Optik

Optik (griech. optike ”Lehre vom Sichtbaren“, optikos ”zum Sehen gehörig“, zu opsis ”das Sehen“) 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 klassische Zugänge zur Lichtausbreitung: Die Wellenoptik und die geometrische Optik. Grundlage der Wellenoptik ist die Wellennatur des Lichts. Die Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik gelten für den Fall, daß die Abmessungen des optischen Systems sehr groß sind gegenüber der Wellenlänge des Lichts. Bei geringen Abmessungen der Komponenten gegenüber der Wellenlänge spricht man von der Mikrooptik.

Eine wichtige Teildisziplin der Optik ist die Quantenoptik, welche sich mit den Wechselwirkungen von Licht und Materie beschäftigt. Dabei spielt besonders der gequantelte Charakter des Lichts eine bedeutende Rolle.

Daneben sind die nichtlineare Optik und die Fourieroptik von theoretischem und technischem Interesse. Ein interdisziplinärer Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre untersucht werden.

Geometrische Optik

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 Grenzflächen zwischen transparenten Medien mit verschiedener Brechzahl (z. B. an Oberflächen von Linsen oder Prismen). Bei Reflexion an Spiegeln und bei partieller oder Totalreflexion gilt die Regel, dass der Einfallswinkel dem Ausfallswinkel gleich ist.

Mittels dieser Methode lassen sich Abbildungen, beispielsweise durch Linsen oder Linsensysteme (Mikroskop, Teleskop, Objektiv) und die dabei auftretenden Abbildungsfehler behandeln.

Ein wichtige Näherung ist die paraxiale Optik, welche aus einer Linearisierung des Snelliusschen Brechungsgesetzes abgeleitet werden kann, und wichtige Begriffe wie Brennweite und Abbildungsmaßstab definiert.

Wellenoptik

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 sind. So ist in der geometrischen Optik im Prinzip eine ideale Abbildung möglich, wohingegen die Wellenoptik zeigt, dass durch Beugungseffekte der Auflösung eine prinzipielle Grenze gesetzt 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. (Beugungsintegral)
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 computergenerierte Bilder künstlich wirken können.

Das menschliche Auge

Das optische Sinnesorgan des Menschen ist das Auge. Dieses verarbeitet die Absorption von Licht unterschiedlicher Wellenlänge an den Photorezeptoren zu Aktionspotenzialfolgen der Ganglienzellen der Netzhaut. 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 die 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

Strahlungsquelle,
Linsen,
Fresnel-Zonenplatte,
Filter,
Planplatten,
Wellenplatte
- λ/4-Plättchen
- λ/2-Plättchen
Spiegel: ebene und gewölbte Spiegel
Prismen
Beugungsgitter
Blenden
- Schlitzblenden
Empfänger: Projektionsfläche, Filmebene

Optische Komponenten

Passive Elemente

Aktive Elemente

verschiedene Modulatoren und spezielle Lichtquellen, optische Detektoren

Optische Geräte

Anwendungen und Methoden

Siehe auch

Weitere Bedeutung

Als Optik bezeichnet man auch die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes und im übertragenen Sinne auch das Aussehen eines Gegenstandes oder eine bestimmte Sichtweise.

Literatur

Max Born, Emil Wolf: Principles of Optics. Cambridge University Press, 7. Auflage 1999. ISBN 0521642221
Heinz Haferkorn: Optik. 4. Auflage, WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2003, ISBN 3527403728
Eugene Hecht: Optics. Verlag Addison Wesley, 2003, ISBN 0-321-18878-0
Dietrich Kühlke: Optik. Verlag Harri Deutsch, 2. Auflage 2004, ISBN 3-8171-1741-8

Weblinks