3. Optik Farbwiedergabe in den Medien

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1 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien

2 Was ist Optik? Optik: vom griechischen optike : Lehre vom Sichtbaren Also: Unter Optik verstehen wir die Lehre vom Licht. Was ist Licht? Licht spielt in zahlreichen Bereichen eine besondere Rolle: Lichterzeugung Licht zum Beleuchten Licht zum Informieren Licht und Farbe als Produktmerkmal Licht ist eine spezielle Energieform, ist transformierbar und lässt sich in andere Energieformen umwandeln. Licht im engeren Sinne ist elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen etwa 380 nm und 780 nm. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 3

3 Der Farbwahrnehmungsprozess 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 4

4 Licht, Teil der elektromagnetischen Strahlung Lediglich ein winziger Ausschnitt der Bandbreite der elektromagnetischen Welle umfasst das sichtbare Licht. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 5

5 Elektromagnetische Strahlung: Aufnahmen der Milchstraße 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 6 Quelle: Brockhaus Vom Urknall zum Menschen. Leipzig: Brockhaus, 1999

6 Zuordnung optischer Effekte zu den Optikmodellen Absorption Beugung Polarisation Quantenoptik Emission Wellenoptik Interferenz Photo-Effekt Reflexion Strahlenoptik Dispersion Brechung Strahlenoptik: Beschreibung von Erscheinungen, wie die Ausbreitung von Licht, die Reflexion, die Brechung und des Strahlenverlaufs bei Spiegeln, Linsen und optischen Geräten. Wellenoptik: Beschreibung von Erscheinungen, wie zum Beispiel die Beugung und die Interferenz von Licht. Quantenoptik: Beschreibung von Erscheinungen, wie die Emission und die Absorption von Licht. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 7

7 Grundlagen der Geometrischen Optik (Strahlenoptik) Licht breitet sich geradlinig aus. Lichtbündel bestehen aus vielen Lichtstrahlen. Die Modellvorstellung des Lichtstrahls gewinnt man durch Reduzierung auf beliebig feine Teilbündel. parallel: Die Stahlen verlaufen parallel verlaufen, was man auch als gerichtet bezeichnet. divergent: Die Stahlen gehen radial von einem gemeinsamen Punkt aus. konvergent: Die Strahlen laufen auf einen gemeinsamen Schnittpunkt zu. diffus: Die Strahlen haben weder einen gemeinsamen Ausgangspunkt noch einen gemeinsamen Zielpunkt. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 8

8 Beispiel: gerichtetes und ungerichtetes Licht Ein weißer Gegenstand im direkten Sonnenlicht. Der gleiche Gegenstand im diffusen Tageslicht. Die Richtung des Lichts ist aus der Verteilung von Licht und Schatten am Objekt deutlich abzulesen. Quelle: Zwipfer, Farbe, Licht Sehen Empfinden, Haupt Optik Farbwiedergabe in den Medien 9

9 Reflexion Einfallswinkel α = Reflexionswinkel β Alle Winkel werden zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot gemessen. Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene. Das Reflexionsgesetz gilt auch, wenn die reflektierende Oberfläche unregelmäßig ist. Parallele Strahlen werden an ihr diffus reflektiert. Jeder Strahl genügt dem Reflexionsgesetz. reguläre Reflexion diffuse Reflexion Einfallswinkel α = Ausfallswinkel β diffuse Reflexion an rauen Flächen 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 10

10 Reflexion an Oberflächen vollkommen gerichtet (Spiegel) unvollkommen gestreut (Aluminium, satiniert) vollkommen gestreut Integrale Betrachtung der Oberflächenreflexion. Was bedeutet das für eine Messung? 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 11

11 Brechung (1) An der Grenzfläche zweier Medien wird ein Lichtstrahl nicht nur reflektiert, sondern er tritt mit einem Teil seiner Energie in anderer Richtung in das neue Medium über, er wird gebrochen. Allgemeingültiges Brechungsgesetz nach SNELLIUS: sin sinα α 1 = 2 c c 1 2 oder c = 2 sinα1 c1 sinα 2 α 1 α 2 c 0 Einfallswinkel (zum Lot gemessen) Brechungswinkel (zum Lot gemessen) Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c 1,c 2 Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium 1 bzw. Medium 2 n Brechzahl 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 12

12 Abbildungsgesetze der Linsen Brennweite Abbildungsmaßstab: Abbildungsgleichung: Brechkraft in Dioptrie (dpt): 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 17 B β = = G 1 1 f b g 1 = + g b D = 1 f

