Mikroskoplinsen

Mikroskope lassen uns in unsichtbare Welten blicken, die unsere Augen nie sehen könnten, Teleskope führen uns weit über die Erde hinaus zu den Sternen und Planeten des Nachthimmels, Filmprojektoren werfen riesige Bilder auf die Leinwand, und Leuchttürme werfen beruhigende Lichtstrahlen weit über den Ozean.

Erstaunliche Kurven aus Glas oder Kunststoff, Linsen genannt, machen all diese Dinge möglich.
Schauen wir uns einmal genauer an, was sie sind und wie sie funktionieren!

Was sind Linsen?
Eine Linse ist ein transparentes Stück Glas oder Kunststoff mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche. Ihr Name leitet sich vom lateinischen Wort für "Linse" ab (eine Art Hülsenfrucht, die in der Küche verwendet wird), aber lassen Sie sich davon nicht verwirren.
Es gibt keinen wirklichen Grund dafür, außer dass die gebräuchlichste Art von Linse (genannt Konvexlinse) sehr ähnlich wie eine Linse aussieht!

Wie funktionieren Linsen bei Mikroskopen oder Teleskopen ?
Eine Linse funktioniert durch Brechung: Sie krümmt Lichtstrahlen, wenn sie durch sie hindurchgehen, sodass sie ihre Richtung ändern. Das bedeutet, dass die Strahlen von einem Punkt zu kommen scheinen, der näher oder weiter weg von ihrem tatsächlichen Ursprung ist - und das ist es, was Objekte, die durch eine Linse gesehen werden, entweder größer oder kleiner erscheinen lässt, als sie tatsächlich sind.

Arten von Linsen für Mikroskope und Teleskope
Es gibt zwei Haupttypen von Linsen, die als konvex (oder konvergierend) und konkav (oder divergierend) bezeichnet werden.

Konvexe Linsen
Bei einer Konvexlinse (manchmal auch Positivlinse genannt) wölben sich die Glas- (oder Kunststoff-) Flächen in der Mitte nach außen, wodurch die klassische linsenartige Form entsteht.
Eine Konvexlinse wird auch Konvergenzlinse genannt, weil sie parallele Lichtstrahlen, die durch sie hindurchgehen, nach innen krümmt und an einem Punkt direkt hinter der Linse, dem sogenannten Brennpunkt, zusammentreffen (konvergieren) lässt. 

Konkave Linsen
Eine konkave Linse ist genau das Gegenteil mit nach innen gekrümmten Außenflächen, so dass sie parallele Lichtstrahlen nach außen krümmt oder divergieren lässt.
Deshalb werden konkave Linsen manchmal auch als Zerstreuungslinsen bezeichnet. (Eine einfache Möglichkeit, sich den Unterschied zwischen konkaven und konvexen Linsen zu merken, ist, sich konkave Linsen als nach innen gewölbt vorzustellen).

Wie misst man die Stärke eines Objektivs?
Wenn Sie schon einmal durch ein Fernglas, ein Teleskop oder eine Lupe geschaut haben, werden Sie wissen, dass einige Objektive die scheinbare Größe eines Objekts viel stärker vergrößern (oder verkleinern) als andere. Es gibt ein einfaches Maß, das Ihnen sagt, wie stark ein Objektiv ist, und es ist bekannt als die Brennweite.
Die Brennweite eines Objektivs ist der Abstand von der Mitte des Objektivs zu dem Punkt, an dem es Lichtstrahlen bündelt.
Je kürzer die Brennweite, desto stärker ist das Objektiv. (Es ist leicht einzusehen, warum: Ein gewöhnliches Stück Glas wäre wie eine Linse mit unendlicher Brennweite und würde Lichtstrahlen überhaupt nicht in einen Brennpunkt bringen.
Auf der anderen Seite würde eine unendlich starke Linse Lichtstrahlen in einer unendlich kurzen Entfernung mit einer Brennweite von Null in einen Brennpunkt bringen.
Eine echte Linse liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen).

Sie finden Brennweiten entweder in gewöhnlichen Längeneinheiten (wie Zentimeter, Millimeter oder Zoll) oder in speziellen optischen Einheiten, die Dioptrien genannt werden.
Das Dioptrienmaß eines Objektivs ist der Kehrwert der Brennweite in Metern (eins geteilt durch die Brennweite), also 1 Dioptrie = 1 m, 2 Dioptrien = 0,5 m, 3 Dioptrien = 0,33 m, und so weiter.
Brillenrezepte vom Optiker geben die Stärke der benötigten Korrekturgläser typischerweise in Dioptrien an.

Die Brennweite ist nicht die einzige wichtige Eigenschaft eines Objektivs. Größere Linsen sammeln mehr Licht als kleinere, sodass sie ein helleres Bild erzeugen.
Dies ist besonders wichtig, wenn Sie ein Objektiv für eine Kamera auswählen, da die Lichtmenge, die das Objektiv sammelt, bestimmt, wie das Bild aussieht.
Kameraobjektive werden in der Regel mit einer Messung bewertet, die als Blendenzahl bezeichnet wird und die Brennweite geteilt durch den Durchmesser angibt.
Generell gilt, dass Objektive mit einer kleinen Blendenzahl hellere Bilder erzeugen.
Objektive mit einer höheren Blendenzahl haben eine größere Schärfentiefe, d. h., es wird mehr von dem Objekt, das Sie fotografieren, und seiner Umgebung gleichzeitig scharf abgebildet. 

