Lichtstrahlen ändern ihre Richtung, wenn sie von einer Oberfläche reflektiert werden, sich von einem transparenten Medium in ein anderes bewegen oder durch ein Medium reisen, dessen Zusammensetzung sich kontinuierlich ändert. Das Reflexionsgesetz besagt, dass bei Reflexion von einer glatten Oberfläche der Winkel des reflektierten Strahls gleich dem Winkel des einfallenden Strahls ist. (Konventionell werden alle Winkel in geometrischer Optik in Bezug auf die normale zur Oberfläche gemessen—dh auf eine Linie senkrecht zur Oberfläche.,) Der reflektierte Strahl befindet sich immer in der Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die normale zur Oberfläche definiert ist. Das Gesetz der Reflexion kann verwendet werden, um die Bilder zu verstehen, die durch ebene und gekrümmte Spiegel erzeugt werden. Im Gegensatz zu Spiegeln sind die meisten natürlichen Oberflächen rauh auf der Skala der Wellenlänge des Lichts,und folglich werden parallel einfallende Lichtstrahlen in viele verschiedene Richtungen reflektiert oder diffus. Diffuse Reflexion ist verantwortlich für die Fähigkeit, die meisten beleuchteten Oberflächen von jeder Position aus zu sehen—Strahlen erreichen die Augen, nachdem sie von jedem Teil der Oberfläche reflektiert wurden.,

Wenn Licht in einem transparenten Medium auf eine Grenze mit einem zweiten transparenten Medium trifft (z.,, luft und Glas), wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil wird in das zweite Medium übertragen. Wenn sich das durchgelassene Licht in das zweite Medium bewegt, ändert es seine Fahrtrichtung; das heißt, es wird gebrochen. Das Brechungsgesetz, auch als Snell-Gesetz bekannt, beschreibt die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel (θ1) und dem Brechungswinkel (θ2), gemessen in Bezug auf die normale („senkrechte Linie“) zur Oberfläche, in mathematischen Begriffen: n1 sin θ1 = n2 sin θ2, wobei n1 und n2 der Brechungsindex des ersten bzw. zweiten Mediums sind., Der Brechungsindex für jedes Medium ist eine dimensionslose Konstante, die dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum zu seiner Geschwindigkeit in diesem Medium entspricht.

Per Definition beträgt der Brechungsindex für ein Vakuum genau 1., Da die Lichtgeschwindigkeit in jedem transparenten Medium immer geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, sind die Brechungsindizes aller Medien größer als eins, mit Indizes für typische transparente Materialien zwischen eins und zwei. Zum Beispiel ist der Brechungsindex der Luft bei Standardbedingungen 1.0003, Wasser ist 1.33 und Glas ist ungefähr 1.5.

Die grundlegenden Merkmale der Refraktion lassen sich leicht aus dem Snellschen Gesetz ableiten. Die Menge der Biegung eines Lichtstrahls, wenn er eine Grenze zwischen zwei Medien überschreitet, wird durch die Differenz der beiden Brechungsindizes bestimmt., Wenn Licht in ein dichteres Medium übergeht, wird der Strahl zur Normalität gebogen. Umgekehrt wird Licht, das schräg aus einem dichteren Medium austritt, von der Norm weggebogen. In dem speziellen Fall, in dem der einfallende Strahl senkrecht zur Grenze steht (dh gleich der Normalen), ändert sich die Richtung des Lichts beim Eintritt in das zweite Medium nicht.

Snells Gesetz regelt die bildgebenden Eigenschaften von Linsen. Lichtstrahlen, die durch eine Linse hindurchgehen, werden an beiden Oberflächen der Linse gebogen. Bei richtiger Gestaltung der Krümmungen der Oberflächen können verschiedene Fokussierungseffekte realisiert werden., Beispielsweise können Strahlen, die anfänglich von einer Punktlichtquelle abweichen, von einer Linse umgeleitet werden, um an einem Punkt im Raum zu konvergieren und ein fokussiertes Bild zu bilden. Die Optik des menschlichen Auges konzentriert sich auf die Fokussiereigenschaften der Hornhaut und der kristallinen Linse. Lichtstrahlen von entfernten Objekten passieren diese beiden Komponenten und werden in ein scharfes Bild auf der lichtempfindlichen Netzhaut fokussiert. Andere optische Bildgebungssysteme reichen von einfachen Einzellinsenanwendungen wie Lupe, Brille und Kontaktlinse bis hin zu komplexen Konfigurationen mehrerer Linsen., Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine moderne Kamera ein halbes Dutzend oder mehr separate Linsenelemente hat, die ausgewählt wurden, um bestimmte Vergrößerungen zu erzeugen, Lichtverluste durch unerwünschte Reflexionen zu minimieren und Bildverzerrungen durch Objektivfehler zu minimieren.

doppelkonvexe Linse

Eine doppelkonvexe Linse oder konvergierende Linse fokussiert die divergierenden oder verschwommenen Lichtstrahlen von einem entfernten Objekt, indem sie die Strahlen zweimal bricht (verbiegt)., An der Vorderseite der Linse werden die Strahlen zur Normalen gebogen (senkrecht zur Oberfläche), da das Glas ein dichteres Medium als die Luft ist, und an der Rückseite der Linse werden die Strahlen vom Normalen weggebogen, wenn die Strahlen in das weniger dichte Medium der Luft gelangen. Diese doppelte Biegung bewirkt, dass die Strahlen an einem Brennpunkt hinter der Linse konvergieren, so dass ein schärferes Bild gesehen oder fotografiert werden kann.

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