13 Beschreibung der elektromagnetischen Welle (1) abgeleitete Größen Wellenlänge λ Abstand zweier benachbarter Wellenfronten Frequenz ν Anzahl der Schwingungen je Zeiteinheit t Amplitude a Maximalwert der Auslenkung 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 19

14 Licht als elektromagnetischen Welle In einer elektromagnetischen Welle stehen das elektrische und das magnetische Feld senkrecht aufeinander und beide schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Stärke des elektrischen Felds E H Stärke des magnetischen Felds s k H E H k E k 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 20

15 Wellenoptik Interferenz: Überlagerung zweier oder mehrerer kohärenter Wellen, die an einem Raumpunkt zusammentreffen. Beugung: Abweichung der Wellenausbreitung von der geometrischen Strahlrichtung an einem Hindernis oder einer Öffnung im Strahlengang. Polarisation: Beschreibt die Schwingungsrichtung einer elektromagnetischen Welle. Dispersion: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Brechung von elektromagnetischen Wellen ist abhängig von ihrer Wellenlänge. Streuung: Die Erzeugung sekundärer Lichtwellen beim Auftreffen einer primären Lichtquelle auf Materie. Im engeren Sinn versteht man darunter die Erzeugung von Sekundärwellen gleicher Frequenz. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 23

16 Interferenz (1) Interferenz ist die Überlagerung von Wellen. Voraussetzung für die Interferenz ist kohärentes Licht. Beträgt beim Zusammentreffen der Wellen der Gangunterschied ein geradzahliges Vielfaches von λ/2 tritt eine Verstärkung (konstruktive Interferenz) ein. Bei einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/2 tritt eine Schwächung bzw. bei gleicher Intensität beider Teilstrahlen ein Auslöschen auf (destruktive Interferenz). 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 24

17 Beugung und Interferenz am Doppelspalt Das an scharfen Kanten vorbeilaufende Licht wird in den Schattenraum gebeugt. Nach dem HUYGENschen Prinzip bilden sich an den Kanten eines engen Spalts Elementarwellen. Je nach Richtung kommt es zu einem Gangunterschied zwischen den Wellen, die zu konstruktiven und destruktiven Interferenz führen. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 26

18 Beugungsgitter Der Sinus des Beugungswinkels ist der Wellenlänge proportional. Rotes Licht wird am stärksten abgelenkt. Die Länge der Farbbereich entsprechen den Wellenlängenbereichen der Farbe. Das Beugungsspektrum wird auch Normalspektrum genannt. sin α min = ±k λ g mit k=1, 2, 3, 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 28

19 Polarisation (1) Eine Welle wird als polarisiert bezeichnet, wenn bestimmte Richtungen der Amplitude des elektrischen Feldes bevorzugt werden. Polarisationsmöglichkeiten linear polarisiert (Schwingung lediglich quer zur Ausbreitungsrichtung) zirkular polarisiert elliptisch polarisiert Zirkular oder elliptisch polarisierte Wellen können in je zwei linear polarisierte Wellen zerlegt werden. Natürliches Licht ist unpolarisiert, aber da es sich bei Licht um eine transversale elektromagnetische Welle handelt, lässt sie sich polarisieren. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 29

20 Polarisation (2) linear polarisiertes Licht zirkular polarisiertes Licht Anwendung: Fotografie, Densitometer Anwendung: LCD-Monitore Animation: 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 30

21 Polarisation (3) Polarisation durch: Polarisatoren (Polarisationsfolien) Fotografien ohne und mit Polarisationsfilter Reflexion Doppelbrechung Quelle: 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 31

22 Dispersion Unter Dispersion von Wellen versteht man die Erscheinung, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit c n einer Welle in einem Medium von der Wellenlänge λ abhängig ist. c n = f (λ) Die Zerlegung des weißen Tageslichtes in seine Spektralfarben bezeichnet man aus dem oben genannten Grund ebenfalls als Dispersion. Jede Wellenlänge des Lichts besitzt eine andere Brechzahl n. Die Brechzahl n nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Wellenlänge λ und Brechzahl n sind jedoch einander nicht indirekt proportional. c In vielen Fällen trifft die MAXWELL-Relation zu: n = ε ν = ε Dielektrizitätskonstante 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 32

23 Beispiel Dispersion: Regenbogenfarben Der Regenbogen entsteht durch Reflexion und Dispersion des Sonnenlichts an Wassertröpfchen. Sichtbarkeit des Hauptregenbogens unter einem Winkel von 42. Quelle: Welsch, Farben, Spektrumverlag Optik Farbwiedergabe in den Medien 33

