VHS-Kurs 4. Tag – Vom Bändigen des Lichts

BeobachterAm vierten Kurstag beschäftigten wir uns weiter mit dem Phänomen des Lichts. Im Mittelpunkt stand die Wechselwirkung von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich mit Materie; insbesondere mit lichtduchlässigen und lichreflektierenden Stoffen. Also von Linsen und Spiegeln!

Abstecher in die Optik

Der Kurstag begann zunächst mit einem Ausflug in die Optik. Hier wurde auf die Unterschiede zwischen den Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten von Lichtwellen eingegangen und diese anhand von animierten Grafiken aufgezeigt.

Phasengeschwindigkeit
Darstellung: Phasengeschwindigkeit. Quelle: Wikipedia

 

Gruppen- und Phasengeschwindigkeit
Darstellung: Gruppen (grün) – und Phasengeschwindigkeit (rot). Quelle: Wikipedia

 

Anschließend wurde das Snelliussche Brechnungsgesetz vorgestellt. Es erklärt, dass eine Lichtwelle beim Durchschreiten eines optisch dichten Mediums abgebremst wird; sich also langsamer als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) ausbreitet; diese beträgt etwa 300000 km/s. Das jedoch hat den Effekt der Lichtbrechung zur Folge: Licht wird beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium zum Einfallslot hin- ; beim Austritt wird es vom Lot weg gebrochen. Außerdem gilt der Effekt der Dispersion: Die Stärke der Brechung hängt von der Frequenz – also der Farbe – des Lichtes zusammen; denn die Phasengeschwindigkeiten von Lichtwellen in dispersiven Medien hängen von ihrer Frequenz ab.

Von Linsen…

Bei der Herstellung von Linsen hat man den Effekt der Dispersion zu berücksichtigen; denn was einerseits bei der Zerlegung von Licht durch Prismenspektren gewünscht ist, ist bei Linsen als Fehler mit der Bezeichnung chromatische Aberration bekannt. Verwendet man Linsen-Fernrohre, auch Refraktoren genannt, mit einer einfachen Sammellinse als Objektiv, so kann man diesem Fehler nur mit hoher Brennweite und damit langen (und damit sperrigen) Tuben begegen. Derartige einfach gebaute – jedoch preisgünstige – Teleskope werden heute nur noch in den untersten Preiskategorien angeboten und sind selbst astronomisch interessierten Laien nicht mehr zu empfehlen.

Chromatische Aberrration
Linsenfehler: Chromatische Aberration

Den Fehler der chromatischen Aberration kann man dadurch einschränken, dass man als Objektiv ein System aus 2 Linsen verwendet, welche unterschiedliche Brechungsverhalten aufweisen; etwa aus Kron- und Flintglas bestehend. Derartige Teleskope werden als Fraunhofer- oder Achromaten bezeichnet; sie können Licht von 2 Wellenlängen auf einen Brennpunkt vereinen; die übrigen Wellenlängen werden hingegen weiterhin auf ihren spezifischen Brennweiten fokussiert. Achromatische Objektive bringen daher zwar schon einen Gewinn in der optischen Bildqualität; haben aber immer noch leichte Farbsäume.

Verwendet man jedoch Objektive, die aus 3 Linsen mit speziell aufeinander abgestimmten Brechungseigenschaften bestehen, lässt sich sogar Licht bei 3 Wellenlängen auf einen Brennpunkt fokussieren. Diese hochwertigen (und damit hochpreisigen) Systeme werden Apochromaten (APO oder auch ED) genannt; nach ‘Extra-Low-Dispersion’. Sie weisen von den Linsenopjektiven den geringsten Farbfehler auf.

… und Spiegeln

Auch das Reflexionsgesetz und das damit verbundene Spiegelteleskop (hier vom Newton-Typ) wurde vorgestellt. Das Reflexionsgesetz besagt, dass bei einer Reflexion an einer Ebene der Winkel des einfallenden Lichts mit dem Winkel des ausfallenden Lichts, gemessen z.B. am Einfallslot, übereinstimmt.

Benutzt man als Objektiv anstatt einer Linse einen spährisch (kugelig) geformten Spiegel, so kann man mit dem Reflexionsgesetz zeigen, dass einfallende Lichtstrahlen, die den gleichen Abstand von der optischen Achse ausweisen, sich ein einem (Brenn-)Punkt treffen. Dieser Brennpunkt ist unabhängig von der Wellenlänge des Lichts; Spiegel weisen also nicht den Fehler der chromatischen Aberration auf und führen zu farbreinen Abbildungen.

Der Haken

Bei sphärisch geformten Spiegeln ergibt sich leider für alle einfallenden Strahlen statt eines idealen Brennpunktes wiederum eine Brennlinie aus der optischen Achse; denn der Brennpunkt hängt von dem Abstand des Reflexionspunktes zur optischen Achse ab. Das bedeutet also, dass Randstrahlen auf einem anderen Punkt fokussiert werden als einfallende Strahlen in der Näche der optischen Achse. Das Gleiche gilt übrigens auch für Linsen mit spährisch geformten Flächen!

In der Praxis lässt sich dieser Fehler der spährischen Aberration dadurch umgehen, dass die Randstrahlen bei optischen Bauelementen mit spärischer Geometrie ausgeblendet werden. Aber dadurch wird der Fehler nur reduziert und nicht beseitigt; auch leidet unter dieser Korrekturmaßnahme das Lichtsammelvermögen des Objektivs.

Die Kugel ist nicht die Lösung, sondern …

Um das Problem der spärischen Aberration an der Wurzel zu packen, müssen Spielgel und Linsen daher nicht spährisch, sondern parabolisch geschliffen werden. Denn nur bei einer Parabolform treffen alle Strahlen unabhängig von ihrem Abstand von der optischen Achse auf einen gemeinsamen Brennpunkt. Derartige Systeme sind in der Regel jedoch aufwändiger und ihrer Herstellung und deutlich teurer.

Weiterer Ungemach.

Doch damit wären wir längst noch nicht am Ende der Lichtbändigung angelangt; denn es gibt noch eine Vielzahl weiterer Fehler, auf die nur kurz eingegangen wurde:

  • der Astigmatismus schiefer Bündel, der zum unerwünschten Koma-Effekt an den Bildrändern beiträgt
  • Bildfeldkrümmung
  • Kissen- und tonnenförmige Verzeichnungen des Bildes

Wie man sieht, unterliegen hochwertigere optische Instrumente aufwändigen Herstellungsverfahren, für die im Endeffekt der Kunde tiefer in die Tasche greifen muß. Bei Billiginstrumenten ist die Freude am eigenen Fernrohr jedoch durch Farbsäume, Verzerrungen und vielerlei Unschärfen schnell getrübt! Hier gilt es, bei einem vorgegebenen Budget für jeden Einzelnen sein optimales optisches Instrument zu finden, welches für die eigenen Vorlieben die besten Eigenschaften aufweist.