Dieses erstaunliche wissenschaftliche Phänomen, sogar Newton hat sich darin geirrt

Schon vor langer Zeit wussten die alten Ägypter und Mesopotamier, wie man aus Quarzkristallen Linsen schleift, die möglicherweise zur Vergrößerung von Bildern oder zur Bündelung von Sonnenlicht verwendet wurden.

Mitte des 17. Jahrhunderts begann in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Debatte über die Natur des Lichts – die Debatte zwischen der Wellentheorie des Lichts und der Teilchentheorie des Lichts . Diese Debatte dauerte bis Mitte des 19. Jahrhunderts.

Der niederländische Physiker Huygens war der Begründer der Wellentheorie des Lichts. Der große britische Wissenschaftler Newton war der Verfechter der Teilchentheorie des Lichts.

Diese Debatte, die in der Geschichte der Entwicklung der Optik über 200 Jahre andauerte, führte die Optik auf den Weg der Entwicklung und ermöglichte es der Menschheit, die Schichten der Schleier der Optik zu lüften und ihr Wesen in der Debatte zu erkennen.

Streuung des Lichts. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Während der Debatte führte Newton ein Experiment durch.

Wenn wir Sonnenlicht durch ein Prisma fallen lassen, sehen wir auf dem Bildschirm hinter dem Prisma, dass das Sonnenlicht (weißes Licht) in ein kontinuierliches Spektrum farbiger Lichtbänder wie Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett gebrochen wird. Dies ist das berühmte Dispersionsexperiment von Newton .

Der Kern von Newtons Dispersionsexperiment ist die Lichtbrechung . Unter Lichtbrechung versteht man das Phänomen, dass sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts ändert, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht.

Wie das Bild unten zeigt, sind die „kaputten“ Bleistifte in den Tassen unseres täglichen Lebens und die Tatsache, dass Fischer beim Harpunenfischen auf den Grund der Fische zielen, die sie sehen, allesamt auf die Lichtbrechung zurückzuführen. Bei der Lichtbrechung weist dasselbe Medium unterschiedliche Fähigkeiten zur Ablenkung von Licht unterschiedlicher Farben auf, wodurch farbige Lichtbänder entstehen.

Durch das Prismendispersionsexperiment gelangte Newton voreilig zu dem falschen Schluss, dass Glaslinsen die chromatische Aberration nicht beseitigen können. Diese Schlussfolgerung scheint nun falsch zu sein.

Lichtbrechung. Bildquelle: Wikimedia

Was genau ist chromatische Aberration?

Wie in der Abbildung unten gezeigt, können die meisten optischen Gläser rotes Licht nur schwach und blauviolettes Licht stark ablenken. Das heißt, ihr Brechungsindex für rotes Licht ist niedrig, während ihr Brechungsindex für blauviolettes Licht hoch ist. Bei der Beobachtung von Zellen mit einem Mikroskop mit chromatischer Aberration erscheinen die beobachteten Zellen im äußeren Kreis rot und in der Mitte blaugrün. Dies nennen wir chromatische Aberration.

Chromatische Aberration, die durch eine einzelne Linse verursacht wird. Bildquelle: Wikimedia

Wenn im aus optischem Glas bestehenden optischen Transmissionssystem (Linse) eine chromatische Aberration vorliegt, wird die Bildqualität erheblich reduziert. Wie auf dem Foto mit den weißen Blumen unten zu sehen ist, führt die chromatische Aberration der Linse dazu, dass an den Rändern der Blütenblätter ein deutliches „Regenbogenband“-Phänomen auftritt.

Wissenschaftler brauchten Hunderte von Jahren, um die chromatische Aberration zu entdecken, zu verstehen und zu korrigieren. Auch heute noch ist sie ein Forschungsthema in der Optik und hat einige klassische Geschichten hervorgebracht.

Der Einfluss der chromatischen Aberration auf Bildeffekte. Bildquelle: Wikimedia

Das Teleskop ist eines der frühesten optischen Instrumente und seine Entwicklung verläuft parallel zur Entwicklung des optischen Bereichs, zu der natürlich auch die Forschung zur chromatischen Aberration gehört.

Aufgrund der ungleichmäßigen Brechungseigenschaften einer einzelnen Linse kam es bei Teleskopen des 17. und frühen 18. Jahrhunderts häufig zu chromatischer Aberration.

