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2025-05-05T15:39:38Z

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[[Datei:Transverse magnification.svg|mini|hochkant=1.9|Bildentstehung bei einer [[Sammellinse]] als Beispiel eines [[Strahlengang]]s: Das links als grüner Pfeil gekennzeichnete Objekt kann rechts von der Sammellinse vergrößert auf einem Schirm abgebildet werden.]]

Die '''geometrische Optik''' oder '''Strahlenoptik''' bedient sich des ''Strahlenmodells'' des [[Licht]]es<ref name="Haf35">[[Heinz Haferkorn]]: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 35.</ref> und behandelt damit auf einfache, rein geometrische Weise den Weg des Lichtes auf Linien.<ref name="Haf11">Heinz Haferkorn: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 11.</ref> Mit ihr lässt sich in der [[Technische Optik|technischen Optik]] die [[optische Abbildung]] oft mit ausreichender Genauigkeit beschreiben.<ref name="Haf180">Heinz Haferkorn: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 180.</ref>

Beschränkt man die geometrische Optik auf Strahlen, die nahe der [[Optische Achse (Optik)|optischen Achse]] verlaufen und zu ihr parallel sind oder sie sehr flach schneiden, liegt die sogenannte [[paraxiale Optik]] vor. Dafür lassen sich geschlossene mathematische Abbildungs[[gleichung]]en finden, mit denen man Lage und Größe des erzeugten Bildes sowie einige Kenngrößen des optischen Systems ermitteln kann: [[Brennweite|Brenn-]] und [[Schnittweite]] (objekt- und bildseitig), Lage der [[Hauptebene (Optik)|Haupt-]] und [[Knotenpunkt (Optik)|Knotenpunkte]] und der [[Eintrittspupille|Ein-]] und [[Austrittspupille]].<ref name="Haf184">Heinz Haferkorn: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 184.</ref>

Das Modell des '''Lichtstrahls''', also eines auf eine Linie begrenzten Lichtbündels, ist eine physikalischen [[Idealisierung (Physik)|Idealisierung]], die nur angenähert realisiert werden kann. Die geometrische Optik kann Phänomene wie [[Interferenz (Physik)|Interferenz]], [[Beugung (Physik)|Beugung]] und [[Polarisation]] nicht beschreiben, die untrennbar mit dem Wellencharakter des Lichts verknüpft sind. Sie lässt sich aber [[Mathematik|mathematisch]] als Grenzfall der [[Wellenoptik]] für verschwindend kleine [[Wellenlänge]]n des Lichts auffassen. Doch auch in diesem Fall versagt sie, wenn die Verhältnisse für Strahlen mit hoher Energiedichte oder nahe an einer scharfen Schattengrenze untersucht werden sollen.<ref name="Haf35" />

== Axiome der geometrischen Optik ==
Als allgemeinste Grundlage der Strahlenoptik lässt sich das [[Fermatsches Prinzip|Fermatsche Prinzip]] ansehen.<ref name="Haf37">Heinz Haferkorn: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 3., bearbeitete und erweiterte Auflage. Barth, Leipzig u. a. 1994, ISBN 3-335-00363-2, S. 37.</ref> Es führt auf die beiden ersten der folgenden [[Axiom]]e.<ref name="Haf37" />
* 1. Axiom: In [[Homogenität (Physik)|homogenem]] Material sind die Lichtstrahlen gerade.
* 2. Axiom: An der Grenze zwischen zwei homogenen [[isotrop]]en Materialien wird das Licht im Allgemeinen nach dem [[Reflexion (Physik)#Reflexionsgesetz|Reflexionsgesetz]] reflektiert und nach dem [[Snelliussches Brechungsgesetz|Brechungsgesetz]] gebrochen.
* 3. Axiom: Der [[Strahlengang]] ist umkehrbar; bei Umkehrung der Richtung eines Strahls ändert sich sein Verlauf nicht.
* 4. Axiom: Die Lichtstrahlen durchkreuzen einander, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.

== Anwendungen ==
Hauptanwendungsgebiet der Strahlenoptik ist die Behandlung der Abbildung durch optische Elemente, Geräte und Systeme, wie [[Linse (Optik)|Linsen]], [[Brille]]n, [[Objektiv (Optik)|Objektive]], [[Fernrohr]]e und [[Mikroskop]]e.

Auch das [[Raytracing]]-Verfahren in der 3D-[[Computergrafik]] beruht auf den Gesetzen der geometrischen Optik.

Die Luftspiegelungen durch eine heiße Luftschicht über sonnenbeschienenem Asphalt und andere Naturphänomene können auch durch Anwendung dieses Prinzips erklärt werden.

== Grenzen ==
Effekte, die von der geometrischen Optik nicht beschrieben werden können, sind unter anderem:
* die [[Beugung (Physik)|Beugung]], die ein schlankes Lichtbündel hinter einer kleinen Öffnung aufweitet und damit u. a. das [[Auflösungsvermögen]] optischer Instrumente begrenzt. Sie kann nur im Rahmen der [[Wellenlehre]] oder der [[Quantenmechanik]] verstanden werden.
* die [[Interferenz (Physik)|Interferenz]], die ebenfalls durch die Wellenlehre erfassbar ist. Sie ist z. B. für die Wirkungsweise der [[Antireflexbeschichtung]] von wesentlicher Bedeutung.
* die [[Polarisation]], die quantenmechanisch mit dem [[Spin]] der [[Photon]]en zu tun hat, aber auch mit der Wellenlehre erklärbar ist. Sie ist im Zusammenhang mit der [[Doppelbrechung]] von Bedeutung und auch für die teilweise Reflexion an brechenden Flächen, wo sie die Quantität des reflektierten Lichts beeinflusst, siehe [[Fresnelsche Formeln]] oder [[Brewster-Winkel]].
* die [[Absorption (Physik)|Absorption]] und die [[Streuung (Physik)|Streuung]] des Lichts.

Einige Methoden der geometrischen Optik, insbesondere die [[Matrizenoptik]], können auf das Konzept der [[Gaußstrahl]]en angewendet werden, welches die Effekte der [[Wellenoptik]] teilweise mit berücksichtigt.

== Weiterführendes ==
{{Wikibooks|Formelsammlung Physik: Optik: Geometrische Optik}}
* [http://www.scandig.info/Strahlenoptik.html Einführung in die Strahlenoptik] Ausführliche Seite über Strahlenoptik mit vielen Beispielen, Bildern und Experimenten

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4020241-0}}

[[Kategorie:Geometrische Optik| ]]

Geometrische Optik - Versionsgeschichte

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