Lupe

Klassische Leselupe

Eine Lupe (von frz. loupe), auch Vergrößerungsglas genannt, ist eine konvexe Sammellinse – oder ein System von Linsen, das so wirkt – kleiner Brennweite zum Handgebrauch. Befindet sich ein Gegenstand innerhalb der Brennweite f erzeugt sie ein aufrechtes virtuelles Bild von ihm.

Funktionsweise

Der Vergrößerungseffekt mittels Wasser ist seit dem 1. Jahrhundert durch Seneca d. J. belegt. Die Erfindung der Lupe als optische Vorrichtung wird dem arabischen Gelehrten Abu Ali al-Hasan Ibn Al-Haitham (latinisiert Alhazen) zugeschrieben (11. Jahrhundert, Schrift „Schatz der Optik“).

Durch eine Lupe erscheinen Objekte größer, die sich jenseits des Betrachters zwischen Lupe und Brennebene (also innerhalb der Brennweite) befinden. Diese Wirkung einer Lupe ergibt sich zum einen daraus, dass man mit ihr aus kürzerer Distanz auf einem Gegenstand akkommodieren kann, als es mit dem freisichtigen Auge möglich wäre. Zum anderen liefert die Lupe ein vergrößertes virtuelles Bild. Der zweite Effekt wird auch zur Bestimmung der Vergrößerung (siehe unten) herangezogen.

Als Sehhilfe benutzt, gleicht sie Hyperopie (Weitsichtigkeit) oder Presbyopie (Alterssichtigkeit) aus, da das Auge bei Lupendurchsicht auf Unendlich akkommodieren kann (dies wird von den Betroffenen oft als entspannend empfunden). Dabei sollte die Benutzung einer Lupe, bei der der Betrachter ein vergrößertes virtuelles Bild sieht, nicht mit der Korrektur einer Hyperopie oder Presbyopie verwechselt werden. Bei der Korrektur ist die verwendete Linse ebenfalls eine Konvexlinse, hier aber mit deutlich größerer Brennweite bzw. mit kleinerer Brechkraft („Dioptriewert“) und wird als Brille oder Kontaktlinse direkt vor dem Auge getragen. Die Linse der Brille bzw. die Kontaktlinse bildet dabei mit dem optischen Apparat des Auges ein Linsensystem oder eine funktionelle Einheit.

Im Gegensatz zur Brille muss die Lupe bei Hyperopie oder Presbyopie auch nicht angepasst werden. Daher kann jede Leselupe auch immer als Notbehelf für eine fehlende Brille oder Kontaktlinse verwendet werden. Myopie (Kurzsichtigkeit) kann mit einer Lupe nicht korrigiert werden.

Konstruktion des virtuellen Bildes

Konstruktion eines virtuellen Bildes beim Betrachten eines Gegenstandes (hier Objekt genannt) durch eine Lupe. (Zur Erläuterung s. Text)

Bei der Konstruktion des virtuellen Bildes (s. Abb.) bedient man sich zweier Strahlen, die von einem Punkt des Gegenstandes (hier: von der Pfeilspitze) ausgehen: Der „Hauptstrahl“ - also jener Strahl, der durch den Mittelpunkt der Linse geht - erfährt näherungsweise keine Brechung. Der „Parallelstrahl“ (in der Abbildung blau) wird durch Brechung der Linse zum „Brennstrahl“, geht also durch den Brennpunkt. Der Betrachter, der sich in der Abbildung rechts von der Linse befindet, geht von der geradlinigen Ausbreitung des Lichts aus. Für ihn scheint also das Licht von der Stelle auszugehen, wo sich die zurückverfolgten roten Linien kreuzen. Also befindet sich die Pfeilspitze des virtuellen Bildes genau dort.

