6.1Reelle und virtuelle Bilder

6.1.1 Reell oder virtuell?

In der geometrischen Optik vergessen wir die Wellennatur und behandeln Licht als gerade Strahlen (das ist erlaubt, solange Hindernisse viel grösser als die Wellenlänge sind). Spiegel und Linsen lenken diese Strahlen so um, dass sie sich in einem Bildpunkt treffen. Hier hilft eine saubere Unterscheidung.

Ein Bild ist reell, wenn sich dort tatsächlich Lichtstrahlen treffen; man kann es auf einem Schirm auffangen (Kino, Netzhaut). Ein Bild ist virtuell, wenn sich dort nur die rückwärtigen Verlängerungen der Strahlen treffen; es ist sichtbar, aber nicht auffangbar (das Spiegelbild hinter dem Spiegel). Genauso bei Gegenständen: reell, wenn echte Strahlen ausgehen, virtuell, wenn nur Verlängerungen dort zusammenlaufen.

g ...
b = g ...
3.0 (rel.)
1.5 (rel.)
Abb. 1: Am ebenen Spiegel ist g = b, das Bild ist virtuell
Definition Reell / virtuell
Reell: echte Strahlen treffen sich, auf Schirm auffangbar. Virtuell: nur Verlängerungen treffen sich, nicht auffangbar.
Querverweis Verweise
→ Kap. 5 Reflexion und Brechung

6.1.2 Hauptstrahlen und Vorzeichen

Um ein Bild zu konstruieren, braucht man nicht alle Strahlen, sondern nur zwei oder drei Hauptstrahlen, deren Weg man ohne Rechnung kennt (etwa: der achsenparallele Strahl geht durch den Brennpunkt). Ihr Schnittpunkt ist der Bildpunkt. Die genauen Hauptstrahlen folgen in 6.2 (Spiegel) und 6.4 (Linsen).

Damit eine Formel reelle und virtuelle Fälle gemeinsam beschreibt, braucht sie eine Vorzeichenkonvention. Die Grundidee ist immer dieselbe: Gegenstandsweite gg, Bildweite bb, Brennweite ff und Krümmungsradius rr bekommen ein Vorzeichen, je nachdem auf welcher Seite der Fläche das jeweilige Element liegt. Die genauen Regeln stehen jeweils bei Spiegel und Linse.

Notation Notation: g, b, f, r
gg Gegenstandsweite, bb Bildweite, ff Brennweite, rr Krümmungsradius. Vorzeichen je nach Seite der Fläche.

6.2Sphärische Spiegel

6.2.1 Brennweite und Abbildungsgleichung

Ein Hohlspiegel (konkav) sammelt achsenparallel einfallendes Licht in einem Punkt, dem Brennpunkt. Seine Brennweite ff ist die Bildweite bei unendlich weit entferntem Gegenstand, und sie ist gerade der halbe Krümmungsradius. Das ist die ganze Geometrie eines Kugelspiegels in einer Zahl.

Wo ein Gegenstand in der Entfernung gg abgebildet wird, sagt die Abbildungsgleichung: die Kehrwerte von Gegenstands- und Bildweite addieren sich zum Kehrwert der Brennweite.

!!
Brennweite des Kugelspiegels
f=r2f = \frac{r}{2}
rr Krümmungsradius. Konkav (sammelnd): f>0f > 0. Konvex (zerstreuend): f<0f < 0.
!!!
Abbildungsgleichung für sphärische Spiegel
1g+1b=1f\frac{1}{g} + \frac{1}{b} = \frac{1}{f}
gg Gegenstandsweite, bb Bildweite, ff Brennweite.
Definition Vorzeichen am Spiegel
g>0g > 0: Gegenstand auf der Lichtseite. b>0b > 0: Bild auf der reflektierten Seite. r,f>0r, f > 0: Konkavspiegel.

