Technische Optik in der Praxis (eBook)

Professor Dr. Gerd Litfin, Vorstandsvorsitzender der LINOS AG, ist stellvertretender Vorsitzender des Kuratoriums des Laserzentrums Hannover, Kuratoriumsvorsitzender des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, Vorsitzender des VDI-Kompetenzfeldes Optische Technologien, Mitgründer der Fakultät Naturwissenschaften und Technik in Göttingen sowie Sprecher des Programmausschusses zur Deutschen Agenda "Optische Technologien für das 21. Jahrhundert" und lehrt am Fachbereich Physik der Universität Hannover.  

Vorwort zur dritten Auflage 5
Vorwort zur ersten Auflage 7
Inhaltsverzeichnis 9
Autorenverzeichnis 14
1 Geometrische Optik 15
1.1 Strahlenmodell 15
1.2 Reflexion von Lichtstrahlen 16
1.2.1 Diffuse und gerichtete Reflexion (Reflexionsgesetz) 16
1.3 Brechung des Lichts (Refraktion) 25
1.3.1 Brechungsgesetz 25
1.3.2 Totalreflexion 28
1.3.3 Planparallele Platte 29
1.3.4 Prismen 30
1.3.5 Kugelflächen 33
1.4 Optische Abbildung 39
1.4.1 Sphärische Linsen 39
1.4.2 Linsensysteme 45
1.4.3 Blenden 47
Literatur 48
2 Wellenoptik 49
2.1 Licht als Wellenphänomen 49
2.1.1 Elektromagnetische Wellen 49
2.1.2 Monochromatische ebene Wellen 50
2.1.3 Elektrisches Feld und Intensität 53
2.1.4 Sphärische Wellen 54
2.2 Überlagerung von Wellen 55
2.2.1 Interferenz 55
2.2.2 Kohärenz 59
2.2.3 Interferometer 63
2.3 Beugung 66
2.3.1 Elementarwellen und Beugung am Spalt 67
2.3.2 Auflösungsvermögen optischer Systeme 68
2.4 Polarisation 69
2.4.1 Polarisationszustände 69
2.4.2 Polarisierende Komponenten 70
2.4.3 Polarisationsoptische Geräte 73
2.5 Reflexion 75
2.5.1 Reflexion an einer Grenzflache 75
2.5.2 Dielektrische Schichten 77
2.5.3 Schichtsysteme 78
2.5.4 Spezialsysteme 81
Literatur 82
3 Abbildungsfehler und optische Systeme 83
3.1 Ursachen und Wirkungen von Abbildungsfehlern 84
3.2 Typen von Abbildungsfehlern 87
3.2.1 Schärfefehler 87
3.2.2 Lagefehler 90
3.2.3 Farbfehler 92
3.3 Darstellung der Abbildungsleistung und Qualitätsbewertung optischer Systeme 94
3.4 Maßnahmen 104
3.4 Maßnahmen zur Verbesserung der Abbildungsleistung 104
Literatur 108
4 Entwicklung optischer Systeme 109
4.1 Einführung 109
4.2 Spezifikation optischer Systeme 109
4.3 Bestimmung der optischen Grunddaten 111
4.4 Bestimmung der Abbildungsleistung 112
4.4.1 Trigonometrische Strahldurchrechnung 112
4.4.2 Seidelsche Bildfehler 118
4.5 Abhängigkeiten von Parametern 119
4.5 Abhängigkeiten von Parametern und Aberrationen 119
4.5.1 Durchbiegung von Linsen 119
4.5.2 Blendenlage 122
4.5.3 Asphärenlage 124
4.5.4 Glaswahl 125
4.5.5 Apertur und Feldgröße 128
4.6 Prinzip der Systemoptimierung 129
4.7 Beispiel zur Systemoptimierung 132
4.8 Optical-Design-Programme 136
4.9 Zusammenfassung und erg¨ anzende Bemerkungen 139
