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Das Aragoskop – eine verrückte Kamerakonstruktion, die wirklich funktioniert

Was halten Sie von dieser Idee: Entfernen Sie das Objektiv Ihrer Kamera und montieren Sie stattdessen eine undurchsichtige, kreisrunde Scheibe in einigem Abstand von der Kamera so, dass sie das zu fotografierende Motiv vollständig verdeckt, und lösen Sie aus. Es klingt absurd, aber auf diese Weise lässt sich ein Bild erzeugen. Ein britischer Ingenieur hat jüngst mit einfachsten Mitteln gezeigt, dass ein solches Aragoskop tatsächlich funktioniert. Wie das Aragoskop aufgebaut ist, lesen Sie im Folgenden.

Die Linsen üblicher Objektive sind aus durchsichtigem Glas, und das macht Sinn: Das Objektiv soll die Lichtstrahlen so von ihrem geraden Weg ablenken, dass sie ein Bild erzeugen, ohne dabei Licht zu schlucken, das dann nicht mehr zur Abbildung beiträgt. Das „Objektiv“ eines Aragoskops dagegen besteht aus einer undurchsichtigen Scheibe oder Kugel. Wie aber kann ein Lichtbild entstehen, wenn das Objektiv kein Licht hindurch lässt?

So dachte einst auch Siméon Denis Poisson. Vor 200 Jahren hatte die französische Akademie der Wissenschaften einen Wettbewerb zum Thema der Natur des Lichts ausgeschrieben, und Augustin-Jean Fresnel (bis heute bekannt als Erfinder der Fresnel-Linsen und der Fresnel-Zonenplatten) hatte eine Wellentheorie des Lichts eingereicht, Poisson, der Mitglied der Jury war, lehnte Fresnels Theorie ab, und entwickelte ein Gedankenexperiment, das deren Unhaltbarkeit aufzeigen sollte: Würde sich Licht tatsächlich als Welle ausbreiten, dann müsste hinter einem kreisförmigen Hindernis, mitten im Schlagschatten, den dieses wirft, ein heller Punkt entstehen. Absurd! Dominique-François-Jean Arago, der Vorsitzende der Jury, führte das Experiment jedoch aus – und fand zur allgemeinen Überraschung tatsächlich einen Lichtfleck in der Mitte des Schattens. Fresnel hatte gewonnen.

 Das Aragoskop

Ein Foto des Arago-Flecks – der blasse Fleck in der Mitte des kreisrunden Schattens. (Quelle: Aleksandr Berdnikov)

Seltsamerweise wird dieser Fleck hierzulande als Poisson-Fleck bezeichnet; man benennt ihn also nach dem Mann, der behauptet hatte, dass es ihn nicht geben könne. Im Englischen spricht man dagegen meist vom Arago spot.
 


Wie kommt das Licht in den Schatten?


Wenn man einmal akzeptiert hat, dass sich das Licht als elektromagnetische Welle auffassen lässt, ist die Entstehung des Arago-Flecks nicht mehr so schwer zu verstehen. Der Schlagschatten, den ein Gegenstand wirft, ist nicht scharf begrenzt, denn ein Teil der Wellen breitet sich hinter dem Hindernis auch in die vermeintliche Schattenzone aus. Dies ist die in der Fotografie gefürchtete Beugung des Lichts, die Bilder unscharf werden lässt, wenn man zu stark abblendet.

Die in die Schattenzone gebeugten Lichtwellen überlagern sich, und wenn dabei Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental trifft, verstärken sie sich (konstruktive Interferenz). Trifft dagegen ein Wellenberg auf ein Wellental, löschen sie sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz). Vom Rand eines kreisförmigen Hindernisses bis zu irgendeinem Punkt in der Mitte der Schattenzone müssen alle Wellen die gleiche Wegstrecke zurücklegen, sind daher phasengleich und verstärken sich an dieser Stelle. So entsteht der Arago-Fleck.

Das Aragoskop

In der Simulation ist die Beugung und Interferenz der Lichtwellen hinter einer kreisrunden Scheibe zu sehen. In der Mitte entsteht durch konstruktive Interferenz eine helle Linie, die Ursache des Arago-Flecks. (Quelle: L3erdnik)

Streng genommen würde dies nur dann so wie beschrieben funktionieren, wenn man mit kohärentem Licht arbeitet. Dazu wäre allerdings ein Laser nötig, der vor 200 Jahren noch nicht erfunden war. Wenn die Lichtquelle aber weit genug entfernt ist, gelingt das Experiment dennoch, und daher hatte Arago mit seinem Versuchsaufbau Erfolg.
 


