Strahlenoptik für Beleuchtung, Reflexion und Transmission in der 3d-Grafik

Bei der Lichtbrechung wird durch die Geschwindigkeitsänderung des Lichtes verursacht. Je optisch dichter das Medium ist, desto langsamer bewegt sich das Licht durch das Medium. Ein Lichtstrahl wird, wenn er von einem Medium in ein anderes übergeht, an der Grenzoberfläche zwischen beiden Medien gebrochen. Diese Brechung ist umso stärker, je flacher der Lichtstrahl auf die Grenzoberfläche zwischen den Medien auftrifft. Im optisch dichteren Medium nimmt der Lichtstrahl mit dem durch den Normalvektor gegebenen Lot einen kleineren Winkel ein. Im optisch dünneren Medium nimmt der Lichtstrahl einen größeren Winkel ein. Dieser Zusammenhang wurde 1621 erstmals von Snell beschrieben. Das Brechungsgesetz von Snell besagt, dass ein Lichtstrahl seine Richtung ändert oder gebrochen wird, wenn er von einem transparenten Medium in ein anderes übergeht. Das Gesetz gilt für alle Wellenarten.

n1 und n2 sind die Geschwindigkeiten des Lichtes in den entsprechenden Medien bzw. der Brechungsindex n ist der Brechungskoeffizient beim Übergang vom ersten in das zweite Medium. Die Brechungszahl (auch: Brechungsindex oder Index of Refraction) eines Mediums ist definiert als das Verhältnis der Geschwindigkeit von Licht im Vakuum zur Geschwindigkeit in diesem Medium. Folglich ergibt sich der Brechungskoeffizient zweier Medien aus dem reziproken Verhältnis ihrer Brechungszahlen. Die Brechungsindizes sind zusätzlich von der Wellenlänge und der Temperatur des Lichtes abhängig.

Die linke Abbidlung zeigt eine Lichtbrechung vom optisch dünneren Medium in ein optisch dichteres Medium. Die rechte Abbildung zeigt den umgekehrten Fall. Ab einem bestimmten Winkel kommt es in diesem Fall zu einer Totalreflexion.

Die Totalreflexion wie in der oberen linken Abbildung ist ein spezielle Fall bei der Lichtbrechung. Tritt ein Lichtstrahl aus einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium über, wird dieser vom Lot gebrochen. Dies kann maximal bis 90° geschehen. In diesem Fall läuft der Lichtstrahl an der Grenze der beiden Medien entlang. Diesen Winkel nennt man Grenzwinkel der Totalreflexion, da bei einer weiteren Vergrößerung des Einfallswinkels keine Brechung mehr stattfindet. In diesem Fall wird das Licht nach dem Reflexionsgesetz reflektiert.