Sammellinsen und Zerstreuungslinsen
Unter optischen Linsen versteht man gekrümmte Scheiben aus einem optischen, also transparenten, Medium, durch die das hindurchgehende Licht gebrochen wird. Je nach Art der Krümmung wird das Licht nach innen zur Mitte abgelenkt (Sammellinsen) oder nach außen zerstreut (Zerstreuungslinsen). Die Lichtbrechung an optischen Linsen erfolgt also auf eine ganz bestimmte Weise. Schauen wir uns diese bei den verschiedenen Linsentypen an:
Sammellinsen
Sammellinsen besitzen nach außen gewölbte Begrenzungsflächen, was ihnen die Form einer Linse gibt. Man bezeichnet sie auch als Konvexlinsen (konvex bedeutet: nach außen gewölbt).
Ihre Begrenzungsflächen sind meist sphärisch, das bedeutet, sie sind geformt wie ein Teil einer Kugeloberfläche.
Die Krümmung kann auf beiden Seiten (bikonvex) oder nur auf einer Seite (plankonvex) bestehen, so gibt es verschiedene Formen von Sammellinsen:
Es gibt auch Sammellinsen (z.B. in Brillen), die auf einer Seite nach außen gewölbt (konvex) und auf der anderen Seite nach innen gewölbt (konkav) ist. Man nennt sie konkav-konvex. Solange die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, handelt es sich um eine Sammellinse.
Lichtbrechung an Sammellinsen
Wir wollen uns nun anschauen, was passiert, wenn paralleles Licht auf eine Sammellinse trifft.
Wie man sieht, werden die parallel einfallenden Lichtstrahlen so gebrochen (abgelenkt); dass sie in einem Punkt zusammentreffen und dann wieder auseinanderlaufen.
Der Punkt, indem die Lichtstrahlen zusammenlaufen (gesammelt / fokussiert werden), nennt man wie beim Hohlspiegel Brennpunkt F.
Den Abstand der Linsenmitte zum Brennpunkt bezeichnet man als Brennweite f.
Da alle Lichtstrahlen zum gleichen Punkt (Brennpunkt) hin gebrochen werden, müssen die weiter am Rand auftreffenden Lichtstrahlen stärker abgelenkt (gebrochen) werden als diejenigen, die näher in der Mitte der Linse auftreffen. Das ist im Foto auch gut zu erkennen.
Auch sieht man: Der Lichtstrahl bzw. das Lichtbündel, das durch den Mittelpunkt der Linse verläuft, wird nicht abgelenkt. Dieser trifft nämlich senkrecht auf die Oberfläche.
Wenn man genau hinschaut, wird das Licht zweimal gebrochen – das erste Mal beim Auftreffen auf die Linse und das zweite Mal beim Verlassen der Linse. Aufgrund der besonderen Form der Linse wird das Licht (ähnlich wie beim Prisma) zweimal in die gleiche Richtung – hier: nach innen – gebrochen. Die Brechung erfolgt jeweils nach dem Brechungsgesetz.
In der folgenden Skizze sind noch einmal mehrere parallel auftreffende Lichtstrahlen sowie Brennpunkt und Brennweite eingezeichnet:
Je stärker die Linse gekrümmt ist (je dicker die Linsenmitte gegenüber den Rändern ist), umso stärker wird das Licht gebrochen. Damit verschiebt sich der Brennpunkt dichter an die Linse, die Brennweite wird kleiner.
Jede Linse hat zwei Brennpunkte, die symmetrisch zur Linsenmitte liegen. Schließlich könnte das Licht genauso von der anderen Seite einfallen.
Bei dünnen Linsen kann man in einer Skizze den Strahlengang vereinfachen, indem man statt der zweifachen Brechung eine Brechung an der Mitte der Linse zeichnet. Diese ist als gestrichelte Linie in der Skizze eingezeichnet und wird als Mittelebene bezeichnet. Sie teilt die Linse in zwei Hälften.
Wozu braucht man Sammellinsen?
Sammellinsen werden vielfältig verwendet. Mit Sammellinsen lassen sich nämlich Bilder von Gegenständen erzeugen, vergrößern, verkleinern etc.
Wie man mit Hilfe von Sammellinsen Bilder erzeugt, erfährst Du auf der nächsten Seite Abbildung mit Sammellinsen.
Ein paar Beispiele für die Verwendung von Sammellinsen sind:
- Brillen
- Lupe
- Fernrohr
- Mikroskop
- Handykamera
- etc.
Zerstreuungslinsen
Zerstreuungslinsen besitzen nach innen gewölbte Begrenzungsflächen. Man bezeichnet sie auch als Konkavlinsen (konkav bedeutet: nach innen gewölbt).
Auch bei Zerstreuungslinsen kann die Krümmung auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite bestehen:
Es gibt auch Zerstreuungslinsen (z.B. in Brillen), die auf einer Seite nach innen gewölbt (konkav) und auf der anderen Seite nach außen gewölbt (konvex) ist. Man nennt sie konvex-konkav. Solange die Linse in der Mitte dünner ist als am Rand, handelt es sich um eine Zerstreuungslinse.
Lichtbrechung an Zerstreuungslinsen
Wir wollen uns nun anschauen, was passiert, wenn paralleles Licht auf eine Zerstreuungslinse trifft.
Dazu lassen wir mehrere parallele schmale Lichtbündel an einer Weißwandtafel auf einer Zerstreuungslinse (bikonkav) treffen:
Wie man sieht, werden die parallel einfallenden Lichtstrahlen so gebrochen (abgelenkt), dass sie hinter der Linse auseinanderlaufen (das Licht wird “zerstreut”).
Auch hier ist zu sehen, dass der Lichtstrahl bzw. das Lichtbündel, das durch den Mittelpunkt der Linse verläuft, nicht abgelenkt wird.
Das folgende Video von Leifiphysik bietet noch einmal eine gute Erklärung und Zusammenfassung zu den Eigenschaften von Sammel- und Zerstreuungslinsen:
