Spiegel

Ein Spiegel (von lateinisch speculum „Spiegel, Abbild“, zu lateinisch specere „sehen“) ist eine reflektierende Fläche – glatt genug, dass reflektiertes Licht nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge des Lichts. Eine rauere weiße Fläche remittiert ebenfalls alles Licht, jedoch wird dieses hierbei ungeordnet in alle Richtungen gestreut.

Auch nicht sichtbare elektromagnetische Wellen und Schallwellen können an geeigneten Flächen gespiegelt werden („Reflexion“).

Die Transparenz und Absorption (halbtransparent, nicht-transparent, wellenlängenabhängige Transparenz oder Absorption) des Spiegels hat Einfluss auf Helligkeit und Farbe des Spiegelbildes. Ferner wird niemals die gesamte Energie gespiegelt, es gibt immer einen Verlust – der Reflexionsgrad ist immer kleiner als 100 %.

Vase und Spiegelbild einer Vase

Spiegelbild.

Eigenschaften des Spiegelbildes

Planspiegel (ebene Spiegel) liefern ein gleich großes virtuelles Spiegelbild. Tripelspiegel liefern seitenverkehrte, auf dem Kopf stehende Bilder.

Das Spiegelbild in einem ebenen Spiegel gibt ein wahrheitsgetreues bzw. unverzerrtes Abbild sowohl von Längen als auch von Winkeln. Der Spiegel vertauscht allerdings die ihm zugewandte mit der ihm abgewandten Seite. Dadurch wechselt die ‚Händigkeit‘. Wenn sich der Beobachter in die Lage seines Spiegelbildes versetzen möchte, so erscheint es ihm, als ob rechts und links vertauscht wären – alles erscheint im Wortsinne spiegelbildlich. Es liegt also nahe, die falsche Händigkeit als eine Vertauschung von rechts und links zu interpretieren, was dann zum scheinbaren Widerspruch (Spiegelparadoxon) führt, dass im Gegensatz dazu oben und unten nicht vertauscht wird. Um in diesem Bild zu bleiben, kann man formulieren, dass der Spiegel nicht links und rechts, sondern vorn und hinten vertauscht.

Fällt der Blick über zwei Spiegel auf das Objekt, erscheint es wieder mit richtiger Händigkeit. Dieses Phänomen machen sich Periskope und Spiegelreflexkameras zunutze. Mittels Spiegeln kann man nur durch Verwendung von einer geraden Anzahl Spiegeln im Lichtweg sich selbst so betrachten, wie man von anderen gesehen wird.

Wenn die Spiegelfläche nicht eben ist, ist das Spiegelbild verzeichnet. Bei konvexen Spiegeln (gewölbt wie eine Kugeloberfläche) erscheint das (virtuelle) Spiegelbild immer verkleinert. Hingegen kann durch Hohlspiegel ein vergrößertes (reelles) Spiegelbild erzielt werden. Das Abbild entsteht in der entfernungs- und krümmungsabhängigen Fokusebene. Mit welligen Spiegeln können Zerrbilder erzeugt werden, wie man sie in Kuriositäten- oder Lachkabinetten findet.

Formen und Verwendung

Vergleich zwischen Alltagsspiegel (links) und optischem Spiegel durch Aufsetzen einer Kugelschreiberspitze

Porroprismensystem in isometrischer Darstellung

Spiegel können nach ihrem Aufbau unterteilt werden. Zum einen gibt es Spiegel für alltägliche Zwecke, bei denen ein durchsichtiges Trägermaterial von hinten beschichtet wird. Heute ist eine mit Aluminium beschichtete Glasplatte am häufigsten zu finden, aber auch Silber mit einer Schutzschicht gegen Oxidation aus Kupfer wird eingesetzt. Die Metallschichten werden zusätzlich mit Lacken versiegelt. Früher verwendete man Quecksilber und Zinn. Ein Schutzlack war hier nicht notwendig, weil das Amalgam chemisch sehr stabil ist. Die Reinigung der Sichtseite von Staub, Wasserrändern und anderen Verschmutzungen, z.B. durch Berühren mit Fingern, ist gelegentlich erforderlich, jedoch verhältnismäßig unkritisch.

Im Gegensatz dazu ist der optische Spiegel ein Oberflächenspiegel: Die spiegelnde Fläche ist vorne auf einem Trägermaterial aufgebracht. Das hat den Vorteil, dass die Grenzflächen der Glasschicht, welche zweifach vom Strahl durchquert werden, entfallen und somit nicht in der Lage sind, Schatten- und Mehrfachbilder zu bewirken. Nachteilig ist die Anfälligkeit der offenen Oberfläche für Korrosion und ihre mechanische Empfindlichkeit bezüglich Zerkratzen, insbesondere zur Reinigung. Zur Beschichtung wird heutzutage typischerweise Aluminium aufgedampft, das wesentlich weniger korrodiert als Silber und außerdem einen vergleichsweise flachen Spektralverlauf des Reflexionsvermögens auf hohem Niveau aufweist. Teilweise wird als Korrosionsschutz noch eine Siliciumdioxidschicht aufgedampft.

Ein weiterer Vorteil von Oberflächenspiegeln ist, dass das Trägermaterial nicht transparent sein muss, so dass eine größere Palette von Trägermaterialien verwendet werden kann. Dadurch können weitere Eigenschaften, wie z.B. Bruchsicherheit oder Abführung von Verlustenergie, optimiert werden. Des Weiteren können Oberflächenspiegel auch aus dem vollen spiegelnden Material hergestellt werden. Hier wird nur die Oberfläche auf Spiegelglanz poliert, ohne eine weitere Beschichtung.

Eine andere Variante von optischen Spiegeln wird durch Prismenspiegel und Strahlteiler realisiert, bei denen das Licht durch eine plane Glasfläche in den eher großvolumigen Glaskörper fällt und dann an einer Schräge unter Ausnutzung der Totalreflexion in eine andere Richtung teilweise oder vollständig abgelenkt wird, um nach etwas Weg wieder aus dem Glaskörper auszutreten. Ein solcher Spiegel benötigt somit keine reflektierende Schicht, sondern nutzt das Grenzschichtverhalten des Materials, in dem sich das Licht bewegt. Auf der anderen Seite der Grenzschicht ist typischerweise Luft zu finden. Bei diesem Konzept kann z.B. Kondensation, also Feuchtigkeit auf der Grenzfläche, die Funktion vorübergehend beeinträchtigen. Die Ein- und Austrittsflächen dagegen sind nur bedingt kritisch.

Planspiegel

Die bekanntesten Spiegel sind die Garderoben- und Badezimmerspiegel im Haushalt. Für sie wird meistens Floatglas verwendet, weil es besonders planparallel ist. Optische Planspiegel dienen in Versuchsaufbauten und/oder optischen Bänken der Umleitung von Strahlengängen in andere Richtungen.

Planspiegel erzeugen von einem Objekt kein reelles Bild wie beispielsweise eine Sammellinse. Der Spiegel zeigt einen vor dem Spiegel stehenden Gegenstand so, als wenn er im gleichen Abstand hinter dem Spiegel stünde. Dadurch ist der Gegenstand für den Betrachter scheinbar weiter entfernt, so dass er wegen der Perspektive kleiner erscheint. Die eigentliche Abbildung erledigt hierbei aber nicht der Spiegel, sondern die Augenlinse des Betrachters, der Spiegel kehrt lediglich die Lichtstrahlverläufe um.

Konvexe Spiegel

Konvexer Verkehrsspiegel

Konvexspiegel stehen als Verkehrsspiegel im Straßenverkehr an unübersichtlichen Kreuzungen und Ausfahrten. Ihre zweiachsig-konvexe Form ermöglicht es, die Straße trotz der geringen Spiegelfläche gut zu überblicken. Ihre Wirkungsweise entspricht der einer konkaven Linse, bildet also das Licht von einem weiten Bild auf ein deutlich kleineres Sichtfeld ab.

Rück- und Seitenspiegel an modernen Fahrzeugen sind oft ab einem bestimmten Punkt einachsig-konvex gekrümmt, um den Blickwinkel zu vergrößern und so den toten Winkel zu verkleinern.

Konkave Spiegel

Rasier- und Kosmetikspiegel sind konkave Hohlspiegel. Hier befindet sich der Betrachter innerhalb der Brennweite und sieht deshalb von sich selbst ein vergrößertes virtuelles Bild, ähnlich wie bei einer Lupe.

