Optische Geräte: Lupe, Fernrohr, Teleskop & mehr

​​Das Wichtigste in Kürze

Optische Geräte begleiten dich im Alltag zu fast jeder Zeit. In dieser Zusammenfassung erfährst du nun weiterhin, wie diese funktionieren und wofür man die verschiedenen Geräte alles brauchen kann. 

Die Lupe

Eine Lupe ist ganz simpel aufgebaut. Sie besteht aus einer Halterung und einer konvexen Sammellinse. Diese vergrössert Objekte in kurzer Distanz. 

Lupen haben viele Anwendungsmöglichkeiten. Es gibt Leselupen, um kleine Schrift zu vergrössern, es gibt Lupen für Kinder, um den Waldboden und Insekten zu erkunden. Auch Berufe, die sehr genau arbeiten müssen, wie beispielsweise Uhrmacher, sind angewiesen auf Lupen. Zudem eignet sich eine Lupe super, um ein Feuer zu machen, da jede Lupe einen Brennpunkt hat, der das Sonnenlicht bündelt und lokal eine grosse Hitze entsteht. 

Das Fernrohr

Das Fernrohr ist auch ein optisches Gerät, welches auf Linsen basiert. Man unterscheidet zwischen zwei Hauptarten des Fernrohrs: dem Kepler-Fernrohr und dem Galilei-Fernrohr.  Das Galilei-Fernrohr benutzt als Objektiv eine konvexe Sammellinse und als Okular eine konkave Zerstreuungslinse. Aufgrund des negativen Brennpunkts des Okulars muss das Fernrohr so konstruiert sein, dass der Brennpunkt beider Linsen auf Seite des Beobachters fallen. Dadurch entsteht ein aufrechtes, seitenrichtiges, virtuelles Bild. Heute verwendet man dieses Prinzip bei Operngläser und bei der Fernrohrbrille. 

Das Kepler-Fernrohr, auch astronomisches Fernrohr, basiert ebenfalls auf einer konvexen Sammellinse als Objektiv. Hier ist das Fernohr so gebaut, dass der Abstand zwischen Okular und Objektiv exakt den addierten Brennweiten entspricht. Diese Konstruktionsart hat einen Haken; das Bild ist um $$180\degree$$ gedreht und seitenverkehrt. Doch dieses Problem lässt sich mit Prismen oder Spiegeln lösen, die das gespiegelte Bild so drehen, sodass es für den Beobachter richtig ist. Doch bei den meisten wird das gar nicht gemacht und man nimmt die Umkehrung in Kauf, da dies bei astronomischen Beobachtungen meist sowieso keine Rolle spielt. 

Das Teleskop

I. Newton, einer der grössten Astrophysiker, machte im 17. Jahrhundert eine bahnbrechende Erfindung. Er entdeckte, dass, wenn man einen Spiegel nach innen wölbt, die Vergrösserung zunimmt. Sein sogenannter Hohlspiegel sammelt das einfallende Licht in einem Brennpunkt. Um das Bild zu betrachten, werden die Strahlen seitlich $$45\degree$$​ aus dem Tubus gelenkt, wo ein Okular sitzt und das Bild erkenntlich macht. Dadruch, dass man die Strahlen seitlich ablenkt und somit die Strahlen durch ein Loch im Spiegel fallen können, ist eine deutlich grössere Brennweite möglich. So ist eine deutlich grössere Vergrösserung möglich als bei den Fernrohren. 

Heutige Teleskope sind so leistungsstark, dass man weit entfernte Galaxien beobachten kann. Dafür werden riesige Teleskope in den Weltraum geschossen, um von dort aus fremde Sterne und Galaxien beobachten zu können. Diese haben eine so extreme Auflösung, dass man einen Fussball auf 550 km Entfernung noch erkennen würde! 

Das Mikroskop

Es gibt viele verschiedene Arten, wie man ein Mikroskop bauen kann. Hier wirst du alles über das Lichtmikroskop, die simpelste und älteste Art des Mikroskops erfahren. Ein Lichtmikroskop hat, wie auch alle anderen optischen Geräte mit einer Linse zu tun. Um die Funktionsweise zu verstehen, siehst du hier einen typischen Aufbau eines Lichtmikroskops: 

Das zu beobachtende Objekt wird auf den Objekttisch gelegt. Dort wird es von unten mit Licht bestrahlt. Da das Objekt meist sehr dünn ist, beispielsweise ein Laubblatt, gehen die Lichtstrahlen hindurch und fallen ins Objektiv darüber. Im Objektiv sowie im Okular sind Sammellinsen verbaut, die das Objekt bis zu 1500-fach vergrössern. Zudem wird das Bild im Tubus durch seine Zylinderform erneut vergrössert. Generell kannst du dir merken: je länger der Tubus, desto grösser das Bild. Mit dem Fein- und Grobtrieb kannst du, wie bei einem Fernglas, das Bild scharfstellen. 

In der modernen Forschung sind die untersuchten Objekte so klein, dass Lichtwellen zu gross sind, um diese zu erfassen. Deshalb verwenden die stärksten Mikroskope der Welt Elektronen oder Röntgenstrahlung, da diese weitaus kurzwelliger ist als Licht. So wird es möglich, Strukturen von 0.5 nm Durchmesser scharf zu sehen! Zum Vergleich, ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 100 000 nm!

Fotoapparat

Der Fotoapparat ist aus der heutigen Zeit nicht wegzudenken. Jedes Handy hat einen verbaut, überall sehen wir Bilder und Kameras, auch Filme und Serien wären ohne ihn nicht möglich. Der Aufbau eines einfachen Fotoapparats ist sehr simpel. Vorne im Objektiv ist eine Sammellinse, diese projiziert ein Bild, früher auf den lichtempfindlichen Film, heute auf Sensoren, die ein digitales Bild generieren. Früher musste man auch zu jeder Tageszeit einen sehr grellen Blitz verwenden, um genügend Licht in die Linse zu kriegen, da der Film nur dann ein kontrastreiches Bild gezeigt hat. Der Strahlenverlauf ähnelt sehr dem eines menschlichen Auges. Das Objektiv wäre die Linse des Menschen, der Film die Netzhaut. Durch das Verändern der Objektivlänge kann man den Brennpunkt der Linse verschieben und so das Bild vergrössern oder verkleinern. Durch das Drücken des Auslösers wird das Objektiv für eine sehr kurze Zeit (meist wenige Millisekunden) geöffnet, das Licht fällt auf den Film/Sensor und das Bild wird gespeichert.