Die Teleskophersteller dieser Zeit stellten fest, dass Objekte mit langen Brennweiten eine bessere Bildqualität hatten. Daher erhöhten die Hersteller in der Anfangszeit der Teleskopentwicklung die Brennweite der Linsen immer so weit wie möglich. Allerdings konnte bisher niemand eindeutig darlegen, dass die bessere Bildqualität bei Teleskopen mit großer Brennweite auf die geringere chromatische Aberration zurückzuführen ist.

Ein frühes Linsenteleskop. Bildquelle: Wikimedia

Nach dem Prismendispersionsexperiment im Jahr 1666 entdeckte Newton, dass weißes Licht aus mehreren Lichtfarben besteht, was ihn zu dem Schluss führte, dass die unterschiedlichen Brechungsindizes verschiedener Lichtfarben die Ursache der chromatischen Aberration sind . Dies war nicht nur ein grundlegender Fortschritt in der optischen Theorie, sondern lieferte auch eine korrekte Erklärung für die chromatische Aberration.

Newton gelangte jedoch voreilig zu dem Schluss, dass Brechung und Dispersion aller Glasmaterialien durch dieselbe lineare Funktion miteinander verbunden seien, und gelangte so zu der falschen Schlussfolgerung, dass die chromatische Aberration einer Linse nicht korrigiert werden könne. Im Gegensatz dazu gibt es bei Reflektoren nicht das Problem unterschiedlicher Brechungsindizes für Licht unterschiedlicher Wellenlängen und sie galten damals als einzige Möglichkeit, chromatische Aberration zu vermeiden.

Newtons Fehler führte zur Geburt des ersten Spiegelteleskops, das in seiner Leistung mit den damaligen Linsenteleskopen mithalten konnte .

Nachbau des 6-Zoll-Spiegelteleskops, das Newton 1672 benutzte. Bildquelle: Wikimedia

Aufgrund der Leistungen und des guten Rufs Newtons in der wissenschaftlichen Gemeinschaft behinderten seine fehlerhaften Schlussfolgerungen die Weiterentwicklung von Linsenteleskopen für die nächsten 50 Jahre bis zur Erfindung der achromatischen Objektive im 18. Jahrhundert .

Um die Entstehung achromatischer Linsen vorzustellen, müssen wir zunächst zwei Arten von optischem Glas vorstellen. Das früheste optische Glas wurde entsprechend dem Bleioxidgehalt in Kronglas und Flintglas unterteilt. Der Gehalt unter 3 % war Kronglas, der Gehalt über 3 % war Flintglas.

Später, als die Zahl der Glasarten zunahm, wurden der Brechungsindex und der Dispersionskoeffizient zur Klassifizierung verwendet. Der Brechungsindex von Kronglas liegt üblicherweise unter 1,6 und der Dispersionskoeffizient (auch Abbe-Zahl genannt, je größer der Wert, desto geringer die Dispersion) liegt über 50. Bei Flintglas ist es umgekehrt.

Glas-Abbe-Diagramm. Bildquelle: Wikimedia

Im Jahr 1695 stellte David Gregory, der Neffe des Mathematikers James Gregory , Newtons Theorie in Frage. Er begründete dies damit, dass bei der Beobachtung des menschlichen Auges keine chromatische Aberration auftritt und dass die Struktur des menschlichen Auges mit der Struktur einer Linse verglichen werden kann.

Im Jahr 1729 stellte der britische Anwalt und Erfinder Chester Moor Hall die grundlegende Theorie der achromatischen Doubletlinse vor. Er fand heraus, dass Flintglas für das Kunsthandwerk und Kronglas für Linsen unterschiedliche Lichtbrechungseigenschaften aufweisen. Durch die Verwendung von Kronglas als konvexe Linse zum Konvergieren von Licht und Flintglas als konkave Linse zum Divergieren von Licht kann die chromatische Aberration innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs wirksam reduziert werden. Das Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Hall fertigte einige dieser Linsen in seinem Londoner Optikerbüro und 1733 kam das erste achromatische Transmissionsteleskop mit einem Durchmesser von 65 mm und einer Brennweite von 500 mm auf den Markt.