6.2.2 Vergrösserung und Bildkonstruktion

Wie gross und wie herum erscheint das Bild? Das sagt die Vergrösserung VV, das Verhältnis von Bildhöhe BB zu Gegenstandshöhe GG. Sie ist gerade das negative Verhältnis von Bild- zu Gegenstandsweite. Das Minuszeichen trägt die Information über die Orientierung: ein negatives VV bedeutet ein umgekehrtes (auf dem Kopf stehendes) Bild.

Konstruieren kann man das Bild mit drei Hauptstrahlen: (1) der achsenparallele Strahl wird in den Brennpunkt reflektiert, (2) der Brennpunktstrahl wird achsenparallel reflektiert, (3) der Strahl durch den Krümmungsmittelpunkt läuft in sich selbst zurück. Zwei davon genügen, ihr Schnittpunkt ist der Bildpunkt.

b ...
V = −b/g ...
Bildart ...
4.0 (rel.)
1.8 (rel.)
Abb. 2: Hohlspiegel, drei Hauptstrahlen, 1/g + 1/b = 1/f
!!
Vergrösserung
V=BG=bgV = \frac{B}{G} = -\frac{b}{g}
BB Bildhöhe, GG Gegenstandshöhe. V<0V < 0 umgekehrtes Bild, V>1|V| > 1 vergrössert.
Merke Hauptstrahlen Spiegel: achsenparallel → Brennpunkt; Brennpunkt → achsenparallel; durch Mittelpunkt → in sich zurück.

6.2.3 Welches Bild wann? Die Fallunterscheidung

Beim Hohlspiegel (und genauso bei der Sammellinse, 6.4) hängt alles davon ab, wo der Gegenstand steht, relativ zu Brennpunkt ff und Mittelpunkt 2f2f. Daraus ergibt sich eine kleine Tabelle, die du im Schlaf können solltest: sie sagt sofort, ob das Bild reell oder virtuell, aufrecht oder umgekehrt, vergrössert oder verkleinert ist.

Gegenstand bei Bild liegt Bildart
g>2fg > 2f zwischen ff und 2f2f reell, umgekehrt, verkleinert
g=2fg = 2f bei 2f2f reell, umgekehrt, gleich gross
f<g<2ff < g < 2f jenseits 2f2f reell, umgekehrt, vergrössert
g=fg = f im Unendlichen kein Bild (Strahlen parallel)
g<fg < f gleiche Seite, hinten virtuell, aufrecht, vergrössert (Lupe)
Bildtypen am Hohlspiegel / an der Sammellinse (konvergierend, f>0f > 0).
Merke Merke: g>fg > f reelles umgekehrtes Bild, g<fg < f virtuelles aufrechtes Bild (Lupe). Gilt für Hohlspiegel und Sammellinse.

6.3Brechung an einer Kugelfläche

6.3.1 Abbildung durch eine gekrümmte Grenzfläche

Bevor wir Linsen bauen (die haben zwei Flächen), schauen wir auf eine einzige gekrümmte Grenzfläche zwischen zwei Medien, etwa die Vorderfläche eines Glasblocks. Auch sie bildet ab, und zwar weil das Licht beim Übergang gebrochen wird. Die zugehörige Gleichung verknüpft die beiden Brechzahlen mit Gegenstandsweite, Bildweite und Krümmungsradius.

Die Vergrösserung sieht ähnlich aus wie beim Spiegel, enthält aber zusätzlich das Verhältnis der Brechzahlen, weil sich auf den beiden Seiten der Fläche unterschiedliche Medien befinden.

b ...
V ...
5.0 (rel.)
1.50
1.0 (rel.)
Abb. 3: Eine gekrümmte Grenzfläche bildet ab: n₁/g + n₂/b = (n₂−n₁)/r
!!
Brechung an einer Kugelfläche
n1g+n2b=n2n1r\frac{n_1}{g} + \frac{n_2}{b} = \frac{n_2 - n_1}{r}
n1n_1 Brechzahl auf der Einfallsseite, n2n_2 auf der Transmissionsseite, rr Krümmungsradius der Fläche.
!
Vergrösserung
V=BG=n1bn2gV = \frac{B}{G} = -\frac{n_1\,b}{n_2\,g}
Wie beim Spiegel, aber mit dem Faktor n1/n2n_1/n_2 wegen der zwei Medien.
Definition Vorzeichen bei Brechung
g>0g > 0 Einfallsseite, b>0b > 0 Transmissionsseite, r>0r > 0 Krümmungsmittelpunkt auf Transmissionsseite.

