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Die geometrische Optik beschreibt Licht als geradlinige Strahlen und behandelt Reflexion, Brechung, Bildkonstruktion an Linsen und Spiegeln. Grundlegende Gesetze sind das Reflexionsgesetz, der Brechungsindex, das Snellius-Gesetz und die Linsengleichung.
In der Geometrischen Optik (auch Strahlenoptik genannt) vernachlässigen wir die Wellennatur des Lichts und betrachten es als gerade Strahlen. Dies ist eine hilfreiche Vereinfachung, solange die Hindernisse und Öffnungen, auf die das Licht trifft, wesentlich größer als seine Wellenlänge sind.
Die geometrische Optik beruht auf diesen vereinfachenden Annahmen: Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus, der Strahlengang ist umkehrbar, Lichtstrahlen beeinflussen einander nicht und können von Materie absorbiert werden.
Trifft ein Lichtstrahl auf eine glatte Oberfläche, tritt Reflexion auf. Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel (alpha) exakt dem Reflexionswinkel (alpha') entspricht. Wichtig ist hierbei, dass beide Winkel stets zum Einfallslot gemessen werden – einer gedachten Senkrechten, die an der Auftreffstelle auf der Oberfläche steht.
Bei der Reflexion an ebenen Spiegeln entsteht ein aufrechtes, virtuelles Bild. Ein reelles Bild hingegen kann man auf einer Leinwand auffangen, z. B. bei Hohlspiegeln. Gekrümmte Spiegel (Parabolspiegel) fokussieren parallel einfallende Strahlen in einem Brennpunkt (F). Liegt ein Gegenstand außerhalb der Brennweite eines Hohlspiegels, entsteht ein reelles, umgekehrtes Bild.
Wenn Licht von einem transparenten Medium in ein anderes übergeht (z. B. von Luft in Wasser), ändert es seine Richtung. Dieses Phänomen nennen wir Brechung (Refraktion). Ursache hierfür ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Stoffen.
Der Brechungsindex (n) ist eine materialabhängige, dimensionslose Zahl, die angibt, um wie viel langsamer sich das Licht im Medium (v) im Vergleich zum Vakuum (c) bewegt (n = c/v). Da Licht im Vakuum am schnellsten ist, ist n für alle Materie immer größer als 1 (Luft ca. 1,0; Wasser ca. 1,33; Glas ca. 1,5).
Das Snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Richtungsänderung mathematisch: n1 * sin(alpha) = n2 * sin(beta). Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (kleines n) in ein optisch dichteres Medium (großes n) wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist also kleiner als der Einfallswinkel. Da der Brechungsindex für kurzwelliges (blaues) Licht meist etwas höher ist als für langwelliges (rotes), wird blaues Licht stärker gebrochen (Dispersion).
Umgekehrt wird der Strahl beim Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Medium vom Lot weg gebrochen. Vergrößert man den Einfallswinkel in diesem Szenario immer weiter, erreicht man den Grenzwinkel. Wird dieser überschritten, tritt Totalreflexion ein: Das Licht kann das dichtere Medium nicht mehr verlassen und wird vollständig ins Innere zurückgeworfen.
In der Medizin wird die Totalreflexion in Lichtwellenleitern genutzt. In Endoskopen ermöglichen dünne Glasfasern den Transport von Lichtsignalen um Kurven herum tief in den Körper, da das Licht durch ständige Totalreflexion an den Innenwänden der Faser gefangen bleibt.
Optische Linsen sind durchsichtige Körper mit zwei lichtbrechenden Flächen. Grundsätzlich unterscheidet man Sammellinsen (konvexe Formen: bikonvex, plankonvex) und Zerstreuungslinsen (konkave Formen: bikonkav, plankonkav).
Sammellinsen bündeln parallel einfallendes Licht im Brennpunkt (F). Die Entfernung von der Linsenmitte zum Brennpunkt heißt Brennweite f. Zur Bildkonstruktion nutzt man drei ausgezeichnete Strahlen: den Parallelstrahl (parallel zur optischen Achse, nach der Linse durch den Brennpunkt), den Brennpunktstrahl (durch den Brennpunkt, nach der Linse parallel) und den Mittelpunktstrahl (durch das Linsenzentrum, nahezu ungebrochen). Befindet sich der Gegenstand außerhalb der Brennweite, entsteht ein reelles, umgekehrtes Bild.
Zerstreuungslinsen lassen paralleles Licht auseinanderlaufen; ihr Brennpunkt ist virtuell und liegt vor der Linse.
Die Linsengleichung 1/g + 1/b = 1/f verknüpft Gegenstandsweite g, Bildweite b und Brennweite f. Sie erlaubt die Berechnung von Bildpositionen und findet Anwendung in optischen Geräten wie Mikroskopen und Teleskopen.