Lichtbündelung durch Parabolspiegel

Lichtbündelung durch halb-zylindrischen Spiegel

Der 2-m Spiegel des Karl-Schwarzschild-Observatorium

Konkave Spiegel oder Hohlspiegel werden auch für Spiegelteleskope verwendet. Sie erzeugen von weit entfernten Objekten in ihrer Brennebene ein reelles Bild, ähnlich wie konvexe Linsen. Gegenüber Linsenteleskopen besteht aber der Vorteil, dass keinerlei chromatische Aberration auftritt. Zudem verformen sich zu große Linsen durch ihr Eigengewicht, so dass für Teleskope ab etwa 1 m Öffnung ausschließlich große oder unterteilte Spiegel verwendet werden – nur sie können ganzflächig gelagert, ausreichend dick und somit ausreichend steif sein. Die Formgenauigkeit eines Spiegels muss etwa viermal höher sein, als dies bei Linsenteleskopen der Fall ist (vgl. Brechungsgesetz, Reflexionsgesetz). Sehr große Spiegelteleskope besitzen außerdem rückseitige Stellelemente, um mögliche Verformungen und Abbildungsfehler zu kompensieren.

Die Abbildung von sphärischen Hohlspiegeln, das heißt von Spiegeln in der Form einer Kugelfläche, ist prinzipiell mit dem Abbildungsfehler der sphärischen Aberration behaftet, außer wenn ein Objekt auf sich selbst abgebildet wird. Sollen dagegen parallel eintreffende Strahlen von der gesamten Spiegeloberfläche in einem Punkt fokussiert werden, so muss prinzipiell ein Parabolspiegel verwendet werden. Um in Teleskopen trotzdem einen deutlich günstiger herzustellenden sphärischen Spiegel verwenden zu können, wählt man ein ausreichend langes Öffnungsverhältnis, so dass der Fehler durch sphärische Aberration kleiner als andere Fehler des Systems wird, oder man verwendet zusätzliche Korrekturlinsen. Bei Teleskopen im gehobenen Amateurbereich ist beispielsweise die Korrekturplatte nach Bernhard Schmidt (siehe Schmidt-Teleskop) häufig anzutreffen.

Zur Fokussierung einer Punktlichtquelle in einem zweiten Punkt muss die Spiegelfläche die Form eines Ellipsoids haben (Beispiel: Lichtquellen mit Höchstdruck-Quecksilberdampflampen für die Fotolithografie).

Parabolspiegel werden auch in solarthermischen Kraftwerken verwendet, um das Sonnenlicht auf den Dampferzeuger zu konzentrieren und so möglichst hohe Temperaturen zu erreichen. Auch Autoscheinwerfer enthalten Parabolspiegel. Bei Projektionsscheinwerfern (Auto, Bühne) erzeugt ein sphärischer Spiegel ein Abbild neben der Glühwendel. Das Licht der Wendel und des Abbildes werden mit einer davor befindlichen asphärischen Linse parallel gerichtet.

Sonstige Formen und Anwendungen

Mehrfach-Laserstrahl mit Spiegel und Linse

Die Zauberkunst verwendet bei optischen Tricks auf der Bühne Spiegel, um Gegenstände scheinbar verschwinden zu lassen (Bild unten).

Zerrspiegel sind verformte Spiegel. Durch gewellte Spiegelflächen entstehen vielfache Verzeichnungen. Die teilweise bizarren Effekte wurden früher in Wunderkammern und auf Jahrmärkten zur Belustigung der Betrachter eingesetzt, heute noch findet man solche Spiegel in Lachkabinetten. Konvexspiegel (Wölbspiegel) und Hohlspiegel wirken verkleinernd bzw. vergrößernd. Teilweise werden in Kleidergeschäften Zerrspiegel verwendet, welche das Abbild schlanker erscheinen lassen: „Der Spiegel lügt.“

Die medizinische Diagnostik verwendet Spiegel beispielsweise in Endoskopen (daher der Begriff Magenspiegelung) und zur Inspektion unzugänglicher Hohlräume.

Spiegel in Lasern und zu deren Strahlführung und -fokussierung haben besonders hohe Leistungsdichten zu ertragen. Daher müssen sie entweder besonders verlustarm reflektieren oder sie müssen die entstehende Wärme ableiten bzw. gekühlt werden. Man verwendet Interferenz- und Metallspiegel. Erforderlich sind voll reflektierende Spiegel (Endspiegel, Fokussierspiegel) und teiltransparente Spiegel (10 bis 99,9 % Reflexionsgrad, etwa für Auskoppelspiegel und Strahlteiler).