6.4Dünne Linsen

6.4.1 Linsenschleifer-Formel und Brechkraft

Eine dünne Linse hat zwei gekrümmte Flächen mit Radien r1r_1 und r2r_2. Wie ihre Brennweite von der Form und vom Material abhängt, sagt die Linsenschleifer-Formel (Linsenmacher-Gleichung): sie steckt die Brechzahl nn des Glases und die beiden Radien zusammen. Eine bikonvexe Linse (f>0f > 0) sammelt, eine bikonkave (f<0f < 0) zerstreut.

Statt der Brennweite gibt man in der Optik oft die Brechkraft D=1/fD = 1/f an, gemessen in Dioptrien (1 dpt = 1/m). Eine starke (kurzbrennweitige) Linse hat eine grosse Brechkraft. Brillengläser werden in Dioptrien angegeben: +2+2 dpt ist eine Sammellinse mit f=0,5f = 0{,}5 m.

Brennpunkt F' ...
1.0
Abb. 4: Warum eine Linse bündelt: die Wellenfronten
!!
Linsenschleifer-Formel
1f=(nnLuft1)(1r11r2)\frac{1}{f} = \left(\frac{n}{n_{\text{Luft}}} - 1\right)\left(\frac{1}{r_1} - \frac{1}{r_2}\right)
nn Brechzahl des Linsenmaterials, nLuft1n_{\text{Luft}} \approx 1, r1,r2r_1, r_2 Radien der beiden Flächen.
!!
Brechkraft
D=1fD = \frac{1}{f}
Einheit Dioptrie, 1  dpt=1  m11\;\mathrm{dpt} = 1\;\mathrm{m^{-1}}. Sammellinse D>0D > 0, Zerstreuungslinse D<0D < 0.
Notation Notation: D
Brechkraft D=1/fD = 1/f in Dioptrien (dpt). +2+2 dpt entspricht f=0,5f = 0{,}5 m Sammellinse.

6.4.2 Abbildungsgleichung und Vergrösserung

Die gute Nachricht: Hat man die Brennweite einer dünnen Linse, gilt für die Abbildung genau dieselbe Gleichung wie beim Spiegel, 1/g+1/b=1/f1/g + 1/b = 1/f, und auch die Vergrösserung hat dieselbe Form V=b/gV = -b/g. Man muss also nur eine Beziehung beherrschen.

Konstruiert wird das Bild mit drei Hauptstrahlen: (1) der achsenparallele Strahl wird durch den zweiten Brennpunkt gebrochen, (2) der Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch die Linsenmitte, (3) der Brennpunktstrahl tritt achsenparallel aus. Die Fallunterscheidung aus 6.2.3 gilt unverändert auch hier.

b ...
V = −b/g ...
D = 1/f ...
Bildart ...
4.0 (rel.)
1.8 (rel.)
Abb. 5: Sammellinse, drei Hauptstrahlen, 1/g + 1/b = 1/f
!!!
Abbildungsgleichung für dünne Linsen
1g+1b=1f\frac{1}{g} + \frac{1}{b} = \frac{1}{f}
Identische Form wie beim Spiegel. Vorzeichenkonvention wie bei der Brechung an einer Kugelfläche.
!!
Vergrösserung
V=BG=bgV = \frac{B}{G} = -\frac{b}{g}
V<0V < 0 umgekehrtes, V>0V > 0 aufrechtes Bild. V>1|V| > 1 vergrössert.
Merke Hauptstrahlen Linse: achsenparallel → 2. Brennpunkt; Mittelpunkt → ungebrochen; 1. Brennpunkt → achsenparallel.