Der Gegenstand $S_{1}$ muss sich innerhalb der Brennweite $f$ befinden, um ihn durch die Lupe vergrößert zu sehen. Optimal wird die Lupe gehalten, wenn er im Brennpunkt steht. Die Strahlen verlaufen dann parallel. Der Gegenstand scheint unendlich weit weg zu sein und das Auge kann entspannt auf große Entfernung akkommodieren. Die Vergrößerung ergibt sich aus dem Verhältnis des Sehwinkels mit und ohne Sehhilfe. Als Bezugsgröße wird oft die deutliche Sehweite gewählt.

Typen

Folien- oder Scheckkartenlupe (Fresnellinse)

Neben speziellen Lupen, wie Lesestäben (Lupe mit direkter Auflage auf das Lesegut und Vergrößerung in einer Dimension), Lesesteinen (ebenfalls mit direkter Auflage aber zweidimensionaler Vergrößerung), Fadenzähler, Uhrmacherlupen, Lupenbrillen, Lupen mit komplexen Linsensystemen (Aplanate, Achromate, etc.), Scheckkartenlupen (Fresnellinse) u. v. a. gibt es zwei grundsätzliche Typen, die sich vor allem in ihrer Anwendung unterscheiden:

Leselupe

Leselupen vergrößern meist 2- bis 6-fach. Ein weiteres Kennzeichen ist ihr relativ großes Sichtfeld aufgrund eines großen Linsendurchmessers. Dieses große Sichtfeld erlaubt es, bei konstantem Abstand zwischen Leselupe und Lesegut (Objekt) einen großzügigen und variablen Abstand zwischen Leselupe und Kopf (Augen) einzunehmen. Lesen ist daher in bequemer Haltung möglich. Bei genügend Abstand zwischen Leselupe und Augen sowie bei geringer Vergrößerung ist dreidimensionales Sehen möglich.

Der Fokuspunkt liegt bei einer Leselupe für das menschliche Auge scheinbar weiter entfernt (Objekte in der Brennebene unendlich), wodurch der Betrachter entweder die Lupe scharf sieht, oder den vergrößert dargestellten Inhalt

Während die klassische Leselupe eine große Linse mit Metallfassung und Haltegriff darstellt (man denke an das typische Erscheinungsbild von Sherlock Holmes mit Lupe – pikanterweise verwendet er in den Darstellungen immer eine Leselupe statt einer Detaillupe), sind moderne Leselupen oft mit Beleuchtung (Leuchtlupen), Abstandhalter oder sonstigen Vorrichtungen versehen.

Lesesteine und Lesestäbe (letztere vergrößern als Zylinderlinse nur in einer Dimension) sind auf der Unterseite plan und werden direkt auf das Lesegut aufgelegt. Damit ist der Abstand zwischen Lesegut und lupenwirksamer gewölbter Oberseite festgelegt und kein Zittern der Hand kann stören. Diese Lesesteine sind ihrem Volumen entsprechend schwer.

Detaillupe

Eine gängige Detaillupe

Die Detaillupe hat eine typische Vergrößerung von 5- bis 15-fach – bei sehr guter Qualität auch etwas darüber. Die Linse hat einen kleinen Durchmesser (etwa 1−3 cm) wodurch das Sichtfeld sehr klein ist.

Diese kleine Bauform erfordert eine völlig andere Arbeitsweise mit der Detaillupe als mit der Leselupe. Während hier der Abstand zwischen dem Objekt und der Lupe ebenfalls fix ist, versucht man durch einen sehr kleinen Abstand zwischen Lupe und Auge ein größeres Gesichtsfeld zu erhalten. Ein typischer Fall ist die Uhrmacherlupe, die direkt vor dem Auge eingeklemmt wird. Aber auch andere Detaillupen (z. B. Lupen zur Naturbeobachtung von Gesteinen und Mineralen im Gelände, oder Blüten und Insekten im Freiland) werden direkt ans Auge herangeführt, um ein größeres Gesichtsfeld zu ermöglichen. Der korrekte Umgang mit solchen Lupen erfordert meist etwas Übung, da man normalerweise nicht gewohnt ist, Objekte direkt vor dem Auge zu platzieren.

