Die geometrische Optik oder Strahlenoptik ist eine Näherung der Optik, in der die Welleneigenschaften des Lichtes vernachlässigt werden, weil die mit dem Licht wechselwirkenden Strukturen (Spiegel, Linsen, usw. ...) groß im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes sind. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von ca. 400-750 nm, und ist somit wesentlich kleiner als Alltagsgegenstände. Man kann die geometrische Optik streng mathematisch aus der Wellenoptik als Grenzfall für verschwindende Wellenlänge herleiten.

Kepler fernrohr.pngs]] In der geometrischen Optik wird das Licht als aus Lichtstrahlen zusammengesetzt betrachtet. Eine Lichtquelle oder ein diffus reflektierendes Objekt sendet Lichtstrahlen aus, welche dann reflektiert, gebrochen oder aufgespalten werden. Die Lichtstrahlen folgen dem Superpositionsgesetz, d. h. sie können sich gegenseitig durchdringen, ohne sich zu stören.

In einem homogenen Medium breiten sich die Lichtstrahlen geradlinig aus. An verspiegelten Flächen werden sie reflektiert. An Grenzflächen zwischen Medien mit verschiedener Brechzahl werden sie nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gebrochen und partiell reflektiert (und somit in einen reflektierten und einen gebrochenen Strahl aufgespalten), oder sie werden total reflektiert. Ein Lichtstrahl kann auch durch Doppelbrechung aufgespalten werden.

Allgemein gilt für die Bahnen von Lichtstrahlen das Gesetz der kürzesten optischen Weglänge (Laufzeit des Lichts). Eine angenommene Bahn eines Lichtstrahls zwischen zwei festen Punkten A und B ist nur gültig, wenn mann nicht durch kontinuierliche Veränderung der Bahn, ohne A und B zu verschieben, ihre optische Weglänge verkürzen kann. Daraus ergeben sich die oben angegebenen Regeln für die Ausbreitung von Lichtstrahlen. Auch die gekrümmten Bahnen der Lichtstrahlen in inhomogenen Medien folgen diesem Gesetz (ein Beispiel dafür sind Luftspiegelungen durch eine heiße Luftschicht über sonnenbeschienenem Asphalt).

Die Strahlenoptik bildet die Grundlage für die Berechnung der Abbildungseigenschaften von Brillen, Linsen und optischen Geräten wie Mikroskopen, Teleskopen und Objektiven. Auch das Raytracing-Verfahren in der 3D-Computergrafik beruht auf der geometrischen Optik.

Effekte, die von der geometrischen Optik nicht beschrieben werden können, sind insbesondere Beugung (welche die maximale Auflösung optischer Instrumente bestimmt) und Interferenz. Die geometrische Optik beschreibt nur, wohin das Licht abgelenkt wird, nicht aber wieviel Licht abgelenkt wird. Um dies zu beschreiben benötigt man zusätzlich den Polarisationszustand des Lichtes. Bei partieller Reflexion z. B. ist der reflektierte Anteil des Lichts von seiner Polarisationsrichtung abhängig (siehe Fresnelsche Formeln).

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

siehe auch: Brennpunktstrahl, Mittelpunktstrahl, Parallelstrahl, Optische Abbildung, paraxiale Optik

Literatur

• Hans Boegehold: Geometrische Optik, Sammlung Borntraeger, Berlin, 1927

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