6.4.3 Newtonsche Form

Es gibt eine zweite, oft bequemere Schreibweise der Abbildungsgleichung. Misst man die Abstände nicht von der Linse, sondern vom Brennpunkt aus (x=gfx = g - f auf der Gegenstandsseite, x=bfx' = b - f auf der Bildseite), wird die Gleichung wunderbar einfach: das Produkt der beiden Brennpunktabstände ist gerade f2f^2.

Diese Newtonsche Form ist praktisch, wenn ein Gegenstand nahe am Brennpunkt steht oder wenn man schnell sehen will, wie das Bild davonläuft, sobald der Gegenstand sich dem Brennpunkt nähert (x0x \to 0 schickt xx' \to \infty).

!
Newtonsche Abbildungsgleichung
xx=f2x\,x' = f^2
x=gfx = g - f, x=bfx' = b - f sind die Abstände von Gegenstand bzw. Bild zum jeweiligen Brennpunkt.
Formel Newton
xx=f2x\,x' = f^2
Abstände ab Brennpunkt gemessen. Äquivalent zu 1/g+1/b=1/f1/g + 1/b = 1/f.

6.5Linsensysteme und optische Geräte

6.5.1 Linsen kombinieren

Kein ernsthaftes Objektiv kommt mit einer Linse aus. Schaltet man zwei dünne Linsen direkt hintereinander (in Kontakt), addieren sich ihre Brechkräfte: D=D1+D2D = D_1 + D_2, also 1/f=1/f1+1/f21/f = 1/f_1 + 1/f_2. Zwei schwache Sammellinsen ergeben eine stärkere, eine Sammel- plus eine Zerstreuungslinse können sich teilweise aufheben.

Stehen die Linsen im Abstand dd auseinander, kommt ein Korrekturterm dazu. Diese allgemeine Form ist die Grundlage jedes zusammengesetzten Objektivs und auch der Trick, mit dem man die chromatische Aberration (6.6) korrigiert.

!!
Zwei dünne Linsen in Kontakt
1f=1f1+1f2,D=D1+D2\frac{1}{f} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2}, \qquad D = D_1 + D_2
Brechkräfte addieren sich. Gilt für direkten Kontakt (Abstand d0d \approx 0).
!
Zwei dünne Linsen im Abstand d
1f=1f1+1f2df1f2\frac{1}{f} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2} - \frac{d}{f_1 f_2}
dd Abstand der Linsen. Für d=0d = 0 geht es in die Kontaktformel über.
Merke Merke: in Kontakt D=D1+D2D = D_1 + D_2. Im Abstand dd kommt d/(f1f2)-d/(f_1 f_2) dazu.

6.5.2 Lupe, Fernrohr und Mikroskop

Wozu das alles? Um Dinge grösser zu sehen. Hier zählt nicht die Lateralvergrösserung V=b/gV = -b/g, sondern die Winkelvergrösserung: um welchen Faktor ein Gegenstand das Auge unter einem grösseren Sehwinkel erscheinen lässt. Die Lupe (eine einzige Sammellinse, Gegenstand innerhalb der Brennweite, vgl. 6.2.3) vergrössert um Vs0/fV \approx s_0/f, mit der deutlichen Sehweite s025s_0 \approx 25 cm.

Das Fernrohr kombiniert zwei Linsen: ein langbrennweitiges Objektiv erzeugt ein kleines Zwischenbild, das ein kurzbrennweitiges Okular wie eine Lupe betrachtet. Seine Vergrösserung ist das Verhältnis der Brennweiten V=fObj/fOkV = f_{\text{Obj}}/f_{\text{Ok}}. Das Mikroskop arbeitet nach demselben Zwei-Linsen-Prinzip, nur für nahe statt ferne Objekte.

