Optische Instrumente

Optischen Instrumenten liegen wissenschaftliche Erkenntnisse der Optik zugrunde. Die Optik ist eine Teildisziplin der Physik, welche die Ausbreitung von Licht und seine Wechselwirkung mit Materie untersucht und erklärt. Die Gesetzmäßigkeiten der physikalischen Optik fließen in die technische Optik ein und beeinflussen somit die Auslegung, das Design und die Fertigung optischer Instrumente.
Das wohl bekannteste optische Instrument, allerdings natürlichen Ursprungs, ist das menschliche Auge. Seiner Fähigkeit, elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von 380 nm (violett) bis 780 nm (rot), auch als sichtbares Licht bezeichnet, durch Fotorezeptoren auf der Netzhaut in Nervenimpulse umzuwandeln, welche im Sehzentrum des menschlichen Gehirns verarbeitet werden, verdankt der Mensch sein visuelles Wahrnehmungsvermögen. Die optischen Mechanismen, welche im menschlichen Auge zum Tragen kommen, macht man sich auch bei einfachen optischen Instrumenten zu Nutze. Durch Veränderung von Krümmungsradien und Brechungsindizes werden Brennweiten manipuliert und Lichtstrahlen gebündelt wodurch Gegenstände größer dargestellt werden können. Mikroskope, Lupen, Ferngläser oder Teleskope basieren auf diesem einfachen Prinzip. Zumeist handelt es sich bei diesen Instrumenten um passive Geräte, d.h. eine externe Lichtquelle ist für Messungen notwendig. Kompliziertere Systeme werden beispielsweise in der Satellitentechnik verwendet, wo Radio- und Spektrometer für Intensitätsmessungen und Spektralanalysen zum Einsatz kommen.
Neben den Passiven Geräten kommen in verschiedenen Bereichen auch aktive optische Instrumente zum Einsatz. In CD-Laufwerken werden beispielsweise Laser verwendet, um die gespeicherten Informationen auf der Datenträgeroberfläche auszulesen. Eine weitere bekannte Technologie ist das LIDAR (Light Detection And Ranging). Ähnlich dem Radar, allerdings unter Verwendung von Laserimpulsen, wird es zur Geschwindigkeits-, Entfernungsmessung und Objekterkennung eingesetzt. Die auf deutschen Autobahnen installierten Mautbrücken oder auch die von der Polizei eingesetzten Laserpistolen der Polizei basieren auf dieser Technologie.
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Funktionsprinzipien optischer Instrumente

Passive optische Instrumente: Wichtige Bauelemente passiver optischer Instrumente sind optische Linsen. Optische Linsen sind lichtdurchlässige Gläser mit zwei lichtbrechenden Oberflächen. Die brechende Eigenschaft der Oberflächen entsteht durch konkave oder konvexe Wölbung der Oberfläche. Bei planer Oberfläche wird das Licht nicht gebrochen. Wird ein Gegenstand durch eine Linse betrachtet kann er je nach Ausformung der Linse vergrößert oder verkleinert werden. Entscheidendes Merkmal und maßgebliche Kennzahl einer Linse ist dabei die Brennweite bzw. deren Kehrwert, der Brechwert, welcher in der Einheit Dioptrien angegeben wird und bei der Klassifizierung von Brillengläsern eine Rolle spielt. Demnach können mit Linsen Brennweiten verändert werden um das optische Abbild eines Gegenstandes in seiner Größe anzupassen.

Aktive optische Instrumente: Im Gegensatz zu passiven Instrumenten benötigen aktive optische Instrumente eine eigene Lichtquelle zur Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen. Grundlegendes Prinzip ist dabei die Ausstrahlung gebündelter elektromagnetischer Wellen und dem Empfang des entstehenden Echos bei Reflektion an Objekten und Oberflächen. Wo Radarsysteme mit unsichtbaren kurzwelligen Radiowellen arbeiten, senden optische Instrumente elektromagnetische Impulse im sichtbaren Bereich aus (Laser). Durch Relation von Signallaufzeiten und der Lichtgeschwindigkeit kann eine exakte Entfernungsmessung durchgeführt, Geschwindigkeiten bestimmt und die Abbildung von Objekten ermöglicht werden.