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Lichtbrechung und -beugung

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Lichtbrechung durch Glas

brechung.gifBetrachten wir einmal die Grenzfläche zwischen Luft und Glas, die Brechungsindizes dieser Materialien unterscheiden sich deutlich, d.h. im Glas bewegt sich das Licht langsamer als in der Luft.Was das für die Brechung des Lichts bedeutet wollen wir uns an der folgenden Zeichnung klar machen:

Das Licht, das in einem Winkel auf die Grenzfläche zwischen Luft und Glas trifft, wird an dieser gebrochen, weil sich das Licht im Glas langsamer ausbreitet als in der Luft (Brechungsindex n2 größer als n1, heißt bei n2 ist die Lichtgeschwindigkeit reduziert). Während die Lichtwelle (Die zur einfallenden Linie senkrechten Stiche sollten die Wellenmaxima darstellen) in der Luft noch ungehindert weiterwandern, können sie im Glas nur eine kürzere Strecke zurücklegen. Konstruiert man dies mit einem Zirkel sieht man, dass das Licht zum Lot hin gebrochen wird.

Diese Skizze hat allerdings einen Haken, sie berücksichtigt nicht, dass der Brechungsindex auch von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist, so dass blaues Licht stärker gebrochen wird als rotes (findige Hersteller benutzen deshalb Spezialglas mit anderen Brechungsindizes, um diesen "chromatischen" Fehler auszugleichen)

Lichtbrechung in der Atmosphäre

atmos.jpgJe höher man in der Atmosphäre steigt, desto dünner wir diese, d.h. auch hier ändert sich die Lichtgeschwindigkeit, und zwar so, dass es mit zunehmender Dichte der Atmosphäre abnimmt.

Nebenbei ist auch warme Luft optisch dünner als kalte, was im Endeffekt zu Lichtbrechungen führt, die wir als Fata Morgana kennen.

Das Licht, das nicht senkrecht zum Boden einfällt wird also zur Erde hin gebrochen, was dazu führt, dass wir die Sonne noch sehen, wenn sie eigentlich schon seit Minuten untergegangen ist.

Bedenken wir dabei auch, das blaues Licht stärker abgelenkt wird als das aus dem roten Teil des Spektrums, deshalb erscheint der Himmel blau und die untergehende Sonne Rot, da das blaue Licht bereits abgelenkt wurde.

Hinzu kommt aber auch die Streuung an Wassertröpfchen und Schwebteilchen in der Atmosphäre, die das Licht zusätzlich in alle Richtungen streuen und deshalb vornehmlich für die blaue Färbung des Himmel verantwortlich sind.

Lichtbrechung unter Wasser

Zum Wasser ist jetzt eigentlich nicht mehr viel Neues zu sagen. Zu beachten wäre nur, dass Luft und Wasser andere Brechungsindizes haben, was beim Einsatz von UW-Kameras von Bedeutung ist, weil sich dadurch die Brechung der Frontlinse verändert, der Frontport des UW-Gehäuses gleicht dies in der Regel wieder aus.

Lichtbeugung

beugung.gifTrifft Licht auf ein undurchsichtiges Hindernis, so wirft dieses einen Schatten, soweit ist alles klar. An der Kannte kommt es aber zur Lichtbeugung, das heißt ein Teil des Lichts wird in den Schatten hinein abgelenkt. In der Regel fällt das nicht auf, denn wir sprechen von sehr kleinen Ablenkungen, aber sie werden größer je näher wir in der Wellenlänge des Lichts kommen.

In der Fotografie spielt diese Lichtbeugung vor allem dann eine Rolle, wenn wir sehr weit abblenden. Ab Blende 16 kann die Beugung dafür Sorgen, dass das Licht von einem Punkt im Motiv nicht mehr nur auf einem Pixel landet sondern auch die benachbarten Pixel trifft. Dadurch kann die Schärfe wieder abnehmen, wenn wir die Blende zu weit schließen (um zum Beispiel bei hellem Sonnenlicht eine Landschaft von vorne bis hinten scharf abzubilden). Evtl. ist es sinnvoller eine kürzer Belichtung einzustellen, oder die Empfindlichkeit herabzusetzen.

Dieses Phänomen ist natürlich auch von der Größe der einzelnen Pixel auf dem Sensor/dem Korn des Films abhängig und tritt demnach bei Kompaktkameras eher auf, als bei Spiegelreflexkameras.