Auge Physik

Kennst du die Szene aus dem dritten Teil von "Der Herr der Ringe", in welchem das große flammende Auge Saurons die Ebenen mit einem Lichtstrahl absucht? Normalerweise sendet das Auge kein Licht aus. Stattdessen wird eintreffendes Licht im Inneren des Auges gebündelt.

Das menschliche Auge – Aufbau

Um zu verstehen, was sich physikalisch am Auge abspielt, ist es essentiell, ein paar wichtige Teile des Auges zu kennen. Deswegen schauen wir uns gemeinsam den groben Aufbau des Auges an, um im Nachhinein ein physikalisches Modell zu entwickeln.

Schau dir parallel zur folgenden Erklärung am besten die untenstehende Abbildung 1 an.

Das Licht strahlt von links durch die Hornhaut auf das Auge. Die Iris ist dabei verantwortlich, wie viel Licht weiter in das Innere des Auges vordringt. Das Licht strahlt weiter durch die Linse. Dabei wird der Strahlengang entsprechend der Brennweite verändert. Muskeln können die Form der Linse und somit die Brennweite anpassen, wodurch das Licht anders gebrochen wird.

Durch den Augapfel gelangt das Licht dann auf die Netzhaut. Dort erscheint das Bild, das vom Gehirn interpretiert wird.

Abb. 1 - Grober Aufbau des menschlichen Auges

Jetzt kennst du die für die Optik im Auge wichtigsten Begriffe. Kommen wir nun zur physikalischen Funktionsweise.

Wie funktioniert das menschliche. Auge (physikalisch)?

Das Auge besteht aus unzähligen verschiedenen Elementen, die am Ende für das Sehen verantwortlich sind. Um dieses komplizierte Körperteil physikalisch beschreiben zu können, ist eine Vereinfachung durch ein Modell angebracht.

Das Augenmodell – Bildentstehung am Auge

Das Zusammenspiel von Hornhaut, Iris und vor allem Augenlinse ist der Grund, warum du auf verschiedene Entfernungen trotzdem noch scharf sehen kannst. Die Hornhaut und auch Effekte an der Iris verändern das eintreffende Licht schon bevor die Augenlinse ins Spiel kommt. Zusammen kannst du die optische Wirkungsweise als eine konvexe Linse (Sammellinse) betrachten.

Nach dem Durchqueren der Linse trifft das Licht auf die Netzhaut. Diese dient als Schirm, auf welchem das Bild abgebildet wird.

Die Abbildung 2 zeigt dir den gerade beschriebenen Strahlengang vom Gegenstand aus durch das Auge auf die Netzhaut.

Abb. 2 - Verlauf von Lichtstrahlen am Augenmodell

Diese Anordnung ist dir vielleicht schon aus anderen Bereichen der Optik bekannt. Aktivierst du dein Wissen zur Brechung an Linsen, kannst du nun auch auf die Bildentstehung schließen.

Bildentstehung im Auge

Das Auge sieht nicht die Gegenstände selbst, sondern das Licht das von diesen reflektiert oder selbst ausgestrahlt wird. Diese Lichtstrahlen treffen dann auf die Hornhaut des Auges, gehen weiter an der Iris vorbei und durch die Augenlinse.

Im Inneren des Auges gehen die Lichtstrahlen weiter, bis diese auf der Netzhaut auftreffen. Das auftreffende Bild ist am Ende umgekehrt. Dein Gehirn verarbeitet die Signale aber weiter und dreht das Bild wieder um, sodass du es richtig siehst.

Die Abbildung 2 zeigt, wie sich das Licht verhält, wenn das Auge das Bild scharf stellt. Kreuzen sich die Lichtstrahlen, welche von jeweils einem Punkt des Gegenstandes ausgehen genau auf der Netzhaut, dann ist das Bild scharf zu sehen. Ist das nicht der Fall, dann kann dein Auge mit sehr sensiblen Muskeln die Form der Augenlinse und somit die Linseneigenschaften, insbesondere die Brechkraft bzw. Brennweite, verändern.

In manchen Fällen ist dieses Einstellen der Linse und Brennweite nicht korrekt möglich. Was dabei physikalisch das Sehen verschlechtert, erfährst du jetzt.

Bekannte Fehlsichtigkeiten des Auges physikalisch erklärt

Falsche Beleuchtung, verschiedenste Krankheiten, vererbte Veränderungen oder dauerhafte Überbeanspruchung können Ursachen dafür sein, dass du schlecht siehst. Einige sind situationsbezogen, andere können mit der Zeit entstehen, und noch andere sind permanente Fehlsichtigkeiten.

Im Folgenden schauen wir uns zwei bekannte Fälle an, von denen du sicherlich schon gehört hast: Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit.

Auge Physik – Kurzsichtigkeit

Kurzsichtig bedeutet, dass du Gegenstände in kurzer Entfernung normal erkennen kannst und Gegenstände in weiter Entfernung stark verschwommen oder unkenntlich werden.

Das kann zwei Ursachen haben, welche getrennt und aber auch gleichzeitig auftreten können: eine Verlängerung des Augapfels oder eine zu kurze Brennweite der Augenlinse und / oder der Hornhaut. Beide Ursachen haben die gleiche Folge: die Lichtstrahlen kreuzen sich schon vor dem Auftreffen auf die Netzhaut. Die natürliche Akkommodation deines Auges kann das nach zu langer Belastung der Augenmuskulatur nicht mehr korrigieren. Dadurch wird das Bild am Ende unscharf.

Abb. 3 - Lichtstrahlen am kurzsichtigen Auge ohne Brille dargestellt

Wenn du von Kurzsichtigkeit gehört hast, dann hast du sicherlich auch schon von Weitsichtigkeit gehört.

Auge Physik – Weitsichtigkeit

Weitsichtig bedeutet, dass du Gegenstände in weiter Entfernung normal erkennen kannst und Gegenstände in kurzer Entfernung stark verschwommen oder unkenntlich werden. Also genau das Gegenteil von Kurzsichtigkeit.

Auch die Ursachen sind wie bei der Kurzsichtigkeit, nur umgekehrt: eine Verkürzung des Augapfels oder eine zu hohe Brennweite der Augenlinse und / oder Hornhaut. Tritt dieser Fehler über einen sehr langen Zeitraum auf, kann das die Muskulatur schädigen. Die Akkommodation ist dann nicht mehr stark genug, den Sehfehler zu korrigieren. Die Lichtstrahlen würden sich dann erst hinter der Netzhaut treffen, wodurch das gesehene Bild unscharf wird.

Abb. 4 - Lichtstrahlen am weitsichtigen Auge ohne Brille dargestellt

Die Muskeln am Auge werden beim Sehen in kurzer Entfernung sehr viel stärker belastet als in großer Entfernung. Die Weitsichtigkeit entsteht deswegen meistens durch Überbeanspruchung der Augenmuskulatur und tritt dadurch häufiger im Alter auf. Auch täglich stundenlang auf den PC-Monitor schauen, kann zur Entwicklung von Weitsichtigkeit beitragen.

Die Kurz- und Weitsichtigkeit sind bei Weitem nicht alle Fehlsichtigkeiten, welche am menschlichen Auge auftreten können. Einige können durch recht einfache Hilfsmittel wie Brillen korrigiert werden.

Fehlsichtigkeiten mit einer Brille korrigieren

Besteht eine Fehlsichtigkeit, bedeutet das, dass ein ständiger Sehfehler dazu führt, dass die Akkommodation deines Auges nicht mehr ausreicht, die Brennweite der Augenlinse genügend zu verändern. Die Gläser einer Brille sind Linsen, welche eintreffendes Licht noch vor dem Auge brechen und somit den Sehfehler ausgleichen.

Kurzsichtigkeit mit einer Brille korrigieren

Bei Kurzsichtigkeit werden konkave Brillengläser verwendet. Diese zerstreuen das Licht, wodurch der Brennpunkt vom Inneren des Auges auf die Netzhaut verschoben wird und du wieder scharf sehen kannst. Die Strahlen gehen nun erst durch die konkaven Brillengläser und danach durch das konvexe Auge:

Abb. 5 - Lichtstrahlen werden am kurzsichtigen Auge mit konkavem Brillenglas korrigiert

Weitsichtigkeit mit einer Brille korrigieren

Zur Korrektur bei weitsichtigen Menschen ist das genau andersherum: Konvexe Brillengläser sammeln das Licht. Der Brennpunkt wird dadurch in Richtung der Augenlinse verändert. Er liegt jetzt auf der Netzhaut und nicht mehr hinter dem Auge. Die Lichtstrahlen durchqueren erst die konvexen Brillengläser bevor sie auf das konvexe Auge treffen.

Abb. 6 - Lichtstrahlen werden am weitsichtigen Auge mit konvexem Brillenglas korrigiert