Grundlagen der Optik Abstrahlwinkel, Lichtausbreitung und Lichtbrechung

Transkript

1 Grundlagen der Optik Abstrahlwinkel, Lichtausbreitung und Lichtbrechung Vorwort: Nachfolgend werde ich versuchen einige grundlegende Punkte der Optik näher zu erläutern und deren Relevanz zu unserem Hobby - der Aquaristik - aufzuzeigen. Sämtliche Inhalte sind mit größter Sorgfalt und nach bestem Wissen zusammengetragen. Eine Garantie auf absolute Richtigkeit kann ich natürlich trotzdem nicht übernehmen. Im späteren Verlauf der Ausarbeitung werden diverse Punkt anhand eines Musteraquariums betrachtet. Um dabei den Fokus auf den einfachen optischen Gesetzmäßigkeiten zu halten, wurden die folgenden Annahmen getroffen: - Keine Bewegung der Wasseroberfläche - Das Wasser wird als absolut klar angenommen also ohne Streuungeffekte durch Wassertrübung Die Inhalte dieser Ausarbeitung dürfen gerne für private Zwecke weiterverwendet werden. Über eine Quellenangabe würde ich mich natürlich trotzdem freuen.

2 Abstrahlwinkel: Den Begriff des Abstrahlwinkels findet man vor allem bei gerichteten Lichtquellen. Beispiele hierfür sind z.b. LED Strahler, oder HQI bzw. T5 mit Zusatzoptik (Reflektor) Der Abstrahlwinkel einer Lichtquelle beschreibt den Winkel, bei dem der maximale Strahlungswert auf 50% abgefallen ist. In den Datenblättern ist dabei meist eine normierte Form angegeben. Der Maximalwert des Diagramms beträgt 1 oder 100% Die Darstellung der Abstrahlcharakteristik erfolgt dabei entweder in Form eines Polarkoordinatendiagramms oder in X/Y-Darstellungsform - oder wie im Falle von Osram sogar in gemischter Form. Abbildung 1: Abstrahlcharakteristik der Osram Platinum Dragon Bei der gezeigten Osram Platinum Dragon liegt der 50% Schnittpunkt bei 60, gemessen von der Sichtrichtung der LED. Da hier in jedem der Diagramme nur die Abstrahlung auf eine Seite gezeigt wird beträgt der gesamte Abstrahlwinkel also 2x Aus energetischer Sicht betrachtet enthält der Lichtkegel, der durch den Abstrahlwinkel begrenzt wird, bei LEDs im Allgemeinen rund 90%-95% der abgestrahlten Energie.

3 Lichtausbreitung: Die Lichtausbreitung erfolgt immer geradlinig von der Quelle aus. Dabei nimmt die Bestrahlungsstärke pro Flächeneinheit Quadratisch mit dem Abstand ab. - Beim Abstand r trifft noch komplette ausgesendete Strahlungsenergie auf eine Referenzfläche. - Bei 2r trifft die gleiche Energie auf 4 Referenzflächen - Bei 3r trifft die Energie auf 9 Referenzflächen,.

4 Lichtbrechung: Trifft ein Lichtstrahl auf ein Medium mit einer anderen optischen Dichte (z.b. Wasser) so ändert sich die Richtung des Lichtstrahls. Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium ändert sich die Richtung zum Lot hin, beim Übergang in ein dünneres Medium vom Lot weg. Aus der Gesetzmäßigkeit zur Lichtbrechung lassen sich nun mehrere Grenzfälle ableiten. Trifft ein Lichtstrahl unter quasi 90 zum Lot aus der Luft auf die Wasseroberfläche (rechter Lichtstrahl) setzt er seine Weg mit 48,3 zum Lot hin im Wasser fort. Aus dieser Gesetzmäßigkeit folgt, dass es keinen Lichtstrahl mit einem Winkel > 48,3 geben kann, der aus der Luft ins Wasser übertritt. Diese Gesetzmäßigkeit gilt in beide Richtungen. Ein Lichtstrahl der also unter ~48 aus dem Wasser auf die Oberfläche trifft wird in der Luft nahe entlang der Wasseroberfläche weitergeleitet. Trifft ein Lichtstrahl unter einem größeren Winkel als die aufgezeigten 48,3 aus dem Wasser kommend auf die Oberfläche, so ist er nicht in der Lage das Wasser zu verlassen, sondern wird an der Oberfläche reflektiert (Totalreflektion).

5 Diesen Grenzfall kann man nun entsprechend dahingehen erweitern, dass man den Winkel sucht, an dem ein ins Aquarium eintretender Lichtstrahl anfängt durch die Seitenscheibe auszutreten. Die passiert bei etwa 62,9 (linker Lichtstrahl). Das nachfolgende Bild zeigt einen roten Laserstrahl, der durch Wasser mit einem Winkel > 48,3 auf die Aquarienscheibe trifft und durch die beschriebene Totalreflektion wieder in Wasser zurückreflektiert wird. Wird nun beim gleichen Aufbau der Auftreffwinkel verkleinert, so koppelt der Lichtstrahl aus dem Aquarium aus. Zur besseren Visualisierung wurde hier ein Gefäß mit gefärbtem Wasser vor das Aquarium gestellt. Hier noch eine kleine Anmerkung für Freunde von aufgeklebten Hintergründen.