24 Lichtstreuung Nur im materiefreien Raum pflanzt sich das Licht ungestört geradlinig fort. Sobald es auf Materie fällt, geht von jedem Teilchen eine Sekundärwelle aus, die je nach Größe und der optischen Beschaffenheit des Teilchens eine charakteristische Richtungsverteilung hat. Der Begriff ist sehr allgemein, so dass sich fast alle anderen optischen Grundphänomene unterordnen lassen. Im engeren Sinn versteht man unter Lichtstreuung die Erzeugung sekundärer Lichtwellen beim Auftreffen einer primären Lichtquelle auf Materie. Oft meint man damit auch die kohärente Streuung, d. h. die Erzeugung von Sekundärwellen gleicher Frequenz, die für jedes streuende Einzelteilchen in einer konstanten Phasenbeziehung zur einfallenden Welle stehen. Entscheidend für die Intensität, die Richtungsverteilung und die Wellenlängenabhängigkeit der Streuung ist der Teilchendurchmesser D der Streuzentren. Bei der Streuung von Licht an den Luftmolekülen kann man die Teilchen als kugelförmig und isotrop ansehen. Kurzwelliges Licht wird stärker gestreut als langwelliges Licht; violettes Licht (400 nm) 16 mal stärker als rotes Licht (780 nm). Die Streuung erfolgt nach der RAYLEIGHT-Bedingung proportional zu 1/λ Optik Farbwiedergabe in den Medien 34

25 Lichtstreuung - Beispiel Die blaue Farbe des Himmels wird durch die Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen und an Staubpartikeln hervorgerufen. Beim Abendrot werden die kurzwelligen blauen und grünen Anteile stärker gestreut und gelangen zu einem geringeren Anteil zum Beobachter. Regenwolken, die aus relativ großen Wassertropfen bestehen, streuen nicht mehr wellenlängenabhängig und wirken daher grau. 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 35

26 Quantenmodell des Lichts Bei jeder Interaktion zwischen Strahlung und Materie kann Energie nur in Einheiten der Quanten ausgetauscht werden. Je höher die Frequenz elektromagnetischer Strahlung ist, desto deutlicher wird die Partikelnatur. Elektromagnetische Energie tritt nur in diskreten Energiestufen auf. Für eine gegebene Frequenz muss sie ein ganzzahliges Vielfaches von h. ν sein. E = h ν Ein elektromagnetisches Quantum wird Photon genannt. E wird im Weiteren als Q bezeichnet: Q = E = h ν Eigenschaften von Photonen: Photonen bewegen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit. Ruhende Photonen gibt es nicht. Die Energie eines Photons ist umso größer, je größer seine Frequenz ist. ν h Frequenz Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Js 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 37

27 Entstehung von Photonen Wie entstehen Photonen? Bei der Zufuhr von Energie, z. B. in Form von Licht oder Wärme, gelangen Elektronen in ein höheres Energieniveau. Emission (Abgabe) von Licht: Die Elektronen springen in einen niedrigen Energiezustand zurück. Dabei wird Energie frei, die in Form von Photonen abgegeben wird. Zufuhr von Energie Emission von Licht 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 38

28 Lichttechnische Größen Radiometrie: Charakterisierung des Lichts durch strahlungstechnische Größen Messung von Licht aus rein physikalischer Sicht. Beschreibt und misst Strahlung und ihre Interaktion mit Materie. Bestimmung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung im Gebiet der optischen Strahlung. Radiometrische Begriffe beziehen sich entweder auf Energie oder auf Teilchen (Natur der Strahlung). radiometrische Größen mit Einheiten: Strahlungsleistung Strahlungsstärke Bestrahlungsstärke Strahlungsdichte Φe Ie Ee Le [Φ e ] = W W [ I e ] = sr W [ E e ] = m² W [ L e ] = m ² sr sr = Steradiant 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 39

29 Strahlungsleistung Die Strahlungsleistung Φ e (auch Strahlungsfluss genannt, engl.: radiant flux) ist die Strahlungsenergie dq, die pro Zeiteinheit dt durch elektromagnetische Strahlung transportiert wird. Strahlungsenergie Q ist die Energie, die durch elektromagnetische Strahlung transportiert wird. fließt von der Strahlungsquelle zum Strahlungsempfänger. ist abhängig von Wellenlänge und Amplitude der Strahlung. Strahlungsleistung Φ e : Φ = e dq dt Die Strahlungsleistung besitzt W als Einheit. Index e: energetisch 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien 40

30 Impressum Farbwiedergabe in den Medien Vorlesung im WS Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Druckmaschinen und Druckverfahren Magdalenenstr Darmstadt 3. Optik Farbwiedergabe in den Medien