Technische Optik in der Praxis

1 Geometrische Optik
1.1 Strahlenmodell
Das Strahlenmodell ist die Grundlage der geometrischen Optik, anhand dieses
Modells läßt sich die Ausbreitung des Lichts und deren Änderung durch abbildende
Elemente (lichtbrechende und lichtreflektierende Elemente) auf einfache
geometrische Weise beschreiben. Die Welleneigenschaften des Lichts wie
Beugung, Interferenz und Polarisation werden in diesem Modell vollständig
vernachlässigt. Dies setzt jedoch voraus, daß die Dimensionen der ,,optischen
Hindernisse“ (Linsen, Spiegel usw.) im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts
um ein Vielfaches größer sind. Insofern ist dieses Modell eine grobe Näherung
zum maxwellschen Wellenbild des Lichtes. Das Strahlenmodell beschreibt die
Lichtausbreitung durch mathematische Linien von eindimensionaler Ausdehnung,
den sog. Lichtstrahlen. Eine Vielzahl von Lichtstrahlen, die sich in
einem gemeinsamen Punkt schneiden, werden als Lichtbündel bezeichnet.
Ein Zusammenhang zwischen dem Wellenmodell und dem Strahlenmodell
desLichtsbezüglich der Ausbreitung läßt sich in folgender Weise herstellen.
Aus der Kugelwelle, die von einer punktförmigen Lichtquelle ausgeht, wird
durch eine Blende ein begrenztes Lichtbündel ausgeblendet. Ein ständiges
Verkleinern des Blendendurchmessers führt schließlich dazu, daß durch die
Blende nur noch ein ideales dünnes Lichtbündel hindurchtritt, der Lichtstrahl
(Beugung bleibt unberücksichtigt). Die Fortpflanzung der Kugelwelle
läßt sich durch Phasenflächen beschreiben, die sich mit Lichtgeschwindigkeit
ausbreiten; eine Phasenfläche ist der geometrische Ort aller Punkte gleicher
Schwingungsphase. Die senkrecht auf den Phasenflächen gedachten Normalen
sind die Strahlen der geometrischen Optik. Damit stimmt der Strahlenverlauf
in isotropen Medien mit der Ausbreitungsrichtung der zugeordneten elektromagnetischen
Welle überein.
Die Grundaxiome für die Ausbreitung von Lichtstrahlen und damit der
geometrischen Optik lauten:
• In optisch homogenen Medien breiten sich Lichtstrahlen geradlinig aus.
• Der Verlauf verschiedener Lichtstrahlen ist voneinander unabhängig.
• DieBrechungundReflexionvonLichtstrahlenanGrenzflächen zwischen
zwei Medien werden durch das Brechungs- bzw. Reflexionsgesetz beschrieben.