Rasierspiegel eines kubanischen Bauern
Unsichtbarkeits-„Gerät“
Wirkung eines Zerrspiegels
Spiegelung an Wasseroberflächen
Schminkspiegel
Verzierter Handspiegel

Beschichtungen der Oberfläche

Reflexionsvermögen für dicke Schichten von Aluminium (Al), Silber (Ag) und Gold (Au) bei senkrechtem Lichteinfall. Bei Wellenlängen unterhalb der Plasmakante fällt der Reflexionsfaktor stark ab. (Sichtbares Licht reicht von etwa 380 bis 780 nm)

Durch die Art der Beschichtung kann man den gewünschten Wellenlängenbereich mit hohem Reflexionsfaktor vorgeben:

Metallbeschichtungen reflektieren im sichtbaren Bereich gut (≈ 95 %), versagen aber bei Silber und Gold im UV-Bereich, wie im nebenstehenden Bild zu sehen ist.

Dichroitische dielektrische Spiegel (Interferenzspiegel) bestehen aus mehreren transparenten Schichten mit abwechselnd jeweils unterschiedlichem Brechungsindex auf einem Glassubstrat. Sie reflektieren nur in einem begrenzten Wellenlängenbereich sowie in einem begrenzten Einfallswinkel. Man kann sie so aufbauen, dass sie entweder nur in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich sehr gut reflektieren (≈ 99,9 %) oder beispielsweise den gesamten IR-Bereich durchlassen (Kaltlichtspiegel bei Halogenlampen).

Als Substrat kommen auch Metalle, Kunststoffe und sogar einkristalline Stoffe zum Einsatz. Kriterien für die Substratwahl sind dessen Bearbeitbarkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Preis und – besonders bei hohen Leistungen – die Wärmeleitfähigkeit. Zur Materialbearbeitung mit Kohlendioxidlasern werden oft Ganzmetallspiegel aus Kupfer eingesetzt.

Haushalts- und Kraftfahrzeug-Spiegel (Außenspiegel, Scheinwerfer) bestehen aus einer Aluminiumschicht hinter Glas oder auf Kunststoffen. Früher verwendete man für Haushaltsspiegel Silberschichten, diese neigten jedoch zum Anlaufen und liefern ein leicht gelbstichiges Bild.

Silber- und Goldschichten, aber auch Kupfer sind jedoch für Infrarot gut geeignet. Die Reflexion im Mittleren und Fernen Infrarot korreliert mit der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Metalls.

Für Ultraviolett werden Aluminium oder dielektrische Schichten verwendet.

Röntgenstrahlung kann nur in einem sehr flachen Winkel zur Oberfläche (Einfallswinkel ≈ 90°) von Metallen reflektiert werden. Ursachen sind die sehr geringe Kohärenzlänge und der Abstand der Atome, der etwa genauso groß ist wie Wellenlänge. Durch den flachen Auftreffwinkel wird der scheinbare Atomabstand verringert.

Für gute Abbildungseigenschaften muss ein Spiegel (z.B. in Spiegelreflexkameras, Spiegelgalvanometern und Spiegelteleskopen) im Gegensatz zu Haushaltspiegeln die Spiegelschicht vorn tragen (Oberflächenspiegel). Die Spiegelschicht muss in diesem Fall meist durch eine dünne, möglichst harte transparente Deckschicht vor Oxidation und mechanischer Beschädigung geschützt werden.

Als Interferenzspiegel werden oft auch als Spiegel ausgebildete Reflexionsgitter bezeichnet, sie bestehen aus einer mit mikroskopischen Rillen versehenen Spiegelschicht. Sie werden in Spektrometern und Monochromatoren verwendet, um einzelne Wellenlängen zu separieren.

Teildurchlässige Spiegel

Metallbeschichtung

Laserspiegel (Goldbeschichtung auf einkristallinem Silizium) eines Kohlendioxidlasers

Teildurchlässige Metallschicht-Spiegel beruhen auf einer Eigenschaft, die bereits auch unbeschichtete Glasoberflächen besitzen: Sie sind in einem breiten Wellenlängenbereich teilreflektierend.

Solche teiltransparenten Spiegel haben auf einer Glasscheibe eine reflektierende Schicht (Silber, Gold oder andere Metalle), die wesentlich dünner (einige 10 nm) ist als bei einem normalen Spiegel, so dass nur noch ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert wird und ein weiterer Teil absorbiert wird oder ungehindert hindurchtritt.