Ein Arago-Weltraumteleskop


Eine simple Scheibe kann also wie eine Sammellinse das Licht bündeln. Da das Licht von verschiedenen Punkten auch leicht verschobene Arago-Punkte erzeugt, entsteht hinter der Scheibe nicht nur ein einzelner Punkt, sondern ein Bild. Durch die Entfernung von Scheibe zu Sensor wird die Brennweite bestimmt und damit auch die Vergrößerung. Wie weit man sinnvoll vergrößern kann, hängt von der Auflösung ab, und diese wiederum von der Größe der Scheibe: Je größer die Scheibe, desto kleiner ist der Arago-Fleck und desto höher die Auflösung und die mögliche Vergrößerung. Man braucht also für das Aragoskop nur eine große Scheibe in großer Entfernung vom Sensor, um weit entfernte Motive extrem fein aufzulösen und stark zu vergrößern.

Ein so konstruiertes Aragoskop wäre ideal als ein Weltraumteleskop geeignet, denn schon mit einer Scheibe von drei Metern hätte man die Auflösung des Hubble-Teleskops erreicht. Die Komponenten sind, anders als bei einem klassischen Teleskop wie Hubble, einfach aufgebaut, können sehr leicht sein und benötigen keine aufwendige und fehleranfällige Kalibrierung. Große Abmessungen sind unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit kein Hindernis. Tatsächlich verfolgt daher die NASA den Plan, ein experimentelles Weltraumteleskop nach diesem Bauprinzip in eine geostationäre Umlaufbahn zu schießen.

 Das Aragoskop

Ein Aragoskop in einer geostationären Umlaufbahn richtet den Blick zurück zur Erde. (Quelle: Webster Cash, Anthony Harness, Ann Shipley und Ben Zeiger)

 


Was hätte MacGyver getan?


Dass für den Bau eines Aragoskops auch eine vorhandene Kamera und simples Bastelmaterial genügen, hat jetzt der britische Ingenieur Simon Jelley im MacGyver-Stil gezeigt. Sein Aragoskop mit einer Brennweite von 33000 mm besteht aus einer handelsüblichen Sony Alpha ohne Objektiv (es würde aber mit jeder beliebigen Kamera funktionieren) und einer Magnetscheibe, die er aus einer defekten 2,5-Zoll-Festplatte ausgebaut und auf ein Stativ montiert hat. Das Schneidrad eines Pizzaschneiders wäre ebenso gut geeignet, meint Jelley. Fertig ist das Aragoskop. Mit diesem Aufbau gelang es ihm, ein 200 Meter entferntes, nur 25 mm großes Motiv erkennbar abzubilden. Die geringe Lichtstärke des Aragoskops erforderte allerdings eine hohe ISO-Einstellung und lange Belichtungszeiten.
 


Das Aragoskop: Fazit


Beim Einsatz auf der Erde scheint der Nutzen eines Aragoskops gering zu sein. Auch wenn riesige Brennweiten von beispielsweise 33 Metern beeindrucken, wäre ein solches Objektiv doch sehr unhandlich. Herkömmliche Spiegelteleskope haben einen gefalteten Strahlengang, weshalb ihre Länge nur ein Bruchteil ihrer Brennweite beträgt. Zudem sind selbst kleine Instrumente sehr viel lichtstärker. Das Aragoskop erinnert uns aber nicht nur daran, dass scheinbar Absurdes dennoch real sein kann – was generell nützlich ist, um uns vor dem Festhalten an falschen Annahmen zu bewahren –, sondern kann auch ganz praktisch zu weiteren Experimenten inspirieren: Beispielsweise haben Fresnel-Zonenplatten ganz ähnliche Eigenschaften wie die Scheibe eines Aragoskops und funktionieren nach dem gleichen Prinzip, sind aber lichtstärker. Es gibt einfache Anleitungen, wie man Zonenplatten selbst herstellt, aber Sie können sie auch fertig kaufen.

Michael J. Hußmann

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