Linsen

Die Eigenschaften einer Linse mit Kugeloberflächen (sphärische Linsen) werden durch die beiden Radien, die Dicke und die Glassorte (Brechungsindex, Dispersion) bestimmt. Je nachdem, ob die Linse in der Mitte oder am Rand dicker ist, unterscheidet man Sammel- und Streulinsen:
 

Eine Sammellinse ist in der Lage, parallel einfallende Lichtstrahlen (etwa Sonnenlicht) in einem Punkt (dem Brennpunkt) zu bündeln. Den Abstand von der Linsenmitte zum Brennpunkt bezeichnet man als Brennweite der Linse. Die Namen sind einleuchtend, kann man doch mit der Sonne und einer hinreichend grossen Sammellinse mehr oder weniger freiwillig nützliche Gegenstände in Brand setzen.
 

Die Brennweite einer Linse ( f ) wird üblicherweise in mm angegeben. Die Angabe Dioptrien, die in der Augenoptik und bei Nahlinsen noch üblich ist, errechnet sich nach 1000 mm / f , 4 Dioptrien entsprechen also 250 mm. Negative Vorzeichen werden für Streu- und positive für Sammellinsen verwendet.
 

Mit einer einzelnen Linse kann man bereits eine Abbildung erzeugen, wie man mit Hilfe einer einfachen Lupe an einer weissen Wand leicht überprüfen kann. Zu fotografischen Zwecken werden aber wegen der Abbildungsfehler keine einzelnen Linsen, sondern Linsenkombinationen (Objektive) eingesetzt. So können durch Kombination mehrerer Linsen aus verschiedenen Glassorten beispielsweise die chromatischen Fehler weitgehend korrigiert werden, wie das in der Abbildung anhand eines Tessars übertrieben angedeutet ist. Für die unterschiedlichen Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Objektivkonstruktionen.
 

Das durch eine einfache Sammellinse entstehende Bild lässt sich folgendermassen konstruieren: Parallelstrahlen werden zu Brennstrahlen (gehen also durch den Brennpunkt), Brennstrahlen werden Parallelstrahlen (die Lichtwege sind grundsätzlich umkehrbar!) und Mittelpunktsstrahlen bleiben Mittelpunktsstrahlen. Aus den Winkelsätzen ergeben sich die folgenden Zusammenhänge:
 

Dies gilt jedoch nur für dünne Linsen, also solche, deren Dicke gegen die anderen Grössen (Bildweite ...) vernachlässigbar ist. Bei komplexen optischen Systemen muss man jeden Glas-Luft-Übergang einzeln betrachten. Bei einem fertig aufgebauten optischen System (Objektiv) kann man sich jedoch damit behelfen, dass man eine Hauptebene für den Bildraum und eine für den Objektraum definiert:
 

Dabei können sich die Hauptebenen auch ausserhalb des Objektivs befinden oder vertauscht sein, sodass sich Bild- und Objektraum überschneiden. Die Lage der Hauptebenen ist in den technischen Daten zu Objektiven angegeben.

Der Punkt, in dem die optische Achse die bildraumseitige Hauptebene (Hauptebene 1) schneidet, wird Nodalpunkt genannt. Er ist für exakte Kameraausrichtungen wichtig: Von der Lage des Nodalpunktes hängt die Perspektive ab. Dreht man eine Kamera um den Nodalpunkt, ändert sich die Perspektive (das Verhältnis von Vorder- zu Hintergrund) nicht. Man kann z.B. mehrere Fotos problemlos von entsprechender Software zu Panoramafotos zusammenrechnen lassen (stitching), wenn man die Kamera zwischen den Aufnahmen um den Nodalpunkt gedreht hat und sich die Aufnahmen überschneiden.
 

Fresnellinsen sind flache Linsen, die sich aus Kunststoff pressen lassen und die beispielsweise als Kondensorlinsen bei Overheadprojektoren, zur Erzielung heller Sucherbilder oder als flache Lupen (Blattlupen) zum Einsatz kommen. Im Prinzip handelt es sich um Linsen, denen blockweise die "optisch unwirksamen" Quader entnommen wurden. Es gibt auch entsprechende Streulinsen etwa als Einparkhilfe für Autoheckscheiben. Zur optischen Abbildung sind sie wegen der sichtbaren Ringe an den Übergängen nicht geeignet.