Ein normales Objektiv hat eine feste Brennweite - es erfüllt also eine Aufgabe und nur eine Aufgabe.
Aber was ist, wenn man möchte, dass sie ein wenig mehr vergrößert oder auf etwas fokussiert, das etwas näher oder weiter weg ist? Unsere eigenen Augen (und Gehirne) lösen dieses Problem mit flexiblen Linsen, die ihre Form unter der Kontrolle der kleinen Ziliarmuskeln um sie herum ändern können; durch Strecken oder Zusammendrücken der Linsen ändert sich ihre Brennweite. 

Was ist mit Ferngläsern, Teleskopen und Kameras, bei denen die Dinge, auf die man schauen möchte, nicht immer gleich weit entfernt sind? 
Bei Ferngläsern und Teleskopen ist die Lösung eine Fokussierschraube, die die Linsen in den Tuben näher zueinander oder weiter auseinander bewegt.
Zoom-Objektive in Kameras funktionieren ähnlich, mit mehreren Linsen, die durch Drehen mit den Fingern oder, bei automatischen Kameras, durch Drücken einer motorisierten Steuerung, die das Gleiche tut, zusammen oder auseinander bewegt werden können. 
Zoomobjektive, die auf diese Weise funktionieren, werden als optische Zooms bezeichnet. 
Digitale Zooms in Digitalkameras imitieren den gleichen Prozess mit Hilfe von Computersoftware, wobei sie effektiv einen kleineren Teil des Originalbildes vergrößern (wenn sie hineinzoomen) oder einen größeren Teil des Bildes verwenden (wenn sie herauszoomen). 
Im Gegensatz zu optischen Zooms verlieren digitale Zooms sehr schnell Details und verwischen die Bilder.

Bis zur Verbreitung von Kunststoffen im 20. Jahrhundert wurden praktisch alle Linsen durch Schleifen von massiven Glasstücken in verschiedene Formen hergestellt. 
Konvexe Linsen wurden mit einem konkav geformten Schleifwerkzeug hergestellt (und umgekehrt), und dann wurde die grob geformte Linse poliert, um ihre endgültige Form zu erhalten. 
Das gewöhnliche Glas, das wir für Fenster und Geschirr verwenden, ist nicht gut genug, um für Linsen verwendet zu werden, da es Luftblasen und andere Unvollkommenheiten enthält. 
Diese führen dazu, dass Lichtstrahlen von ihrem korrekten Weg abgelenkt werden und ein unscharfes Bild erzeugen oder dass sich verschiedene Farben des Lichts unterschiedlich verhalten (Probleme, die von Optikern als Aberrationen bezeichnet werden).
Stattdessen werden Linsen aus einem raffinierteren Material hergestellt, das als optisches Glas bekannt ist. 
Bei Brillengläsern bevorzugen viele Menschen heute Kunststoffgläser, weil sie viel leichter und sicherer sind als optisches Glas. 
Kunststoffgläser können in Form gegossen werden, anstatt geschliffen zu werden, so dass sie in großen Mengen viel billiger hergestellt werden können als Glasgläser. 
Obwohl gewöhnlicher Kunststoff leicht zerkratzt, kann er mit einer dünnen Schicht eines Schutzmaterials wie diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet werden, um das Risiko einer Beschädigung zu verringern. 
Einige optische Linsen werden auch mit dünnem Kunststoff beschichtet, um störende Reflexionen zu reduzieren.

Wofür werden Linsen verwendet?
Linsen sind überall in der Welt um uns herum - von Autoscheinwerfern und Taschenlampen bis hin zu den LED-Leuchten in elektronischen Instrumententafeln.

Unsere Augen enthalten wahrscheinlich die erstaunlichsten Linsen von allen. 
Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Sie die Welt um sich herum betrachten. In der einen Minute starren Sie auf den Boden vor Ihren Füßen. Sekunden später hören Sie ein Flugzeug vorbeirauschen, drehen Ihren Kopf und sehen es vorbeifliegen. 
Wenn Sie diesen Trick mit einem Fernglas ausprobieren, werden Sie feststellen, dass Sie eine ganze Weile brauchen, um den Fokus von der Nahsicht (Blick auf den Boden) auf die Fernsicht (Blick auf das Flugzeug) einzustellen. Versuchen Sie es mit dem bloßen Auge und Sie werden nicht einmal merken, was Sie tun. 
Das liegt daran, dass Ihre Augen flexible Linsen haben, die von winzigen Muskeln gesteuert werden, die sich ein- und auswölben und ihre Form sofort ändern können, um alles zu fokussieren, von den Abdrücken auf Ihrem Finger bis zur Oberfläche des Mondes. 

