Optische Effekte - Diffraktion, sphärische Aberration, chromatische Aberration, Astigmatismus, Koma

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Optische Effekte
Diffraktion Die Beugung (Diffraktion) tritt auf, wenn Licht an einer scharfen Kante vorbeigeht oder durch einen engen Spalt hindurchgeht. Dabei erfährt das Licht eine geringe seitliche Ablenkung - es wird gebeugt. In der Astronomie/Fotografie tritt dies bei der Irisblende an den Streben der Fangspiegelhalterung und an der Spiegelkante und den Linsenrändern auf. Der Fangspiegel ist in der Regel an 3 oder 4 Streben befestigt. Die dadurch auftretende Beugung ist als sternförmige Beugungsfigur um den Stern angeordnet. Zu bevorzugen sind Fangspiegelhalterungen mit 4 Streben, da eine ungerade Anzahl von Streben (also drei) doppelt so viele Strahlen erzeugen. Also bei 4 Streben treten vier Strahlen auf, bei 3 Streben sechs Strahlen. Das liegt daran, dass gegenüberliegende Beugungsbilder genau aufeinander fallen (bei 4 Streben). Bei der Irisblende ist es analog, nur dass sie keine Streben sondern 5 bis 8 Lamellen besitzt.
Sphärische Aberration Sphärische Aberration selbst manifestiert sich bei Lichtstrahlen, die nahe am Rand der Optik einfallen. Diese Lichtstrahlen werden in einer anderen Entfernung fokussiert als mittig einfallende Lichtstrahlen; die Folge ist ein leicht verschwommenes Bild. Sphärische Aberration kann in optischen Systemen, die aus mehreren Linsen bestehen, oft durch eine geeignete Kombination mehrerer Linsenoberflächen reduziert werden.
Chromatische Aberration Die chromatische Aberration (Farbfehler) ist ein Bildfehler, den nur Linsenoptiken aufweisen. Sichtbares Licht deckt einen bestimmten Wellenlängenanteil des elektromagnetischen Spektrums ab. Rot hat eine Wellenlänge von ca. 700nm, blau dagegen ca. 460nm. Nun wird kurzwelliges Licht (blau/violett) stärker gebrochen als langwelliges Licht (rot). Kurzwelliges Licht hat eine kürzere Brennweite, wodurch die Abbildung unscharf erscheint (siehe Bild) und mit Farbsäumen (sekundäres Spektrum) umgeben ist.
Es gibt auch noch einen Farbquerfehler, der entsteht, wenn Lichtstrahlen schräg auf das Objektiv trifft. Durch die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts werden verschiedene Brennpunkte erzeugt, die mit zunehmend kürzer werdender Wellenlänge, immer weiter weg von der optischen Achse liegen.
Astigmatismus Strahlenbündel, die schief auf das Objektiv treffen, verlieren ihre punktförmige Abbildung und erzeugen zwei Brennpunkte - den meridionalen (vertikalen) und sagittalen (horizontalen) Brennpunkt. Dieser Astigmatismus (Punktlosigkeit) tritt auch schon bei geringfügig geöffnetem Strahlenbündel auf. Durch die Neigung des Strahlenbündels existieren in der meridionalen und sagittalen Ebene unterschiedliche Brechnungsverhältnisse. Deutlich wird das, wenn man nur die Randstrahlen der beiden Ebenen betrachtet. Die schräg einfallenden Lichtstrahlen haben, relativ zur Linsenoberfläche, alle einen anderen Neigungswinkel, was wiederum zu unterschiedlichen Brechungswinkeln führt und die einfallenden Strahlen sich somit in verschiedenen Schnittpunkten treffen. Objektive, bei denen der Astigmatismus und die Bildfeldkrümmung beseitigt ist, nennt man "Anastigmaten".
Koma Lichtstrahlen, die von einem Objektpunkt abseits der optischen Achse kommen, also als paralleles oder divergentes Strahlenbündel schräg zur optischen Achse in ein Objektiv oder einen Teleskopspiegel einfallen, werden auch abseits dieser Achse gebündelt. Bei unvollkommenen optischen Systemen erfolgt diese Bündelung asymmetrisch. Das Bild eines Punktes (zum Beispiel das eines Sterns) wird verzerrt und hat, ähnlich wie das Bild eines Kometen, einen Schweif.
Gravitationslinse Gravitationslinsen resultieren aus dem Phänomen der Lichtablenkung durch Massen. Albert Einstein sagte bereits 1916 diesen Effekt durch die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, Sir Arthur Stanley Eddington lieferte 1919 den experimentellen Beweis dazu. Gravitationslinsen basieren auf dem gleichen Prinzip wie optische Sammellinsen, sie bündeln im günstigsten Fall das Licht dahinter liegender Objekte, verstärken es, womit es den Astronomen möglich ist, hoch rot verschobene Objekte wie Galaxien oder Quasare zu beobachten. Der derzeitige Rekordhalter weist eine Rotverschiebung von z=10 auf, was einer Entfernung von 13,2 Mrd. Lichtjahren entspricht (siehe diesen Link). Hier wurde eine Galaxie entdeckt, deren Licht um das 20-fache durch einen Galaxiencluster verstärkt wurde. Um den Verstärkungsfaktor bestimmen zu können, muss die Masse der Gravitationslinse bekannt sein. Anschließend kann über die sogenannte Geodätengleichung, die Raumkrümmung und somit die Rotverschiebung des Objektes bestimmt werden, worüber sich wiederum Rückschlüsse auf dessen Enfernung ziehen lassen. Oft kommt es zu einem weiteren Phänomen, einem sogenannten Einsteinring (siehe Abbildung rechts). Hierbei wird das Licht eines Objektes im Hintergrund um eine Gravitationslinse herum gebogen, wodurch es mehrfach dargestellt wird. Dabei muss allerdings lt. ART beachtet werden, dass die verschiedenen Geodäten unterschiedliche Wege um die Gravitationslinse zurücklegen, was sich auf deren Wellenlänge auswirkt. Um nun die für das Objekt gültige Wellenlänge zu ermitteln, werden computergestützte Raytracing Verfahren angewandt.	Hier sieht man sehr schön, wie das Licht einer Hintergrundgalaxie von einem Cluster im Vordergrund verstärkt und mehrfach dargestellt wird. Schematische Darstellung des Prinzips einer Gravitationslinse.
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