Halbdurchlässige Spiegel sind auch als „Spionspiegel“ oder Teilerspiegel bekannt und dienen als Strahlteiler: Ein Teil des einfallenden Lichtes wird reflektiert, der Rest durchgelassen (eine Absorption werde hier vernachlässigt). Die jeweiligen Anteile lassen sich durch Wahl einer geeigneten Zusammensetzung der aufgetragenen Reflexionsschicht bestimmen.

Halbdurchlässige Spiegel werden unter anderem bei Sextanten verwendet. Einerseits blickt man durch den Spiegel direkt auf den Horizont und andererseits blickt man via Spiegel zum Gestirn.

Dünne Goldschichten reflektieren vorrangig im Infrarot, sind jedoch im sichtbaren Licht bläulich transparent.

Dichroitische Spiegel

Interferenzspiegel sind abseits ihrer Bemessungswellenlänge immer teiltransparent. Sie tragen auf einem Glassubstrat mehrere transparente Schichten mit abwechselnd jeweils unterschiedlichem Brechungsindex. Die Dicke der Schichten beträgt die halbe Wellenlänge der zu reflektierenden Strahlung.

Interferenzspiegel reflektieren nur in einem begrenzten Wellenlängenbereich sowie in einem begrenzten Einfallswinkel, erreichen hierbei jedoch wesentlich höhere Reflexionsgrade (> 99,9 %), als dies mit Metallspiegeln (bis etwa 96 %) möglich ist.

Interferenzspiegel können auch als verlustarme teiltransparente Spiegel (Strahlteiler) sowie zur Aufteilung in verschiedene Wellenlängen bzw. als Farbfilter (Interferenzfilter) verwendet werden.

Geschichte der Spiegelherstellung

Wasseroberfläche als Spiegel in der Illustration „Ännu sitter Tuvstarr kvar och ser ner i vattnet“ von John Bauer

Frühe Neuzeit: Belegen mit Zinnfolie unter Verwendung von Quecksilber

Zum Ende des Mittelalters wurde die Technik der Glasspiegel weiterentwickelt, man stellte Quecksilber-Spiegel her. Dabei wurde Quecksilber auf dünne, auf Papier gelagerte, polierte Zinnfolien aufgetragen und mit einem weiteren, glatten Papierblatt bedeckt. Darauf wurde eine Glasplatte gelegt und leicht angedrückt, während die obere Papierschicht wieder entfernt wurde. Nach 10 bis 20 Stunden Ruhe- und Presszeit und bis zu zwei Wochen Trocknungszeit war der Spiegel fertig.

Da sich Zinn und Quecksilber zu Zinnamalgam verbinden, wäre Zinnamalgam-Spiegel die korrekte Bezeichnung. Die Herstellung dieser Spiegel war ungleich aufwändiger als die Spiegelherstellung durch Einblasen der Legierung in Glaskugeln, wurde jedoch fast vier Jahrhunderte lang angewandt.

Von der Erfindung um 1450 bis 1665 war die Herstellung von klaren Kristallspiegeln ein Monopol der Glasbläser der venezianischen Insel Murano. Dann wurden zwanzig Handwerker von Frankreich abgeworben und eine königliche Spiegelglasmanufaktur errichtet, zuerst in Paris, ab 1695 in Saint-Gobain. Hier wurden die ersten ebenen Spiegel hergestellt. 1734 kosteten zwei Quadratmeter Spiegelglas ein Jahresgehalt eines Glasbläsers.

Moderne: Beschichtung mit Silber und Aluminium

Im 19. Jahrhundert schließlich entstand der Silberspiegel. 1835 publizierte Justus von Liebig die Zeilen: „[…] wenn man Aldehyd mit einer Silbernitratlösung mischt und erhitzt, scheidet sich Silber auf der Wand des Glases ab und es entsteht ein brillanter Spiegel.“ Aber erst als Amalgamspiegel 1886 wegen ihrer Giftigkeit verboten wurden, ging man allgemein zur Silberspiegelfabrikation über. Zur genaueren Beschreibung der chemischen Zusammenhänge siehe auch: Silberspiegelprobe.

Heute presst man unter Vakuum Aluminiumfolie auf glatte Glasscheiben oder bedampft bzw. besputtert sie mit Aluminium.

Es gibt einfache Glasspiegel und wertvollere Kristallspiegel. Diese müssen mindestens zehn Prozent Oxide enthalten; entweder Bleioxid (PbO) oder Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K₂O) oder Zinkoxid (ZnO).