Dreidimensionales Sehen ist hier nicht möglich. An dieser Stelle sei aber auf Lupenbrillen oder spezielle und entsprechend teure binokulare Lupen verwiesen.

Messung / Berechnung der Brennweite

Die Brennweite einer Lupe bestimmt deren Vergrößerung und ist damit deren wichtigste Kenngröße. Um die Vergrößerung zu berechnen (siehe unten), muss daher die Brennweite bekannt sein.

Bei Sonnenlicht lässt sich die Brennweite für den Alltag hinreichend genau bestimmen, indem mit Hilfe der Lupe der kreisförmige Lichtfleck einer Lichtquelle beim Abbilden auf ein Blatt Papier minimiert wird und dabei der Abstand zwischen Lupe und Papier gemessen wird. Dieser Abstand entspricht der Brennweite.

Ein weiteres reines Messverfahren ist die Bestimmung der Brennweite mittels Autokollimation.

Exakt berechnen (eine entsprechend gute Messung vorausgesetzt) lässt sich die Brennweite nach mehreren Verfahren:

• mit der Newtonschen Abbildungsgleichung (diese lässt sich aus der Linsengleichung ableiten)
• mit dem Bessel-Verfahren
• mit dem Abbe-Verfahren

Bestimmung der Vergrößerung

Um die Vergrößerungsleistung einer Lupe abzuschätzen, wählt man die deutliche Sehweite $s_{0}=250{\rm {\,mm}}$ als Bezugsgröße.

Oberer Teil: Betrachtung eines Gegenstands (senkrechter Pfeil) ohne Lupe. Die Strahlen (blau) von der Spitze und Basis des Gegenstand (letztere nicht eingezeichnet) treffen im Winkel φ (phi) ins Auge ein. Der Abstand d darf hier nicht kleiner als der Nahpunkt des Betrachters sein.
Unterer Teil: Betrachtung des gleichen Gegenstands mit einer Lupe (senkrechter Doppelpfeil). Der Abstand zwischen Gegenstand und Lupe entspricht der Brennweite f (der Gegenstand könnte auch näher an die Lupe herangeführt werden – dann wären die der Lupe ausfallenden Strahlen nicht parallel). Im dargestellten Fall der parallel ausfallenden Strahlen erscheint dem Betrachter das virtuelle Bild unendlich entfernt. Der Winkel φ ist mit Lupe größer als ohne. Dies macht den vergrößernden Effekt der Lupe aus (siehe unten). Der vergrößernde Effekt (Winkel φ) ist dabei völlig unabhängig von der Entfernung des Betrachters zur Lupe.

Ein Gegenstand erscheint in dieser Entfernung unter dem Winkel α (in der nebenstehenden Abb. φ (phi) genannt; außerdem entspricht in der Abb. die deutliche Sehweite dem Abstand d):

$\tan \alpha ={\frac {G}{s_{0}}}$

mit G: Objektgröße (Gegenstandsgröße) in mm

Das Auge ist entspannt, wenn es auf große Entfernung akkommodiert. Das ist der Fall für eine große Bildweite $S_{2}$. Sie nimmt zu, wenn sich die Gegenstandsweite $S_{1}$ dem Brennpunkt F der Lupe nähert (siehe Abbildung).

