Bilderzeugung – Prinzip der Camera obscura

Versuch: Man halte einen mit einem kleinen Loch versehenen Karton (Blende, Pupille) vor das Auge und schaue durchs Loch gegen das Licht. Eine zwischen Karton und Auge gehaltene Stecknadel sieht man durch das Loch auf dem Kopfe stehend. Dieser Versuch zeigt, dass sich das Bild hinter der Pupille punktspiegelt und wir auf der Netzhaut ein auf dem Kopf stehendes Bild der Aussenwelt abgebildet haben.

Das Bild der Aussenwelt gelangt durch das „Loch“ der Iris (Pupille) auf die Netzhaut, wo es seitenverkehrt und auf dem Kopf (= punktgespiegelt) abgebildet wird. Es drängt sich durch die physikalische Eigenart des Ausges ein Vergleich mit der „camera obscura“ (Dunkelkammer) auf.

Abbildung Camera obscura

Lichtbrechung und Linsen

Licht wird beim Übergang von einem zum anderen durchsichtigen Medium gebrochen. Diese Brechung ist umso stärker, je (optisch) dichter ein Material ist. Das optisch dünnste (durchlässigste) Material ist das Nichts (Vakuum).

Wir geben die Dichte eines Testmaterials mit dem Brechungsindex n (Brechzahl) an. Sie bezieht sich auf den Übergang Vakuum – Testmaterial und wird mit der Formel sin α / sin β = n ermittelt.
α ist der Einfallswinkel zum Lot gemessen im Vakuum,
β ist der Brechungswinkel zum Lot gemessen im Testmaterial.

Testmaterial	Brechzahl
Vakuum Luft Wasser Eis (0°) Plexiglas Glas Diamant Bleisulfid	1.0000 1.0003 1.33 (ungefähr) 1.3091 1.491 1.46 – 1.61 2.417 3.912

Beim Durchgang durch eine planparallele Platte (z.B. Fensterglas), erfährt ein Lichtstrahl keine Richtungsänderung. Er wird aber an zwei parallelen Grenzflächen gebrochen und geht weiter mit einer Parallelverschiebung.

Linsen

Linsen brechen Lichtstrahlen ebenfalls zweimal (1. Übergang: Luft – Glas; 2. Übergang Glas – Luft). Wir unterscheiden zwei verschiedene Typen von Linsen: Sammellinsen (konvexe Linsen) und Streulinsen (konkave Linsen). Bei Sammellinsen werden die parallel eintreffenden Lichtstrahlen gebündelt und gehen durch einen gemeinsamen Punkt (Brennpunkt F). Der Brennpunkt befindet sich im Abstand f (klein f) von der Linse. Diesen Abstand nennt man Brennweite.

Abbildung Sammellinsen und Streulinsen

Dicke Linsen brechen das Licht stärker als dünne Linsen.

Optische Gesetzmässigkeiten

Die Linse im Auge ist eine Sammellinse, die relativ dick ist (ca. 4 mm) mit einem Durchmesser von 9 mm. Ihre Brechkraft (Dioptrie) beträgt 19 – 33 dpt, die Brennweite also 3 5 cm. Eine Dioptrie ist der Kehrwert der Brennweite f der Linse).

Schauen wir durch eine Linse, so erkennen wir, dass in einem bestimmten Abstand ein vergrössertes (Sammellinsen) oder verkleinertes (Streulinsen) Bild von Gegenständen vor der Linse zu sehen ist. So ein Linsenbild können wir zeichnerisch konstruieren, wenn wir die Brennweite und die Gegenstandsweite haben.

Konstruktion des Linsenbildes

Zur Konstruktion des Linsenbildes brauchen wir zwei der drei aufgeführten Strahlen:

• Parallelstrahl, wird hinter der Linse zum Brennpunktstrahl
• Brennpunktstrahl, wird zum Parallelstrahl
• Mittelpunktstrahl, geht ohne Richtungsänderung durch die Linse.

Der Brennpunkt der Linse beim Auge liegt nicht einfach auf der Netzhaut, sondern davor. Aber das Bild muss genau auf die Netzhaut fallen. Man kann auch folgendes sagen: Ein Punkt eines Gegenstandes muss auf der Netzhaut genau wieder als ein Punkt abgebildet sein.

Akkommodation

Schauen wir in die Ferne, so ist unser Ziliarmuskel entspannt, die Zonulafasern ziehen aber in diesem Zustand die Linse flach.
Betrachten wir einen nahegelegenen Gegenstand, so spannt sich der Ziliarmuskel, die Zonulafasern erschlaffen und die Linse wird durch ihre Eigenelastizität rundlich.

Abbildung Nah- und Ferneinstellung (Akkommodation)