Lichtpfaden

Lichtpfaden, im Plural Lichtpfade, bezeichnet die Bahnen, auf denen Lichtstrahlen bei der Ausbreitung durch Raum und Materialien verlaufen. In der geometrischen Optik werden Lichtpfade oft als geradlinige oder gebrochene Linien beschrieben, die durch Reflektion an Oberflächen oder Brechung beim Übergang zwischen Medien angepasst werden. Das Prinzip von Fermat besagt, dass Licht den Weg mit der geringsten optischen Wegzeit wählt, was die Bildung bestimmter Lichtpfade erklärt.

Anwendungsbereiche der Idee der Lichtpfade reichen von der Analyse optischer Systeme (Linsen, Spiegel, Fasern) bis zur computergrafischen Simulation von Licht. In der optischen Gestaltung helfen Lichtpfade, Abbildungsfehler zu verstehen und Systeme zu optimieren. In der Praxis werden sie genutzt, um Strahlführungen zu planen, Lichtverluste zu minimieren und die Qualität der Abbildung zu verbessern.

In der Quantenmechanik wird das Konzept der Lichtpfade auch im Rahmen des Pfadintegrals von Richard Feynman diskutiert: Licht könnte theoretisch über alle möglichen Pfade von der Quelle zum Empfänger propagieren; die resultierenden Amplituden überlagern sich und erzeugen Interferenzmuster. Im klassischen Experiment wird dies oft durch Wellenoptik erklärt, doch die Idee der vielen möglichen Wege begleitet die Theorie und verdeutlicht die fundamentale Dualität von Licht.

In der Computergraphik bezeichnet Lichtpfad-Rendering (Pfadtracing) eine Methode zur Berechnung von globaler Beleuchtung, bei der von der Kamera aus Lichtpfade rekursiv verfolgt werden, bis sie Lichtquellen erreichen. Durch viele zufällige Pfade werden realistische Lichtverhältnisse wie weiche Schatten, indirekte Beleuchtung und realistische Farbübertragung erzeugt; die Technik ist rechenintensiv und erfordert zahlreiche Stichproben zur Rauschunterdrückung.