Im Grenzfall $S_{1}=f$ erscheint das vergrößerte Bild unter dem Winkel $\alpha _{v}$:

$\tan \alpha _{v}={\frac {B}{S_{2}}}={\frac {G}{f}}$

Für die Vergrößerung $V$ folgt:

$v={\frac {\tan \alpha _{v}}{\tan \alpha }}={\frac {\frac {G}{f}}{\frac {G}{s_{0}}}}={\frac {s_{0}}{f}}={\frac {250{\rm {\,mm}}}{f}}$

Diese Berechnung geht davon aus, dass das Auge entspannt, also unendlich-akkommodiert ist; dann entsteht auch kein virtuelles Bild. Strengt man das Auge jedoch mit an, kann man den Gegenstand näher an die Lupe heranbringen, so dass ein virtuelles Bild in der Entfernung der deutlichen Sehweite $s_{0}$ entsteht. Die Lupe muss sich dazu nah am Auge befinden, die Brechkräfte von Lupe und nah-akkommodiertem Auge addieren sich und die Vergrößerung beträgt

$v'={\frac {s_{0}}{f}}+1$

Beispiel

Eine Lupe mit der Brennweite 50 mm erlaubt es, einen Gegenstand aus der Entfernung von 50 mm zu betrachten, statt aus der Entfernung der deutlichen Sehweite von 250 mm. Nach der Definition vergrößert die Lupe 5-fach (v = 250/50), mit nah-akkommodiertem Auge 6-fach.

Verwendung der Lupe als Brennglas

Der Name Brennglas kommt daher, dass die Konvexlinse die annähernd parallelen Sonnenstrahlen im Brennweitenabstand bündelt und damit die bei der Absorption des Lichts freiwerdende Wärme so konzentriert, dass brennbares Material wie Papier o.ä. entzündet werden kann. In einfacher Betrachtung spricht man hier von einem Brennpunkt. Den größten Einfluss hat dabei der Linsendurchmesser. Je größer, desto mehr Licht(leistung) wird gebündelt. Die Ausgedehntheit der Sonne (als abgebildetes Objekt) bewirkt neben dem Linsenfehler, dass der Brennpunkt kein idealer Punkt, sondern ein Brennfleck ist.

Diese Eigenschaft der Linse gab dem Brennpunkt und der Brennebene ebenfalls ihren Namen.

Ob bzw. wie schnell damit Material zum Brennen gebracht werden kann, hängt neben der Größe des Brennflecks von der Zündtemperatur des Materials und den thermischen Bedingungen (Materialdicke, Wärmeleitfähigkeit) am Brennfleck ab.

Über den Brennglaseffekt brennt die Glaskugel des Heliographs die Zeit mit Sonnenschein in Papier.

Warnhinweis

Der tägliche und jährliche Lauf der Sonne macht lichtsammelnde Objekte (dazu gehören auch alle Arten von Lupen) neben entzündbaren Materialien in Natur und Haus brandgefährlich. Gegengleich mit der Sonne wandert ihr Bild, der Brennfleck durch den Raum und kann getrocknete Pflanzenteile, Holz, Papier, Polstermöbel etc. treffen. Verkohlendes Material wird dunkler und absorbiert dann einen höheren Anteil der Wärmestrahlung, der Brennfleck wandert weiter und erhitzt weiteres Material.

Lupen, die nicht in Benutzung sind, müssen mit einer Schutzhülle/Schutzkappe versehen werden oder in einem lichtsicheren Behältnis verwahrt werden. Es sind viele Fälle bekannt, in denen die Dekoration von Lupen (auch Fotoobjektiven) im Schaufenster eines Ladengeschäftes einen Brand mit Totalschaden für das Unternehmen herbeigeführt haben.

Eine große Gefahr geht aus von Kugeln aus klarem, hellem Glas, massiv oder wassergefüllt, der Sammelspiegel-Wirkung von konkaven Böden von (weggeworfen liegenden) Glasflaschen und Getränkedosenböden sowie der Rückseite von Verkehrsspiegeln aus Niro-Blech, weshalb diese auf der Rückseite mattgrau lackiert werden, um die unerwünschte Reflexion zu reduzieren.

Siehe auch

• Fadenzähler
• Messlupe
• Lupenbrille
• Optik
• Sehhilfe
• Uhrmacherlupe

Weblinks

Wiktionary: Lupe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Lupe – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• 1. virtuelles Museum der Augenoptik