutsches Museum, München: Aufbruch in die Mikrowelt)

 

Der Verkleinerung der Brennweite einer Linse sind Grenzen gesetzt. Die Linse würde zu dick und damit die Abbildungsfehler zu groß. Schon zur Zeit Leeuwenhoeks versuchte man daher mit Hilfe zweier Linsen die Vergrößerung zu steigern. Der englische Physiker Robert Hooke (1635 - 1703) berichtet in seiner berühmten Schrift Micrographia über eine zweilinsiges Mikroskop das den heutigen schon sehr ähnelte, aber bei dem die Scharfstellung noch große Probleme bereitete. Das hooksche Mikroskop war sehr lichtschwach. Zur Beleuchtung seiner Präparate benutzte Hooke daher eine Öllampe, deren Licht er mit einer als Linse wirkenden, wassergefüllten Glaskugel konzentrierte. Hooke untersuchte mit seinem Mikroskop auch einen Flaschenkork (rechtes Bild). Er stellte als erster fest, dass pflanzliches Gewebe aus Zellen besteht und legte damit die Grundlage für die Zellenlehre (Cytologie).

In den folgenden Jahrhunderten wurde die optische und mechanische Qualität der Lichtmikroskope ständig verbessert. Sie stellen heute in vielen Bereichen der Wissenschaft ein unverzichtbares Handwerkszeug dar.
Der Vergrößerung mit Licht sind jedoch physikalische Grenzen gesetzt (trennbar sind noch Entfernungen im Bereich der Wellenlänge des Lichts, also ca. 600nm). In jüngster Zeit benutzt man sogenannte Elektronenmikroskope um noch höhere Vergrößerungen zu erzielen. Durch völlig neuartige Techniken (Raster-Tunnel-Mikroskop) gelingt es inzwischen schon Atome darzustellen.

Wenn du an einer genaueren Darstellung der geschichtlichen Entwicklung des Mikroskops interessiert bist, dann informiere dich unter der folgenden Seite (sie enthält nicht nur Informationen zum Lichtmikroskop, sondern auch über elektronische Weitereintwicklungen, die weit über die Inhalte der Klassenstufe hinaus gehen): http://www.amuseum.de/mikroskopie/mikroskopvortrag4.htm

Diaprojektor

Ein Diaprojektor ist ein optisch-mechanisches Gerät, mit dem gerahmte Dias mit Licht auf eine Bildwand projiziert werden, und damit ein spezieller Projektor. Er besteht im Wesentlichen aus dem Beleuchtungssystem mit der Lichtquelle, dem Abbildungssystem mit dem Objektiv und der Diahalterung mit dem Wechselsystem.

In Abb. 1 befindet sich das Dia dicht vor der Brennebene des Objektivs. Es wird von einer Halogenlampe beleuchtet. Mit Hilfe des Hohlspiegels wird auch das rückwärtig abgestrahlte Licht für die Beleuchtung des Dias ausgenutzt. Das Objektiv (meist eine Linsenkombination; hier eine sogenannter Achromat, der aus einer Sammellinse und einer geeigneten Zerstreuungslinse besteht) bildet den Mittelteil des Dias (z.B. Punkt A) scharf auf die Leinwand ab (rotes Bündel).

Das vom Rand des Dias ausgehende Licht (z.B. von Punkt B) trifft nicht mehr in das Objektiv (blaues Bündel). Somit wird keine vollständige Abbildung des Dias erreicht.

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Abb.
1
Aufbau und Funktionsweise eines Diaprojektors ohne Kondensor

Das obige Problem wird durch den sogenannten Kondensor, eine dicke, große Sammellinse behoben (vgl. Abb. 2). Der Kondensor wird so angeordnet, dass durch ihn das Dia gut ausgeleuchtet ist und das gesamte vom Dia ausgehende Licht ins Objektiv trifft. Auf diese Weise entsteht ein vollständiges, höhen- und seitenverkehrtes, vergrößertes Bild vom Original auf der Leinwand.

Je nach Entfernung der Leinwand muss die Entfernung Dia-Objektiv verändert werden. Dazu wird das Objektiv in der Schraubfassung gedreht. Meist ist zwischen Lampe und Dia noch ein Wärmeschutzfilter (in Abb. 2 nicht gezeichnet) angebracht, das eine zu starke Erwärmung und damit Wölbung des Dias verhindert.

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Abb.
2
Aufbau und Funktionsweise eines Diaprojektors mit Kondensor

Weitere Informationen zum Diaprojektor findest du im entsprechenden Artikel von Wikipedia.

Glasherstellung

Geschichtliches

Glasherstellung

Daten über Glas

 
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