Schönheit im Auge des Betrachters

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft  8  (2015), S. 48 – 49

Alles, was wir sehen,
könnte auch anders sein.

Ludwig Wittgenstein (1889–1951)

Manche farbenprächtige Erscheinung lässt sich nur beschreiben, jedoch nicht direkt fotografieren – denn sie entsteht erst in unserem Sehorgan selbst.

Als ich vor einigen Jahren mit noch geweiteten Pupillen vom Augenarzt kam, blendeten mich helle Lichtquellen fast schmerzlich. Der einzige Trost in dieser Situation war die Schönheit eines hellen Lichthofs mit einem regenbogenartigen Band um sie herum. So etwas war mir bislang nur im Dunkeln beim Blick auf ferne Leuchtpunkte begegnet.
Diese seltsame Erscheinung unterscheidet sich von den bekannten farbigen Ringen, die man zuweilen sieht, wenn man durch eine beschlagene Fensterscheibe auf eine Laterne blickt (Bild 1). Dieses Phänomen verursachen winzige Wassertröpfchen zwischen Lampe und Auge. Sie beugen das Licht. Auch beim Blick durch dünne Schleierwolken auf Sonne und Mond können solche Farbkreise gesehen werden, die Koronen heißen (siehe SdW 12/2009, »Weihnachtliche Krönung«).
Hier allerdings füllte der farbige Hof die ganze Fläche um ein helles Zentrum. Es war auch nichts zwischen Lichtquelle und Auge vorhanden, das ich für den Effekt hätte verantwortlich machen können. Um das zu erkennen, wandte ich einen einfachen Trick an: Ich blickte einäugig auf die ferne Laterne und blendete sie – nicht aber den verbleibenden Teil des umgebenden Lichthofs – mit dem Finger am ausgetreckten Arm aus. Sobald das eigentliche Leuchten abgedeckt war, verschwand schlagartig auch der restliche Regenbogenkranz. Es musste also etwas sein, das mit meinen Augen zu tun hatte und das nur bei weit geöffneten Pupillen auftritt.
Augenheilkundler erkannten schon gegen Ende des 19. Jahrhunderts, dass ringförmig angeordnete, radial orientierte Fasern am äußeren Rand der Augenlinse diesen Effekt hervorrufen. Diese Gewebestrukturen wirken wie ein optisches Gitter, welches das Licht der weit entfernten und daher fast punktförmigen Quelle beugt. Die gebeugten Wellen überlagern sich auf der Retina zu einem farbigen Bogen, dem so genannten Linsen-Halo. Weil tagsüber die klein gestellte Pupille die Augenlinse vom Rand her abdeckt, wirkt dieses Gitter dann nicht. Daher sieht man den Halo nur bei Dunkelheit – oder wenn die medikamentös weit gestellte Pupille das Beugungsgitter freigibt.
Dieser Linsen-Halo ist aber nur ein Teil dessen, mit dem sich sehr helle Lichtquellen zu schmücken scheinen. Wesentlich stärker ,machen sich farbig irisierende Strahlen bemerkbar, die vom Zentrum der Lichtquelle radial nach außen gehen (Bild 2). Man kann sie auch am Tag sehen, etwa dann, wenn man in eine helle Halogenlampe oder LED blickt.
Dieses Phänomen erwähnte bereits René Descartes (1596–1650). Es wird heute als Ziliar-Korona bezeichnet und wird nach neuesten Erkenntnissen vermutlich von kleinen Teilchen verursacht, die in der Augenlinse eingelagert sind. Sie wirken ähnlich wie die winzigen Wassertröpfchen bei einer Sonnen- oder Mondkorona. Anders als dort ergeben sich hier aber keine Ringe, sondern in der Farbe variierende radiale Strahlen. Wie kommt es dazu?
Im Normalfall ist die Ziliar-Korona nicht besonders lichtstark. Um sie dennoch eingehender zu untersuchen, lässt sich die Zahl der beugenden Teilchen künstlich vergrößern. Dazu muss man nur durch eine geeignete Folie für Tintenstrahldrucker blicken. Denn manche Fabrikate enthalten kleinste Teilchen, die einen ähnlichen Beugungseffekt bewirken wie die Wassertröpfchen einer dünnen Wolke oder die Partikel im Auge.
Haben wir es mit einer ausgedehnten Lichtquelle zu tun, sehen wir die typischen Farbringe einer Korona. Beispielsweise funktioniert das bei einer matten Glühlampe bis zu einer Entfernung von etwa acht Metern (Bild 3). Dieser Abstand entspricht bei einer Größe des Leuchtkörpers von rund vier Zentimetern einem Sehwinkel von zirka 0,3 Grad. Erscheint er bei größerer Entfernung unter kleinerem Winkel, fransen diese Ringe immer mehr aus und gehen schließlich in eine Strahlenstruktur über (Bild 4). Diese tritt offenbar nur unterhalb von 0,3 Grad auf und ist umso ausgeprägter, je kleiner der Sehwinkel wird. Daher kann man bei Sonne und Mond, die am Himmel unter 0,5 Grad erscheinen, keine Strahlenstruktur der Korona sehen. Bleibt zu klären, was diesen Unterschied bewirkt.
Um farbige Ringe hervorzurufen, genügt im Prinzip ein einziger winziger Wassertropfen. Er beugt das Licht und zerlegt es in viele Teilwellen, die je nach Wellenlänge in leicht verschiedene Richtungen laufen. Auf der Netzhaut des Auges oder auf dem Chip einer Kamera überlagern sie sich. Es muss nicht unbedingt ein Tropfen sein – ein Loch vom selben Querschnitt ruft ein ganz ähnliches Farbmuster hervor. Piekst man über einer festen Unterlage (etwa einem Teller) mit einer spitzen Nähnadel in eine Haushaltsalufolie und blickt durch die winzige Öffnung auf eine Punktlichtquelle, umgibt diese ein solches Ringsystem (Bild 5).
Jeder Tropfen beziehungsweise jedes Streuzentrum ruft ein eigenes ringförmiges so genanntes Beugungsscheibchen hervor, so dass sich diese überlagern. Bei den ausgedehnten Lichtquellen wie Sonne und Mond addieren sich dabei nur die Farben, so dass lediglich deren Intensität zunimmt. Im Fall eines kleineren Winkels hingegen ist das Licht immer noch kohärent, was bedeutet, dass die einzelnen Wellen beim Betrachter abermals interferieren können. Dadurch wird das Beugungsscheibchen feiner strukturiert. Mit Hilfe von kohärentem Laserlicht kann man diese Details zumindest einfarbig sichtbar machen. Auf dem Schirm zerfällt dann das ringförmige Beugungsmuster in ein granulares Muster (Bild 6).
Bei weißem Licht werden diese granularen Bereiche je nach Wellenlänge mehr oder weniger stark in radialer Richtung gespreizt. [Warum nur in radialer Richtung? Weil die unterschiedlich starke Ablenkung aufgrund der verschiedenen Wellenlängen den Abstand vom Zentrum des Ringsystems (nullte Beugungsordnung) vergrößert/verkleinert; es erfolgt also eine Ablenkung vom Zentrum weg/ zum Zentrum hin, also in radialer Richtung] Das führt zu den schillernden Farbstrahlen, die wir bei einer Ziliar-Korona sehen.

Literatur

Van den Berg, T. et al.: The Ciliary Corona: Physical Model and Simulation of the Fine Needles Radiating from Point Light Sources. In: Investigative Ophthalmology & Visual Science 46/7 2627 – 2632, 2005

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