<strong>Kapitel</strong> 1 <strong>Geometrische</strong> <strong>Optik</strong> / <strong>Auge</strong> (<strong>Versuch</strong> <strong>AUG</strong>) Name: Gruppe: Datum: Betreuer(in): Testat/<strong>Versuch</strong>sdurchführung: 1.1 Medizinischer Bezug und Ziel des <strong>Versuch</strong>s Grundkenntnisse in geometrischer <strong>Optik</strong> werden in der medizinischen Praxis beim Einsatz verschiedener Geräte zur Diagnose und Analyse benötigt, z.B. bei Endoskopie und Mikroskopie. Nicht zuletzt sind sie Voraussetzung dafür, Aufbau und Funktionsweise des menschlichen <strong>Auge</strong>s zu verstehen. Das menschliche <strong>Auge</strong> ist in der Lage, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 780 nm zu verarbeiten. Diese Strahlung wird daher als sichtbares Licht bezeichnet. Das Licht gelangt durch die Hornhaut und die <strong>Auge</strong>nlinse auf die Netzhaut. Dort wird der Lichtreiz von lichtempfindlichen Rezeptoren, den Stäbchen und Zapfen, durch einen photochemischen Prozess in eine neuronale Erregung umgewandelt, die über den Sehnerv in Teile des zentralen Nervensystems weitergeleitet und dort verarbeitet wird. Der erste Teil dieses komplexen Bildverarbeitungsprozesses im <strong>Auge</strong> und im zentralen Nervensystem ist die Erzeugung eines Bildes auf der Netzhaut. Die daran beteiligten Strukturen des <strong>Auge</strong>s sind in Abb. 1.1 schematisch dargestellt. Die zum Verständnis der Bildentstehung auf der Netzhaut notwendigen physikalischen Grundlagen sollen Sie in diesem <strong>Versuch</strong> erarbeiten. Da die <strong>Auge</strong>nlinse eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Bildern auf der Netzhaut spielt, sollen Sie sich im ersten <strong>Versuch</strong>steil zunächst nur mit der Erzeugung des Bildes eines Gegenstands durch eine Linse beschäftigen: Sie werden diese so genannte Abbildung für verschiedene Gegenstandsweiten (Abstand Gegenstand-Linse) durchführen und jeweils die Bildweite (den Abstand von der Linse, in dem ein scharfes Bild entsteht) und die Bildgröße bestimmen. Ihre Aufgabe ist es, herauszufinden, wie Gegenstandsweite, Bildweite und Bildgröße zusammenhängen. Danach lernen Sie die Brennweite als eine wichtige Kenngröße einer Linse und ein Verfahren zu deren Abschätzung kennen. Sie untersuchen auch den Zusammenhang zwischen der Brennweite einer Linse und der Wölbung der Linsenflächen. Dies ist wichtig für das Verständnis der Show
Für ein grundlegendes Verständnis der Digitalkamera schauen wir uns das Auge an. Ein interessanter Fakt ist, dass die Iris im Gegensatz zum Fingerabdruck unveränderlich ist und bei jedem Menschen einmalig. Daher sollen Irisscanner zuverlässiger als Fingerabdruckscanner sein - wobei die Iris vom rechten zum linken Auge unterschiedlich ist. Aber das nur nebenbei. Wir wollen für unseren Vergleich das Grundprinzip des Auges ansehen - die Besonderheiten wie beispielsweise der Blinde Fleck und die unterschiedlichen Schärfebereiche im Auge sind hier nicht relevant. Zur Vereinfachung eine Skizze des Auges - hier haben wir zwei für unseren Vergleich relevante Elemente:
Pupille und LichtmengeWenn wir das Auge betrachten, fällt die Pupille (sprich die i. d. R. schwarze Öffnung) auf. Über diese Öffnung kann die Lichtmenge geregelt werden, die durch die Linse auf die Netzhaut fällt. An sonnigen Tagen verengt sich die Pupille, da sonst die vorhandene Menge an Licht nicht „bearbeitbar“ wäre. Je weniger Licht vorhanden ist, desto weiter öffnet sich die Pupille, um mehr Licht einzufangen zu können. Die Linse im AugeÜber die Linse erfolgt die Scharfstellung auf der Netzhaut. Dabei wird die Linse über Muskeln gestreckt oder verdickt. Über diesen Mechanismus erfolgt die Scharfstellung eines betrachteten Objekts. Das ist nur in einem gewissen Rahmen möglich - Gegenstände, die sich näher als ca. 30 cm befinden, können nicht scharf fixiert werden. Auch ist i.d.R. nicht alles scharf - aber durch Zusammenarbeit von Gehirn und Auge und die extrem schnelle Fähigkeit, andere, weiter entfernte bzw. nähere Dinge zu fixieren, erscheint uns vieles schärfer als auf einem Foto. Unser Gehirn gaukelt uns hier einiges vor, dessen wir uns oft nicht bewusst sind! Auch sehen wir nicht „ununterbrochen“ - alleine schon der Wimpernschlag unterbricht den „Sehfluss“, was aber durch das Gehirn ausgeblendet wird. Vergleich zwischen Auge und FotoapparatDie Linse im Auge ist vergleichbar mit dem Linsensystem im Fotoapparat. Es gibt hier Unterschiede - die Linsen im Foto verändern nicht ihre Form, sondern ihre Lage; zum Scharfstellen werden diese vor- bzw. zurückgeschoben. Bei den Objektiven gibt es die Angabe der Brennweite (Näheres dazu im folgenden Kapitel 'Objektive') - unser Auge hat nur eine Brennweite. Wir können mit dem Auge nicht „zoomen“ - also wenn wir Gegenstände vergrößert ansehen wollen, müssen wir uns schon zu den Gegenständen hin bewegen. Wenn wir also einen Vergleich anstellen wollen, sollten wir als Objektiv eine Festbrennweite heranziehen. Als Gegensatz zur Festbrennweite gibt es Zoomobjektive, mit denen heran- und herausgezoomt werden kann. Als Festbrennweite käme als Vergleich das 50 mm-Objektiv an das Auge heran - daher wird hier auch von Normalbrennweite gesprochen. Dieses 50 mm-Objektiv entspricht den Sehgewohnheiten unseres Auges. Bitte beachten: ein 50 mm-Objektiv an einem Vollformatsensor (Format KB). Stellen Sie bei Ihrer Kamera 50 mm ein - schauen Sie erst durch den Sucher und dann ohne Kamera. Die Perspektive sollte dieselbe sein. Bitte darauf achten, dass das Auge keine Bewegungen macht (was üblich ist und unser Blickfeld erweitert). Bitte beachten: Haben Sie eine Kamera mit Cropfaktor (siehe Kapitel 'Bildsensor Digitalkamera'), ändert sich die Brennweite, die als Normalbrennweite gilt - so beträgt bei dem weit verbreiteten Cropfaktor von 1,6 die Normalbrennweite dann 32 mm. Vergleich Auge und Fotoapparat - Pupille und BlendeBeim Auge wird die Menge des einfallenden Lichts durch die Iris geregelt. Eine vergleichbare „Vorrichtung“ gibt es auch beim Fotoapparat - dort sind es die Blendenlamellen, die sich öffnen und schließen. Bei der Blende im Fotoapparat (in der Regel befindet sich die Blende im Objektiv) wird durch mechanisches Verschieben der Blendenlamellen eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Öffnung erreicht. Lichteinfall und SchärfeWichtig ist es, bei dem Vergleich zu berücksichtigen, dass zwar das Auge das Bild „aufnimmt“, aber eigentlich das menschliche Gehirn „sieht“ - sprich dort werden die Informationen ausgewertet und verrechnet. Das wahrgenommene Bild ist stark gefiltert. Wenn uns bei einem Foto sehr stark der Unterschied zwischen Schärfe und Unschärfe auffällt, dann liegt das auch daran, dass dieser Unterschied in der