Im Jahr 1750 erkannte der britische Optiker John Dollond die Möglichkeit achromatischer Linsengruppen, führte eine Reihe von Experimenten durch und gewann 1758 die Copley-Medaille der Royal Society of London.

Achromatische Linse. Bildquelle: Wikimedia

Die Verwendung achromatischer Linsen war ein wichtiger Fortschritt in der Entwicklung optischer Mikroskope und Teleskope .

Heutzutage ist die Perfektion der chromatischen Aberrationskorrektur im Objektivdesignprozess verschiedener häufig verwendeter Fotoausrüstungen ein wichtiger Bewertungsindikator, und die chromatische Aberrationsleistung bestimmt in gewissem Maße auch den Preis des Objektivs.

Das häufigste Beispiel ist, dass in der Produkteinführung einiger Objektive angegeben wird, dass sie ein Fluorit-Linsendesign (CaF₂) verwenden und über eine gute Qualität zur Korrektur der chromatischen Aberration verfügen. Dies liegt daran, dass Fluorit eine relativ geringe Dispersion aufweist und seine anderen physikalischen Parameter auch dazu führen, dass Linsen aus diesem Material besser zur Korrektur der chromatischen Aberration geeignet sind. Fluorit ist relativ teuer, daher ist auch der Preis dieser Achromatlinse höher.

Unachromatisches Bild im Vergleich zum Bild, das mit einem achromatischen Kameraobjektiv aufgenommen wurde. Bildquelle: Wikimedia

Mit der Entwicklung und Verbesserung der Aberrationstheorie, der Erweiterung der optischen Glasarten und der Popularisierung der computergestützten Designtechnologie wurden bei der Entwicklung und Implementierung achromatischer optischer Systeme große Fortschritte erzielt. Achromatische Linsen sind mittlerweile überall zu sehen, von Handyobjektiven, Kameraobjektiven, Projektoren, tragbaren Teleskopen bis hin zu astronomischen Teleskopen.

Heutzutage ist die Achromaten-Technologie nicht mehr nur auf achromatische Linsengruppen beschränkt. Auch neue Technologien wie binäre optische Elemente und Superlinsen zeigen ihre Stärken bei der Korrektur chromatischer Aberration.

Das binäre optische Element arbeitet nach dem Prinzip der Lichtbeugung. Dabei kommen computergestütztes Design und Fertigungstechnologie für integrierte Schaltkreise im ultragroßen Maßstab zum Einsatz, um Reliefstrukturen mit unterschiedlichen Stufentiefen auf die Oberfläche des optischen Elements zu ätzen und so ein diffraktives optisches Element mit extrem hoher Beugungseffizienz zu bilden.

Anders als bei gewöhnlichen Linsen ist die Brennweite binärer optischer Linsen umgekehrt proportional zur Wellenlänge, und auch die Reihenfolge der durch Dispersion erhaltenen Farbbänder ist entgegengesetzt zu der von Linsen aus demselben Material. Daher kann das optische System durch die Einführung binärer optischer Elemente die chromatische Aberration beseitigen.

Schematische Darstellung einer Fresnel-Linse. Bildquelle: Wikimedia

Eine Superlinse ist eine zweidimensionale planare Linsenstruktur, die aus einer großen Anzahl von Mikroeinheiten besteht, die auf eine bestimmte Weise auf einer zweidimensionalen Ebene angeordnet sind. Es ist extrem klein, leicht und einfach zu integrieren. Es kann die verschiedenen Eigenschaften des einfallenden Lichtstrahls flexibel steuern und so den Zweck der Achromatisierung erreichen.

Abbildung Schematische Darstellung einer Superlinse (Opt. Express 28, 26041-26055 (2020))

Obwohl die Theorie der chromatischen Aberration in ihrer Entwicklung viele Wendungen erfahren hat, sind die heutigen Bilder für den allgemeinen Bedarf dank ihrer Weiterentwicklung nicht mehr von chromatischer Aberration betroffen und die von uns aufgenommenen Bilder sind zudem reicher und realistischer.

Verstehen Sie nach dem Lesen des obigen Inhalts den Farbunterschied?

Autor: Meng Qingyu, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften; Qi Yunsheng, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Masterstudent

Rezensent: Jiao Shuming Pengcheng Laboratory

Quelle: Offizielles WeChat-Konto des Light Science Forum/„China Optics“