V = f Obj/f Ok ...
5.0 (rel.)
1.0 (rel.)
Abb. 6: Zwei Linsen: Objektiv und Okular, V = f Obj / f Ok
!
Winkelvergrösserung
VLupe=s0f,VFernrohr=fObjfOkV_{\text{Lupe}} = \frac{s_0}{f}, \qquad V_{\text{Fernrohr}} = \frac{f_{\text{Obj}}}{f_{\text{Ok}}}
s025s_0 \approx 25 cm deutliche Sehweite. Beim Fernrohr Verhältnis von Objektiv- zu Okularbrennweite.
Notation Notation: s₀
Deutliche Sehweite (Nahpunkt des normalen Auges), s025s_0 \approx 25 cm. Bezugsabstand der Lupenvergrösserung.

6.6Grenzen der Abbildung

6.6.1 Abbildungsfehler

Die schönen Formeln gelten nur für achsennahe Strahlen. In Wirklichkeit hat jede einfache Linse Abbildungsfehler, die nichts mit schlechter Fertigung zu tun haben. Die sphärische Aberration rührt daher, dass achsenferne Strahlen stärker gebrochen werden und nicht im selben Punkt landen; man verringert sie, indem man die Randstrahlen ausblendet (auf Kosten der Helligkeit).

Die chromatische Aberration tritt nur bei Linsen auf, nicht bei Spiegeln: weil die Brechzahl von der Wellenlänge abhängt (Dispersion, Kap. 5), bekommt jede Farbe eine andere Brennweite, und es entstehen Farbsäume. Man korrigiert sie, indem man mehrere Linsen aus verschiedenen Glassorten kombiniert (Achromat), genau die Linsensysteme aus 6.5.

Effekt ...
1.5 (rel.)
Abb. 7: Sphärische und chromatische Aberration
Querverweis Verweise
→ Kap. 5 Dispersion

6.6.2 Das Auge

Das Auge ist eine lebende Linse. Das System aus Hornhaut und Augenlinse bündelt das Licht auf die Netzhaut, wo Stäbchen und Zäpfchen die Reize aufnehmen und über den Sehnerv ans Gehirn melden. Bei entspanntem Auge beträgt die Brennweite rund 2,5 cm, genau der Abstand zur Netzhaut.

Für nahe Gegenstände krümmt der Ziliarmuskel die Augenlinse stärker, verkürzt also die Brennweite (Akkommodation). Der Nahpunkt, der kleinste Abstand, den man noch scharf sieht, liegt normalerweise bei etwa 25 cm (das ist die deutliche Sehweite s0s_0 aus 6.5.2) und wächst mit dem Alter. Wie gross ein Gegenstand erscheint, hängt von der Bildhöhe auf der Netzhaut ab, und die ist umso grösser, je näher der Gegenstand.

Fokus auf Netzhaut
Abb. 8: Das Auge: Akkommodation und Brillenkorrektur
Merke Auge: Brennweite 2,5\approx 2{,}5 cm (entspannt), Nahpunkt 25\approx 25 cm. Scharfstellen über die Brennweite (Akkommodation).

Aufgaben mit Musterlösungen

Aufgaben zu diesem Kapitel folgen. Wähle eine Aufgabe aus der Sidebar und aktiviere die Checkbox, um die vollständige Musterlösung mit Rechenweg zu sehen.

Die Aufgaben für dieses Kapitel werden in einer zukünftigen Version ergänzt.

MerkeErst selbst rechnen, dann Lösung prüfen!
Variablen-Glossar (11 Einträge)
gg Gegenstandsweite (Objekt zur Fläche) m
bb Bildweite (Bild zur Fläche) m
ff Brennweite m
rr Krümmungsradius m
VV Vergrösserung (Lateralvergrösserung) 1
GG Gegenstandshöhe m
BB Bildhöhe m
DD Brechkraft dpt = 1/m
n1n_1 Brechzahl Einfallsseite 1
n2n_2 Brechzahl Transmissionsseite 1
s0s_0 deutliche Sehweite (Nahpunkt) ≈ 0,25 m