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Vom Objekt zum Bild
• Wellen- und Strahlenoptik
Inhalt
Zwei Schritte vom Objekt zum Bild:• Wechselwirkung eines Objekts mit
auftreffenden WellenBeispiele:– Ein punktförmiges Streuzentrum– Zwei punktförmige Streuzentren in
unterschiedlichem Abstand
• Auswahl der vom Objekt ausgehenden Wellen
• Zusammenführung der ausgewählten Wellen
„Wellen-optik“
„Strahlen-optik“
„Theorie der
Auflösung“
Ein Regentag am Teich
Interferenzen von Wellen im Wasser
Überraschung am Regentag
Wie das ? Beachtet die Phasen!
Entstehung einer von einem Punkt ausgehenden Welle
Voraussetzung: Kohärente Antwort des Objekts auf die einfallende Strahlung
Beispiel für inkohärente Strahlung: Fluoreszenz-Strahlung beim Photoeffekt
Photon ionisiert ein Atom
B
B
Die Lücke wird unter Emission von Fluoreszenz-Strahlung aufgefüllt
Ionisation und Emission sind in jedem Atom um eine Zufalls-Zeit, die „Mittlere Lebensdauer“ des angeregten Zustands, verschoben
Versuch
• Anregung eines Streuzentrums in der Wasserwanne
• Umlenkung der divergenten zu konvergenten Wellen – mit Hilfe der Reflektion an der Wand des
Gefäßes
• Das Bild des Streuzentrums entsteht bei Überlagerung der reflektierten Wellen
Von zwei Punkten ausgehende Wellen
Abstand der Punkte klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen
Abstand der Punkte klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen
Abstand der Punkte wenig kleiner als der Abstand zwischen zwei Wellebergen
Abstand der Punkte etwa gleich dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen
0
30
60
90
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270
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330
Abstand der Punkte etwa doppelt so groß wie der Abstand zwischen zwei Wellenbergen
0
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330
Abstände der Punkte noch größer
0
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270
300
330
Abstände der Punkte etwa das 10-fache des Abstands zwischen den Wellenbergen
Abstand der Streuzentren und Beugungsbild
Änderung des Beugungsbilds mit zunehmendem Abstand der Streuzentren:
Der Winkel zwischen den divergenten, „ebenen Wellen“ (Bereich der „Fraunhoferschen Beugung“) wird kleiner
Der Nahbereich hinter dem Objekt (Bereich der „Fresnelschen Beugung“) dehnt sich aus
Interferenzmuster von zwei Punkten
0
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B
Zwei Punkte
Schritte zur Erzeugung eines Interferenzmusters in einem
Empfänger, z. B. der Leinwand
B
Zwei Punkte Leinwand
Eine einfallende ebene Welle trifft das Objekt
Kugelwellen erzeugen ein Interferenzmuster,
Im „Fernfeld“ erscheint es als divergente, ebene Wellen
Die Information über das Objekt steht in Richtung, Intensität und in der Phase der divergenten Wellen
Am Empfänger, z. B. einem Film, ist aber die Phase nicht erkennbar
„Film-Umkehr“ beim Muster von zwei Punkten auf einer Leinwand
B
Zwei Punkte Leinwand
Interferenzmuster nach Filmumkehr bei Überlagerung aller Wellen
Filmumkehr: Das wäre ein Weg zum Bild!
Anstelle der „Film-Umkehr“: 1. Man nehme mindestens zwei Wellen
B
Zwei PunkteLeinwand mit Kreis
Ausschnitt
2. Ändere ihre Richtung
Zwei PunkteLeinwand mit Kreis
Ausschnitt
3. Und führe sie zusammen
Zwei PunkteLeinwand mit Kreis
Ausschnitt
4. Die Überlagerung zeigt ein Bild der Abstände zwischen den Punkten
Zwei PunkteLeinwand für
das Bild
Leinwand mit Kreis
Ausschnitt
B
BKonstruktion der Abbildung von zwei Punkten mit fünf Wellen
B
Q: Was muss alles „stimmen“, damit das Bild erscheint?
A: Intensität, Richtung und Phase der einzelnen Wellen
B
BDa Capo
B
Die Phase der dritten Welle
Die Phasen der Wellen definieren das Bild
Tal der Welle aus dem Vordergrund trifft auf Berg der Welle von links
Zwei Schritte vom Objekt zum Bild
• Zur Abbildung der Punkte tragen zwei voneinander unabhängige Vorgänge bei:
1. Aufbau eines „Musters“ mit auseinander laufenden Wellen
• Thema der „Wellenoptik“
2. Bei Zusammenführung einiger dieser Wellen erscheint das Bild
• Thema der „Strahlenoptik“
Von zwei Punkten zum Bild
Zwei PunkteLeinwand für
das BildLeinwand mit Kreis
Ausschnitt
1. Eine Kreisblende wähle zwei Wellen aus
Zwei PunkteLeinwand
2. Eine Linse wandelt die Wellen von divergent zu konvergent
Wie erzeugt man aus divergenten-
konvergente Wellen?
Das alles macht das Auge „automatisch“
Zwei PunkteLeinwand
Das Auge
Zusammenfassung
Bei kohärenter Anregung eines Objekts bilden die divergenten, auslaufenden Wellen ein InterferenzmusterDas Interferenzmuster trägt die Information in den „unendlichen“ Raum-robuster Teil der Abbildung, nur durch Absorption vermeidbar-
Zur Abbildung führt die Überlagerung der vom Objekt auslaufenden Wellen
1. Mehrere Wellen sind zu erfassen (Apertur)2. Divergente werden zu konvergenten
Wellen umgelenkt (Linse)3. Die Abbildungsebene muss am richtigen
Ort stehen (Fokussierung)- empfindlicher Teil der Abbildung -
„Wellen-optik“
„Strahlen-optik“
„Theorie der
Auflösung“
finis
Fotografie aus Time Magazine: Cactus Ferroguinus Pygmae Owl
Wichtig ist aber auch, dass einer guckt
