Optik
Optik ist ein Bereich der Physik, der sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie beschäftigt.
Unter Licht versteht man in der Regel den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichts. Dies erlaubt eine Übertragung der Erkenntnisse der Optik auf andere Spektralbereiche (z.B. Röntgenoptik), oder auf ganz andere Strahlungsarten (z.B. Elektronenoptik).
Teilbereiche der Optik
Man unterscheidet zwei grundsätzliche Zugänge zur Lichtausbreitung, die sich allerdings in vielen Bereichen überschneiden: Die geometrische Optik und die Wellenoptik.
Die Tatsache, dass Licht zwei in der Anschauung einander widersprechende Eigenschaften besitzt, wird auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.
Daneben sind die nichtlineare Optik sowie die Quantenoptik von theoretischem und technischem Interesse.
Ein interdisziplinärer Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre untersucht werden.
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 transparenten Grenzflächen (Linsen, Prismen). An Spiegeln gilt die Regel, dass der Einfallswinkel dem Ausfallswinkel gleich ist.
Mittels dieser Methode lassen sich Abbildungen, beispielsweise durch Linsen, oder Linsensysteme (Mikroskop, Teleskop) bestimmen.
Im Rahmen der geometrischen Optik kann auch die teilweise Reflexion an transparenten Objekten behandelt werden. Ein Beispiel ist, dass die eigene Reflexion unter geeigneten Bedingungen in einer Fensterscheibe sichtbar ist. Der Extremfall tritt ein, wenn unter sehr flachem Einfallswinkel Totalreflexion an einer transparenten Grenzfläche auftritt.
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 ist. Wichtige Elemente der Wellenoptik sind:
Interferenz zwischen einander überlagernden Wellenfronten.
Beugung, die sich zeigt, wenn Licht sich durch kleine Spalten oder an Kanten entlang ausbreitet.
Polarisation des Lichts.
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 (etwa mittels Raytracing) konstruierte Bilder künstlich wirken.
Das menschliche Auge
Das optische Sinnesorgan des Menschen ist das Auge. Dieses wandelt Lichtinformation in Nervenimpulse um. 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.
Technische Optik
Das Design, die Auslegung und der 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
Grundlegende optische Bauelemente sind u.A.
- Strahlungsquelle,
- Linsen,
- Fresnel-Zonenplatte,
- Filter,
- Planplatten,
- Wellenplatte
- Spiegel: ebene und gewölbte Spiegel
- Prismen
- Beugungsgitter
- Blenden
- Empfänger: Projektionsfläche, Filmebene
Optische Komponenten
Aus den obenstehenden (und anderen) Bauelemente werden zu Komponenten kombiniert, z.B.: passive Elemente:
aktive Elemente: verschiedene Modulatoren und spezielle Lichtquellen, optische Detektoren
Optische Geräte
Die obenstehenden (und anderen) Komponenten werden zum Bau optischer Geräte verwendet, z.B.
- Fernrohre
- Mikroskope
- Lupen
- Brillen
- Spektroskope
- Laser
- Polarimeter
- Stereoskop
- Laserlink
- Polarisator
- Anomaloskop
- Lidar
Anwendungen und Methoden
Siehe auch: Brillouin-Streuung, Dispersion, Opazität, Optische Täuschung, Portal Physik
Weitere Bedeutung
Als Optik bezeichnet man auch die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes.