Grenzwinkel
Englisch: critical angle
Der Einfallswinkel, bei dem Licht, das durch ein Medium wandert, an einer Grenze zu einem weniger brechenden Medium Totalreflexion erfährt.
Grenzwinkel: der Punkt, an dem Licht nicht mehr austritt
Der Grenzwinkel ist der Mindestwinkel, bei dem Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien trifft und vollständig in das optisch dichtere Medium zurückgeworfen wird, statt hindurchzutreten. Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (höherer Brechungsindex) zu einem weniger dichten übergeht, etwa von Glas in Luft, lenkt es sich an der Grenzfläche vom Lot ab. Mit zunehmendem Einfallswinkel weicht der gebrochene Strahl immer weiter vom Lot ab. Bei einem bestimmten Winkel verläuft der gebrochene Strahl genau parallel zur Grenzfläche, also im 90-Grad-Winkel. Das ist der Grenzwinkel. Darüber hinaus tritt kein Licht mehr aus: es kommt zu Totalreflexion.
Der Grenzwinkel hängt nur von den beiden beteiligten Materialien ab und wird mit dem Snellschen Brechungsgesetz berechnet. Für handelsübliches optisches Glas mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 gegen Luft (Brechungsindex 1,0) liegt der Grenzwinkel bei ungefähr 42 Grad. Bei dichteren Flintgläsern mit etwa 1,7 sinkt er auf etwa 36 Grad. Diamant mit 2,42 hat einen Grenzwinkel von etwa 24 Grad. Diese Werte sind für die optische Konstruktion entscheidend, da sie bestimmen, ob Licht aus einem Bauteil austritt oder darin eingeschlossen bleibt.
Wo der Grenzwinkel am meisten zählt
Glasfaserleitungen funktionieren vollständig nach dem Prinzip der Totalreflexion am Grenzwinkel. Licht, das unter dem richtigen Winkel in eine Glasfaser eintritt, wird an den zylindrischen Wänden wiederholt reflektiert und durchläuft die gesamte Faserlänge mit minimalem Verlust. Der Kern und die Ummantelung einer Einzel- oder Mehrmoden-Faser werden so gewählt, dass Lichtstrahlen innerhalb des Akzeptanzwinkels die Kern-Ummantelungs-Grenzfläche jenseits des Grenzwinkels treffen. Prismen in Entfernungsmessern, Periskopen und Vermessungsinstrumenten nutzen Totalreflexion, um Lichtwege mit nahezu perfekter Effizienz umzulenken, was deutlich besser ist als versilberte Spiegeloberflächen.
Bei Abbildungssystemen kann Streulicht, das in steilen Winkeln auf Oberflächen trifft, den Grenzwinkel überschreiten und unerwartet in den optischen Strahlengang zurückgeworfen werden, was den Kontrast verschlechtert. Linsenbeschichtungen und interne Blenden werden so positioniert, dass diese Reflexionen kontrolliert werden. Telezentrische Linsen, die eine gleichmäßige Vergrößerung über das Gesichtsfeld bewahren, basieren auf einer sorgfältigen Verwaltung der Strahlwinkel relativ zu Grenzwinkeln an mehreren Flächen.
Der Name spiegelt die Grenzbedingung wider: dieser Winkel ist die kritische Schwelle. Darunter dominiert die Brechung und Licht tritt aus. Darüber überwiegt die Reflexion vollständig. Das Verständnis des Grenzwinkels ist unerlässlich für alle, die Fasersysteme, Präzisionsoptiken oder Abbildungsstrahlengang mit strikter Streulichtbegrenzung entwerfen oder warten.