Wenn eine Linse das gesamte einfallende Licht auf einen Punkt fokussiert, wie erhalten wir dann 2D-Bilder?

...wenn eine Linse alle einfallenden Lichtstrahlen so krümmt, dass sie sich im Brennpunkt schneiden? Sollte dies nicht einen einzelnen Lichtpunkt erzeugen ...?

(In Ihrem Diagramm befindet sich das Quellbild im Unendlichen. Ich werde die Analyse entlang dieser Idee fortsetzen.)

Es ist wahr, dass alle Strahlen parallel zur Achse auf diesen einzelnen Punkt fokussieren. Nicht alle Strahlen sind jedoch parallel zur Achse:

Strahlen, die aus unterschiedlichen Winkeln kommen, fokussieren auf unterschiedliche Punkte. So entsteht ein Bild.

Eine konvexe Linse fokussiert nicht alle Strahlen auf einen einzigen Punkt. Es fokussiert die allachsparallelen Strahlen auf den Brennpunkt. Es fokussiert auch alle Strahlen, die von einem bestimmten Punkt ausgehen, auf einen entsprechenden Punkt auf der anderen Seite. Dieser Punkt ist das Bild des ursprünglichen Punktes.

Das Standarddiagramm zeigt, dass eine Linse alle achsparallel einfallenden Strahlen zum Brennpunkt schickt. Parallele Strahlen können als von einem Punkt im Unendlichen ausgehend betrachtet werden. Sie können sich den Brennpunkt also als das Bild eines Punktes im Unendlichen vorstellen.

Allgemeinere Strahlendiagramme sehen so aus :

Die vollständigen Regeln zum Zeichnen von Strahlendiagrammen, wie sie im Hyperphysik-Artikel zu diesem Thema angegeben sind:

1. Ein Strahl von der Oberseite des Objekts, der parallel zur Mittellinie senkrecht zur Linse verläuft. Jenseits der Linse passiert es den Hauptbrennpunkt. Bei einer negativen Linse geht es von der Linse aus, als ob es vom Brennpunkt auf der nahen Seite der Linse ausgehen würde.
2. Ein Strahl durch die Mitte der Linse, der nicht abgelenkt wird. (Eigentlich wird es auf der nahen Seite des Objektivs nach unten und auf der Austrittsseite des Objektivs wieder nach oben verschoben, aber der daraus resultierende leichte Versatz wird bei dünnen Objektiven vernachlässigt.)
3. Ein Strahl durch den Hauptbrennpunkt auf der nahen Seite der Linse. Beim Austritt aus der Linse verläuft sie parallel zur Mittellinie. Der dritte Strahl wird nicht wirklich benötigt, da die ersten beiden das Bild lokalisieren.

Ihr Diagramm zeigt parallele Lichtstrahlen, die aus der Unendlichkeit stammen. Licht, das in der realen Welt in das Auge eintritt, ist nicht vollständig parallel.

In der realen Welt trifft das gesamte Licht, das von einem einzelnen Punkt reflektiert wird, an einem einzelnen Punkt auf den Sensor (Augenkegel, digitaler Sensor usw.) , vorausgesetzt, dieser Punkt ist scharfgestellt. Licht von verschiedenen Punkten trifft jedoch an verschiedenen Stellen auf den Sensor und erzeugt das Bild, das Sie sehen.

Wenn der Punkt nicht scharf ist, wird er kreisförmig auf dem Sensor ausgebreitet. Fotografen nennen dies den Kreis der Verwirrung.

Wenn Sie mit diesem Tool herumspielen, sollte es ziemlich offensichtlich sein. Ich habe diese Bilder aus meiner Antwort auf die Photography.SE-Frage genommen. Wie funktioniert die Blende, ohne das Bild zu „beschneiden“, das auf den Sensor trifft?

Um ehrlich zu sein: Geometrische Optik ist falsch. Es reicht für kleine Winkel und nicht zu komplizierte Setups aus, ist aber immer noch eine Annäherung.

Das erste: Normale Objektive haben keinen Brennpunkt, sondern etwas, das eher einer Linie ähnelt, die sogenannte Kaustik . Die richtige Form, um einen perfekten Punkt auf der Linie zu erhalten, die die Mitte der Linse kreuzt (ich nenne diese Achse jetzt), ist keine Kugelform, sondern eine komplizierte Kurve, das kartesische Ei . Von normalen optischen Flächen erhalten Sie also gar kein Punktbild; Es gibt aplanatische Linsen , aber sie sind extrem teuer.

Zweitens: Selbst wenn Sie eine aplanatische Linse haben, ist Licht immer noch kein Strahl, sondern eine Wellenfront. Eine perfekt planare Wellenfront, die eine aplanatische Linse passiert, bildet immer noch keinen Punkt, sondern eine sogenannte Luftscheibe . Sie sehen das sehr gut, wenn Sie die Vergrößerung erhöhen; irgendwann wird das bild immer unschärfer, die luftigen scheiben der punktbilder beginnen sich zu überlagern und ruinieren das bild. Die einzige Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, die Größe der Linse oder des Spiegels zu erhöhen, wodurch die luftige Scheibe kleiner wird (das ist der Grund, warum Astronomen große, große Linsen und Spiegel brauchen).

Aber selbst das reicht nicht aus, wenn man es wirklich hochwertig haben will, dann braucht man die exakten Lichtgleichungen, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden .

Jetzt brauchen wir ein Bild, ich verwende das Open-Source-Bild der deutschen Wikipedia unter "Linsengleichung":

Wie Sie sehen, laufen die Lichtstrahlen, wenn die Quelle der Lichtstrahlen in der Nähe der Linse ist, nicht parallel und ihr Bild entwickelt sich nicht im Brennpunkt f, sondern in größerer Entfernung. Sie verwenden zwei Strahlen vom selben Punkt: einen parallel zur Achse, die den Brennpunkt schneidet, und einen, der vom Punkt aus genau durch die Linse verläuft. Wo sie sich kreuzen, ist das Bild des Quellpunkts und dies ist nicht der Brennpunkt!

Ihre Frage enthält einen Irrtum, der die Ursache für Ihre Verwirrung sein könnte. Es ist nicht alles Licht , das auf einen Punkt fokussiert wird, es sind nur Strahlen parallel zur Linsenachse!
Wenn im Fall von zwei (Punktquellen-) Sternen die Strahlen eines Sterns parallel zur Linsenachse verlaufen, sind die Strahlen des anderen Sterns nicht (nicht kolinear), daher erscheint sein Bild an einem anderen Punkt als der erste Stern.