Literatur 139
5 Optische Werkstoffe 141
5.1 Einleitung 141
5.2 Brechzahlen, Dispersionsgleichungen, Abbe-Diagramm 141
5.3 Differentielle Änderungen der Brechzahl 152
5.3.1 Allgemeines 152
5.3.2 Schmelzschwankungen 153
5.3.3 Einfluß der Kühlgeschwindigkeit, Relaxation 153
5.3.4 Änderung der Umgebungstemperatur 156
5.3.5 Mechanische Spannungen, elektrische Felder und Magnetfelder 159
5.4 Glasfehler und Homogenität [3,8] 163
5.5 Transparenzbereiche 165
5.5.1 Transmissionvermgen von Gläsern, Kristallen und Kunststoffen 165
5.5.2 Farbgläser [8,28–30] 167
5.6 Sonderwerkstoffe für die Optik 171
Literatur 172
6 Spezifikation und Fertigung optischer Bauelemente 175
6.1 Fertigungsverfahren 175
6.1.1 Urformen 175
6.1.2 Umformen 175
6.1.3 Trennen 176
6.1.4 Trennschleifen 176
6.2 Fertigungstoleranzen 181
6.3 Qualitätsmanagement (QM) 186
Literatur 190
7 Optoelektronik-Komponenten 191
7.1 Lichtemitterdioden 191
7.1.1 Prinzip 191
7.1.2 Materialien 192
7.1.3 Aufbau und Eigenschaften 193
7.1.4 Grundschaltungen 195
7.2 Displays 196
7.2.1 LED-Displays 196
7.2.2 Ansteuerschaltungen für LED-Displays 197
7.2.3 LC-Displays 198
7.2.4 LCD-Ansteuerung 201
7.3 Detektoren 203
7.3.1 Fotoleiter 203
7.3.2 Fotodiode 206
7.3.3 Fototransistor 210
7.3.4 Detektorschaltungen 211
7.4 CCD-Sensoren 212
7.4.1 MOS-Kondensator 212
7.4.2 CCD-Ladungstransport 214
7.4.3 CCDs 214
7.4.4 CCD-Kameras 218
Literatur 220
8 Fasern und Sensorik 221
8.1 Mechanismus der Wellenleitung 221
8.1.1 Geometrisch-optische Grundlagen 221
8.1.2 Der Modenbegriff aus wellenoptischen Betrachtungen 223
8.2 Fasertypen 227
8.2.1 Multimode-Glasfasern 227
8.2.2 Monomode-Glasfasern 230
8.2.3 Faserbündel 234
8.3 Dämpfungseigenschaften von Fasern 235
8.3.1 Quarzglasfasern 235
8.3.2 Kunststoffasern 236
8.4 Koppeltechnik 237
8.4.1 Vorbetrachtungen 237
8.4.2 Ankopplung Quelle-Faser 237
8.4.3 Verbindung Faser-Faser 243
8.4.4 Faserkoppler 244
8.5 Nichtsensorische Anwendungen von Glasfasern 247
8.5.1 Vorbemerkung 247
8.5.2 Anwendungen von Faserbündeln für Beleuchtung 247
8.5.3 Anwendungen von Einzelfasern zur Energie Übertragung 248
8.5.4 Anwendungen von Einzelfasern 249
8.6 Meßtechnische und sensorische Anwendungen von Glasfasern 250
8.6.1 Klassifizierung faseroptischer Meß- und Sensorsysteme 250
8.6.2 Intensitätsmodulierte Sensoren 251
8.6.3 Polarisationsmodulierte Sensoren 253
8.6.4 Interferometrische Sensoren 253
Literatur 255
9 Laser 257
9.1 Eigenschaften der Laserstrahlung 257
9.2 Erzeugung von Laserstrahlung 258
9.3 Moden 260
9.4 Ausbreitung der Grundmode 262
9.5 Strahlqualität 266
9.6 Lasertypen 267
Literatur 269
10 Neue Laser 271
10.1 Konzepte für diodengepumpte Festkörperlaser 272
10.2 Neue Konzepte 273
10.3 Upconversion Faserlaser 276
Literatur 277
Sachverzeichnis 279