Wie erstaunlich ist das? 
Wir alle haben Linsen in unseren Augen, aber viele von uns balancieren zusätzliche am Ende unserer Nasen, um Lang- und Kurzsichtigkeit zu korrigieren: Mehr Glas- und Kunststofflinsen werden für Brillen und Kontaktlinsen verwendet als für jeden anderen Zweck. 
Es gibt alle Arten von Brillengläsern, einschließlich lichtempfindlicher photochromer Gläser, die sich bei Sonnenlicht verdunkeln und als Sonnenbrille dienen.

Sie finden Linsen auch in Ferngläsern (die zwei oder drei Linsen in jedem der Zylinder verwenden, die Ihren Augen dienen) und Teleskopen, obwohl nicht alle Mikroskope sie verwenden.
Gewöhnliche (optische) Mikroskope verwenden eine Reihe von Glaslinsen, um winzige Objekte zu vergrößern, während superstarke Elektronenmikroskope Elektromagnete verwenden, um Elektronenstrahlen zu biegen, die uns helfen, noch mehr Details zu sehen.
Filmprojektoren und Projektionsfernseher verwenden Linsen, um kleine Filmbilder in riesige Bilder umzuwandeln, die viele Menschen auf einmal sehen können. 
Kameras arbeiten in umgekehrter Weise, sie fangen Lichtstrahlen aus der Ferne ein und fokussieren sie auf chemisch behandelte Plastikfolien oder lichtempfindliche elektronische Chips, die CCDs. 
Es gibt sogar Linsen, die in Zeitschriften- und Buchumschläge eingebaut sind, damit sich die Bilder verändern, wenn Sie Ihren Kopf von einer Seite zur anderen bewegen; dieser raffinierte Trick wird Lentikulardruck genannt - aber eigentlich bedeutet er nur "Druck mit eingebauten Linsen".

Woraus werden Objektive hergestellt?
In zwei Worten: Glas oder Kunststoff - aber das ist noch nicht alles.

Offensichtlich müssen wir Linsen aus transparenten Dingen herstellen, die die Lichtstrahlen, die durch sie hindurchgehen, nicht verzerren - und es gibt nicht wirklich viele Materialien, die wir verwenden können. 
Frühe Linsen wurden manchmal aus Kristallen hergestellt; eine der ältesten bekannten Linsen, die Nimrud-Linse im Britischen Museum in London, ist ein Stück Quarz (manchmal auch "Bergkristall" genannt), das auf ein Alter von 3000 Jahren geschätzt wird und von dem man annimmt, dass es als Vergrößerungs- oder Brennglas verwendet wurde, obwohl seine optische Qualität sehr schlecht war.
In jüngerer Zeit soll der römische Kaiser Nero Linsen aus Smaragden verwendet haben, um Gladiatoren beim Kampf auf Leben und Tod zu beobachten. 

Moderne optische Instrumente wie Brillen und Fernrohre wurden möglich, als die Menschen herausfanden, wie man zuverlässig hochwertiges Glas herstellt und verwendet; Brillen stammen etwa aus dem 13. Jahrhundert und Fernrohre aus dem 17.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden billige, leichte und zuverlässig hergestellte Kunststoffe weithin verfügbar, und die meisten preiswerten optischen Geräte verwenden heute Kunststofflinsen (manchmal auch als "organisches Glas" bezeichnet - hergestellt aus Materialien wie Polycarbonat) anstelle von Glaslinsen (manchmal auch als "Mineralglas" bezeichnet, um es von den Kunststoffäquivalenten zu unterscheiden). 
Einweg-Kontaktlinsen zum Beispiel wurden mit dem Aufkommen von billigen, massenproduzierten, hochwertigen Kunststoffen möglich - und wenn Sie eine Brille tragen oder eine Kamera an Ihrem Telefon haben, werden die Linsen mit ziemlicher Sicherheit aus Kunststoff sein.

Kunststoffe sind zwar billig, haben aber auch ihre Nachteile: Ihre optische Qualität ist im Allgemeinen nicht so gut wie die von Glas, sie zerkratzen sehr leicht, sie verändern ihre optischen Eigenschaften bei Temperaturänderungen schneller als Glas, sie übertragen nicht alle Lichtwellenlängen so gut wie Glas und sie biegen das Licht nicht immer so erfolgreich (Glas hat typischerweise einen höheren Brechungsindex, obwohl es möglich ist, speziellen Kunststoff mit hohem Brechungsindex als Alternative zu verwenden, wenn Sie dünne, leichte Brillengläser wollen). 
Aber vergessen wir nicht, dass Glas auch Nachteile hat: Es ist schwer (z. B. bei starken Brillengläsern), teuer und kann zerspringen (daher waren Glasbrillen nie gut zum Sporttreiben geeignet). 
Letztlich haben Glas und Kunststoff beide ihre Vor- und Nachteile. 
Wie bei allem anderen in der Welt der Technologie müssen wir das bestmögliche Material für die Aufgabe auswählen, die wir angesichts der alltäglichen, physikalischen Bedingungen, unter denen es funktionieren muss, erledigen müssen; darum geht es in der Materialwissenschaft.