Optische Geräte                                                   

 

Mikroskop, Fernrohr, Fotoapparat

Im Einzelheiten eines entfernten Gegenstandes oder Details von einem kleinen Gegenstand erkennen zu können, benötigt man eine Sehhilfe. Ein Baum aus der Ferne gesehen und eine Nadelspitze aus unmittelbarer Nähe betrachtet, sind bei entsprechender Distanz jeweils für das Auge nur als Punkt erkennbar. In beiden Beispielen ist für das betrachtende Auge der Sehwinkel zu klein, so dass das Bild auf der Netzhaut nicht genügend Zäpfchen oder Stäbchen abdeckt. Damit zwei unterschiedliche Bildpunkte erkannt werden können, müssen mindestens zwei Sensoren (Stäbchen oder Zäpfchen) auf der Netzhaut mit dem Bild abgedeckt sein. Um das Bild auf der Netzhaut zu vergrößern, muss der Sehwinkel vergrößert werden, indem man sich dem Gegenstand nähert. Den Weg kann sich der Beobachter ersparen, indem er ein Fernrohr oder Fernglas benutzt, das im Prinzip nichts anderes macht, als den Sehwinkel und damit das Bild auf der Netzhaut zu vergrößern, indem es den Gegenstand optisch näher rückt. Bei sehr kleinen Gegenständen ist es ebenfalls möglich, den Sehwinkel durch Distanzverringerung zu vergrößern, wobei ab einer Gegenstandsnähe von 10 cm die Augenlinse sich nicht mehr ausreichend akkommodieren (krümmen) kann und das Bild unscharf auf der Netzhaut erscheint. Der Sehwinkel wird in diesem Fall künstlich durch eine Lupe oder ein Mikroskop vergrößert, so dass mehr Einzelheiten erkennbar sind. Die Vergrößerung mithilfe von optischen Instrumenten wird über den Sehwinkel festgelegt (definiert).

Die Lupe, das Mikroskop
Die Lupe besteht aus einer Sammellinse (Konvexlinse), mit der es möglich ist, ein virtuelles, vergrößertes, aufrechtes Bild zu erzeugen. Das Bild entsteht auf der Gegenstandsseite. Obgleich der Gegenstand innerhalb der Brennweite der Linse sehr dicht zur Beobachtung an der Lupe liegt, lässt sich das virtuelle Bild in der deutlichen Sehweite (25 cm vom Gegenstand entfernt) beobachten. Im Gegensatz dazu ist die Beobachtung im Nahbereich wesentlich anstrengender, da hier die Augen durch das Akkommodieren sehr schnell ermüden. Ist die Brennweite der Lupe klein im Verhältnis zur deutlichen Sehweite (s = 25 cm), dann ergibt sich für die Brennweite der Lupe folgende Vergrößerung.Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Vergrößerung mit abnehmender Brennweite zunimmt, wobei eine 20fache Vergrößerung für Lupen nicht überschritten wird, da sonst die Linse zu dick sein würde und Abbildungsfehler das Sehen stark beeinträchtigen. Ist die Vergrößerung mit der Lupe nicht ausreichend, dann kann die Sammellinse durch eine weitere Sammellinse verstärkt werden. Im Mikroskop befinden sich deshalb zwei Sammellinsen in einem Rohr, das als Tubus bezeichnet wird. Die beiden Sammellinsen (Konvexlinsen) werden in ihrer Bezeichnung unterschieden, wobei die Linse, die bei der Betrachtung durch das Mikroskop dem Beobachter zugewandt ist, als Okular bezeichnet wird und die Sammellinse, die dem Gegenstand zugewandt ist, als Objektiv bezeichnet wird.
Das Mikroskop funktioniert derart, dass der zu beobachtende Gegenstand sich außerhalb der Brennweite des Objektivs befindet. Es entsteht somit ein umgekehrt vergrößertes reelles Bild, das in der Brennweite vom Okular als Zwischenbild für die Erzeugung eines nochmals vergrößerten virtuellen Bildes genutzt wird, welches letztendlich vom Betrachter gesehen wird.  Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops errechnet sich aus der Vergrößerung des Objektivs multipliziert mit der Vergrößerung des Objektivs multipliziert mit der Vergrößerung des Okulars.
VM = VOb * VOku
VM = Vergrößerung Mikroskop
VOb = Vergrößerung Objektiv
VOku = Vergrößerung Okular Das Fernrohr
Das Fernrohr besteht im Prinzip aus einer Sammellinse mit großer Brennweite als Objektiv, das die Aufgabe hat, von einem entfernten Gegenstand ein Bild in der Nähe zu erzeugen, so dass man es mit dem Okular als Lupe betrachten kann. Die Strahlen, die von einem anderen Himmelskörper kommen, treffen fast parallel auf die Linse, so dass das Bild in der Höhe der Brennebene entsteht. Aus diesem Grund benötigt man eine Linse mit großer Brennweite, weil damit auch das Zwischenbild umso größer erscheint. Das Okular hat dagegen eine sehr kurze Brennweite, um das Zwischenbild nochmals zu vergrößern.  Die Vergrößerung des Sehwinkels in einem Kepler-Fernrohr berechnet sich aus dem Quotienten der Brennweiten:
Diese Anordnung von zwei Sammellinsen wurde 1611 von Johannes Kepler (1571-1630) entwickelt und wird auch als astronomisches Fernrohr bezeichnet.

