Airy-Muster
Englisch: Airy pattern
Airy-Scheibe zusammen mit der Serie konzentrisch angeordneter Ringe, die sie umgeben
Airy-Muster: die Beugungsgrenze sichtbar gemacht
Das Airy-Muster ist das Bild, das entsteht, wenn Licht durch eine kreisförmige Öffnung fällt, etwa durch eine Linse oder ein Teleskop-Objektiv. Es besteht aus einer hellen zentralen Scheibe, umgeben von progressiv schwächer werdenden konzentrischen Ringen, die alle durch Beugung an der Öffnungskante verursacht werden. Das Muster erscheint immer, wenn Sie eine punktförmige Lichtquelle abbilden, und seine Größe bestimmt direkt, welche feinen Details Ihr optisches System auflösen kann.
Die zentrale helle Region, Airy-Scheibe genannt, enthält ungefähr 84 Prozent der Lichtenergie. Ihr Winkeldurchmesser ergibt sich aus 1,22 mal Wellenlänge geteilt durch den Öffnungsdurchmesser. Für ein Sichtlicht-Teleskop mit 100-mm-Objektiv bei grünem Licht von 550 Nanometern hat die Scheibe einen Durchmesser von etwa 1,3 Bogensekunden. Der erste dunkle Ring erscheint bei 2,44 mal diesem Grundmaß. Die umgebenden Ringe fallen in ihrer Intensität sehr schnell ab; der erste helle Ring empfängt nur etwa 1,7 Prozent der Spitzenintensität.
Erkennbarkeit und praktische Grenzen
Wenn zwei Punktquellen näher beieinander liegen als der Durchmesser der Airy-Scheibe, überlappen sich ihre Muster und Sie können sie nicht als separate Objekte unterscheiden. Das ist das Rayleigh-Kriterium, die Standarddefinition der optischen Auflösung. Eine größere Öffnung erzeugt ein kleineres Airy-Muster und damit besseres Auflösungsvermögen. Längere Wellenlängen erzeugen größere Muster; deshalb benötigen Infrarot-Instrumente größere Optik als Sichtlicht-Systeme, um dieselbe Auflösung zu erreichen.
Die Intensitätsverteilung des Musters folgt einer quadrierten Bessel-Funktion erster Art. In der Praxis beobachten Sie Airy-Muster, wenn Sie Sterne durch Teleskope betrachten, beim Abbilden kleiner Fehlstellen unter Mikroskopen oder in fotografischen Vergrößerungen von scharfen Kanten. In optischen Systemen mit Aberrationen werden die Ringe asymmetrisch oder unregelmäßig; perfekt kreisförmige Ringe deuten auf gute optische Qualität und Ausrichtung hin.
Das Muster ist nach George Biddell Airy benannt, der seine mathematische Form 1835 berechnete. Es tritt in jedem optischen Instrument auf, das eine kreisförmige Öffnung nutzt, von einer einfachen Lupe bis zu den größten Sternwarten. Das Verständnis der Größe des Airy-Musters ist wesentlich, wenn Sie optische Komponenten spezifizieren oder vorhersagen möchten, was ein Abbildungssystem tatsächlich erfassen kann.