Strahlensysteme

Strahlensysteme bezeichnet in der geometrischen Optik eine Familie von Lichtstrahlen, die von einer Objektstelle oder Lichtquelle ausgehen und durch ein optisches System verlaufen. Sie dienen der Analyse von Abbildungseigenschaften, ohne dabei Wellen- oder Interferenzphänomene zu berücksichtigen. Strahlensysteme bilden die Grundlage für die Beschreibung der Abbildung, der Vergrößerung, der Brennweitenlage und der Fehlabbildungen in optischen Elementen wie Linsen und Spiegeln.

Ein Strahl wird durch einen Stützpunkt und eine Richtung beschrieben. Ein Bündel von Strahlen, das von einem Objektpunkt ausgeht, wird als Strahlenpaar oder Strahlenbündel bezeichnet. Typisch unterscheidet man Meridial- bzw. Hauptstrahlen, Rand- oder Marginalstrahlen sowie Freiheitsgrade wie Lage- und Richtungsparameter. In der Praxis wird oft mit sogenannten Koordinatenpaaren gearbeitet, etwa dem Abstandsmaß in einer Objekt- oder Bildebene und dem Strahlwinkel relativ zur optischen Achse.

Im paraxialen Bereich, also bei kleinen Öffnungswinkeln, verwenden Strahlensysteme die ray-transfer-Matrixmethode (ABCD- oder 2x2-Matrix). Ein optisches Element lässt sich durch eine 2x2-Matrix darstellen, die die transformation eines Strahls vom Eingangspunkt zur Ausgangslage beschreibt. Dadurch lassen sich Systeme wie Linsenfolgen oder Spiegelstapel linear reproduzieren und Eigenschaften wie Brennweite, Abbildungslage, Vergrößerung und Baufehler berechnen.

Anwendungen finden sich in der optischen Systemtechnik, der Kamera- und Mikroskopdesigns sowie in der optischen Mess- und Sensorik. Strahlensysteme liefern schnelle, analytische Vorhersagen und dienen der ersten Designphase, während für feine Abbildungsfehler die Wellenoptik oder gravierende Abweichungen berücksichtigt werden müssen.