Der Fotoapparat
Der einfachste Aufbau für einen Fotoapparat ist prinzipiell die Lochkamera, in der das Bild mit einer lichtempfindlichen Platte oder Film festgehalten wird. Um ein scharfes Bild mit der Lochkamera zu erhalten, ist die Belichtungszeit sehr lang, da nur sehr wenig Licht durch das Loch für die Belichtung zur Verfügung steht. Wird das Loch in der Lochkamera vergrößert, dann sind die Lichtpinsel bei der Abbildung zu groß, und das Bild wird unscharf. Im Gegensatz dazu erzeugt der Fotoapparat die optische Abbildung mit einer Sammellinse, die jeden Gegenstandspunkt exakt zu einem Bildpunkt vereinigt, so dass deren Lichtbündel wesentlich heller sind bei vergleichbarer Auflösung, wodurch die Belichtungszeit wesentlich verkürzt wird. Die Bildpunkte werden auf einem lichtempfindlichen Film festgehalten. Im Allgemeinen befindet sich der abzubildende Gegenstand mehr als zwei Brennweiten vom Objektiv entfernt (g > 2f), so dass ein reelles, verkleinertes und umgekehrtes Bild auf dem lichtempfindlichen Material entsteht. Die Abbildung bleibt durch fotochemische Prozesse im Material gespeichert. Für die Einstellung der Schärfe muss das Objektiv verschoben werden, wobei die Bildweite der jeweiligen Gegenstandsweite angepasst wird. Die Leistungsfähigkeit eines Fotoapparates hängt in erster Linie von der Lichtstärke des Objektives ab und wird durch das Verhältnis von Linsendurchmesser zur Brennweite angegeben, das als Blendenzahl bezeichnet wird. Die Blendenzahl ist das Verhältnis (Brennweite f / Linsendurchmesser d), d. h., Bilder mit gleicher Blendenzahl sind bei gleicher Belichtungszeit gleich hell, und je kleiner die Blendenzahl ist, desto größer ist die Bildhelligkeit. Die Lichtmenge bei unterschiedlicher Blendenzahl wird über den Zeitverschluss reguliert, so dass Bilder mit unterschiedlichen Blendenzahlen bei angepassten Belichtungszeiten über den Zeitverschluss die gleiche Lichtmenge erhalten.

Der Projektor
Ein Projektor ist prinzipiell im Aufbau mit dem Fotoapparat zu vergleichen. Der Unterschied liegt darin, dass die Lage von Bild und Gegenstand (Objekt) vertauscht wird. Anstelle des lichtempfindlichen Films wird im Fotoapparat das Diapositiv eingesetzt, das stark beleuchtet wird, so dass das Objektiv ein Bild auf der Leinwand außerhalb der Kamera erzeugen kann.  Die Ausführungen der Projektoren lassen sich unterscheiden in Durchlichtprojektoren wie Dia- und Filmprojektor oder Auflichtprojektoren, die auch als Episkope bezeichnet werden.

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