Realität nicht direkt wahrgenommen wird. Die Information wird zwar durch den „Apparat“ Auge aufgenommen, aber nicht vom Gehirn verarbeitet, da ja eigentlich das Augenmerk auf einen anderen Punkt gerichtet und auf diesen scharf gestellt wird. Wird die Aufmerksamkeit auf den Hintergrund gelenkt, wird auf diesen scharf gestellt. Auf einem Foto ändert sich die Schärfe des Hintergrunds nicht mehr, auch wenn man sich diesen genau ansieht (sozusagen das Gehirn nun den Hintergrund genauer betrachten möchte). Hier entsteht eine kleine Irritation im Gehirn - daher wirkt dieses Spiel mit Schärfe/Unschärfe auf Fotos sehr interessant. Größer können wir diese Irritation noch machen, indem wir dem Gehirn eine gewünschte Information vorenthalten: i . d. R. möchte man jemandem in die Augen sehen, wenn aber nun das komplette Gesicht unscharf ist, ist die Irritation groß. Sehen wir uns nun an, wie „Schärfe“ entsteht, wenn das Auge auf einen bestimmten Punkt fixiert wird. Im folgenden Beispiel wird die rote Spielfigur fixiert. Der in rot eingezeichnete Strahl trifft exakt auf der Bildebene (beim Auge auf die Netzhaut) auf. Der Lichtstrahl der grünen Figur hat seinen schärfsten Punkt hinter dem Auge. Auf der Bildebene wird nicht ein Punkt, sondern ein kleiner Kreis abgebildet. Der abgebildete Kreis ist bei der blauen Figur auf der Bildebene noch größer. Bis zu einer gewissen Größe wird dieser abgebildete Kreis noch als scharfer „Punkt“ wahrgenommen. Ab einer gewissen Größe wird er als unscharfer Fleck (also Kreis wahrgenommen). Bitte beachten - wenn das Gehirn beschließt, es möchte die blaue Figur sehen, dann wird diese in Bruchteilen einer Sekunde fixiert. Da die rote Figur für das Gehirn jetzt nicht mehr wichtig ist, wird die nun entstehende Unschärfe der roten Figur auch nicht wahrgenommen! Beim Fotografieren werden wir uns im Kapitel 'Schärfentiefe' noch sehr ausführlich mit Schärfe befassen. Zum Auflösungsvermögen des AugesUnser Auge hat ein Auflösungsvermögen (kleinster noch wahrnehmbarer Abstand zweier Punkte) von 0,5° bis 1° - das Auflösungsvermögen wird in Winkelabstand angegeben. Zur besseren Vorstellung: 1° entspricht 1 mm auf 3-6 Metern. Was ändert sich im Auge wenn man einen weit entfernten Gegenstand betrachtet?Augenlinse (Lens crystallina)
Das bedeutet: Betrachten wir Gegenstände in der Nähe, krümmt sich die Linse, um scharfe Sicht zu ermöglichen. Bei weiter entfernten Objekten hingegen flacht sie ab – mit dem gleichen Effekt: Wir sehen scharf.
Wie werden Gegenstände auf der Netzhaut abgebildet?Dazu bildet die Sammellinse das von einem Gegenstand ins Auge fallende Licht genau auf die Netzhaut ab. Dort nehmen Sinneszellen das Licht wahr und geben die Informationen über den Sehnerv an dein Gehirn weiter - hier entsteht daraus ein Bild, das du wahrnimmst. Vor der Linse befindet sich noch die Pupille.
Wie wird ein Gegenstand scharf auf der Retina abgebildet?Die stärkere Wölbung der Linse erhöht ihre Brechkraft. Dadurch wird ein nah liegendes Objekt auf der Retina scharf abgebildet. Innerhalb der Grenzen dieser Formveränderung schwankt die Brechkraft der Linse. Die Brechkraft der menschlichen Hornhaut dagegen ist konstant und beträgt 43 Dioptrien.
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Werden weit entfernte oder nähere Gegenstände größer auf der Netzhaut abgebildet?
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