6 Bringt man im Falle der gezeigten Totalreflektion einen Klebestreifen auf die Reflektionsstelle, so führt der Kleber auf dem Klebestreifen zu einem Auskoppeln des Lichtstrahls aus dem Glas. Dies lässt sich z.b. dadurch vermeiden, dass man den Hintergrund nicht flächig mit der Glasscheibe verklebt, sondern nur an den Außenkanten. Selbst der kleinste Luftspalt zwischen Glasscheibe und Hintergrundfolie ist ausreichend um den Auskopplungseffekt zu unterdrücken.

7 Strahlengangbetrachtung im Aquarium Nachdem nun jeweils kurz über einige grundlegende Eigenschaften des Lichts gesprochen wird hier nun ein erster aquaristischer Anwendungsfall. Szenario 1 Lichtweg von der Quelle aus betrachtet Betrachtet wird im Folgenden ein Aquarium im Schnittbild mit 60cm Breite und 60 cm Höhe. Beleuchtet wird mit einer fiktiven punktuellen Lichtquelle z.b. eine T5 Röhre ohne Reflektor oder eine LED mit breiter Abstrahlcharakteristik. Die LED ist mittig über dem Aquarium platziert Abstand zur Wasseroberfläche 20mm.

8 Der von der Lichtquelle in Richtung Aquarium ausgesandte Lichtkegel lässt sich 4 Bereiche unterteilen: - 1. Bereich (violett): Dies ist der Lichtanteil der Lichtquelle der die Bodenfläche des Aquariums direkt beleuchtet Bereich (grün): Dieser Lichtanteil schafft es über eine Totalreflektion an der Seitenscheibenscheibe ebenfalls bis zum Boden des Aquariums. Der Energieinhalt dieses Bereichs kann je nach Lichtquelle durchaus die Größenordnung des Bereich 1 erreichen Bereich (türkis): Dieser Lichtanteil wird beim Auftreffen auf die Seitenscheibe aus dem Aquarium ausgekoppelt und dient vornehmlich der Fußboden- oder Unterschrankbeleuchtung vor dem Becken Bereich (rot): Dieser Lichtanteil trifft nicht auf des Aquarium und kann daher nicht benutzt werden. Randnotiz: Die angegebenen Grenzwinkel weichen leicht von den Winkeln der vorherigen Zeichnungen ab. Dies ist der Ursache geschuldet, dass bei der Berechnung der o.a. Winkel ein minimal anderer Brechzahlwert für Wasser verwendet wurde ( 1,338 vs. 1,339).

9 Szenario 2 Lichtweg vom Ziel aus betrachtet Für das zweite Szenario wird der Lichtweg vom Ziel aus betrachtet also z.b. von einer Koralle aus. Basis ist wieder ein Aquarium mit 60 x 60cm. Verglichen werden sollen dieses Mal zwei verschiedene Beleuchtungen. Die erste eine punktuelle Beleuchtung mit 10cm Länge, die zweite eine flächige Beleuchtung mit 50cm Länge. Der Abstrahlwinkel beider Beleuchtungen ist 120. Strahlungsbereiche außerhalb dieses Bereichs werden nicht betrachtet. Die Aufhängehöhe ist so gewählt, dass die Beleuchtung das komplette Becken beleuchtet. Nachfolgend sind die Strahlengänge zu den 6 gelb eingezeichneten Punkten im Detail aufgezeichnet. In violetter Farbe dabei ist der Strahlungsanteil, der auf direktem Weg von Leuchte zum Zielpunkt gelangt. In grüner Farbe der Anteil, der über Totalreflektion an der Aquarienscheibe geführt wird. Um dies an dieser Stelle nochmals zu bekräftigen diese Zeichnungen zeigen unter den anfangs getroffenen Annahmen bzgl. Wasserklarheit und Wellenbewegung sämtliche von der Beleuchtung ausgehenden Strahlungsanteile auf, die bei der jeweiligen Zielpunkt ankommen. Oder um das aus Korallensicht nochmals zu formulieren eine Koralle an diesem Punkt wird lediglich von Licht aus der eigezeichneten Richtung und Winkel getroffen.

10 Betrachtungsposition Außen Unten: Betrachtungsposition Mitte Unten

11 Betrachtungsposition Außen Mitte: Betrachtungsposition Mitte Mitte:

12 Betrachtungsposition Außen - Oben: Betrachtungsposition Mitte Oben

13 Soweit nun also zur ersten kurzen Exkursion in der Bereich der geometrischen Optik. Falls Fragen aufkommen sollten jederzeit gerne im Forum ig-meeresaquaristik.de, per PN oder auch gerne per Mail an die Viele Grüße, Dietmar