6 Spezifikation und Fertigung optischer Bauelemente (S. 163-164)

6.1 Fertigungsverfahren

Die klassischen Optikbearbeitungsprozesse zur Formgebung lassen sich nach den Grundprinzipien Urformen, Umformen und Trennen einteilen [1–3]. Daran schließen sich meist noch die Verfahren zur Beschichtung (Entspiegeln, Verspiegeln, Lackieren) und die Fügeverfahren (Feinkitten, Ansprengen) an. Die folgenden Ausf¨uhrungen sind auf Bauelemente mit ebenen oder sphärischen Funktionsflächen beschränkt. Zu Asphären findet man in [4] einen Überblick und weiterf¨uhrende Literaturhinweise.

6.1.1 Urformen

Die wesentlichen Urformverfahren sind das Pressen aus der Glasschmelze, das Plastspritzen und das Plastgießen. Die meisten optischen Gläser werden von den Glasherstellern auch als Preßlinge angeboten. Die Rauhigkeiten der Glasoberächen und die Schwankungen der Abmaße erfordern in der Regel eine weitere Bearbeitung zumindest der optischen Funktionsflchen. Beim Plastspritzen und -gießen sind dagegen alle Oberflächen in der notwendigen Qualität herstellbar. Da beim Gießen im Gegensatz zum Spritzen keine druckfesten Stahlformen benötigt werden, können die abzuformenden Werkzeugober. Flächen aus Glas hergestellt werden. Dadurch sind höhere Genauigkeiten erreichbar.

6.1.2 Umformen

Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches lassen sich Gläser umformen, ohne die optischen Eigenschaften zu verlieren. Vielfach werden Preßlinge durch Umformen aus vorgefertigten Halbzeugen hergestellt. Mehrere Firmen haben das Verfahren des Blankpressens für zahlreiche optische Gläser inzwischen sehr weit entwickelt. Dazu werden Glas-Halbzeuge mit polierter Oberfläche (z.B. Rundstäbe oder Kugeln) aufgeheizt und in einer Preßform heiß umgeformt. Die Kunst besteht im wesentlichen darin, den polierten Zustand der Oberfläche des Halbzeuges im späteren Funktionsbereich des Bauelementes in hoher Sauberkeit zu erhalten sowie die thermische Ausdehnung von Bauelement und Preßform exakt vorauszuberechnen. Die Formgenauigkeiten blankgepreßter Bauelemente sind für viele Abbildungsaufgaben ausreichend [5], [6].

6.1.3 Trennen

Neuere Trennverfahren in der Flachglasbearbeitung sind das Laserstrahlschneiden und das Wasserstrahlschneiden. Solche Anlagen sind technisch aufwendig und das klassische Ritzen mit Diamant- oder Hartmetallschneide und anschließendes Knacken (Brechen entlang der Rißlinie) ist kostengünstiger, wenn keine engen Maßtoleranzen gefordert sind.

6.1.4 Trennschleifen

Das Trennschleifen mit gebundenem Diamantkorn ist heute das Standardverfahren in der optischen Bauelementefertigung. Abhängig von der angestrebten Bearbeitungsgeschwindigkeit und Rauhtiefe werden Korngrößen des Diamantpulvers im Bereich von etwa 2 bis 400 µm in unterschiedlich harte Bindungsmaterialien eingemischt und in eine Werkzeugform gegossen, gepreßt oder auf einen Werkzeuggrundkörper aufgebracht. Gebräuchliche Bindungen sind Bronzepulver, Kunststoffe oder auch galvanisch erzeugte Nickelbindungen. Die folgenden Angaben sind aus Werkzeugkatalogen verschiedener Hersteller entnommen [7], [8].

Die Konzentration bezi.ert den Anteil an Diamant im Schleifbelag (in Volumenprozent). Die Basis der Konzentrationsbezeichnung ist internationaler Standard, nämlich 25 Volumenprozent Diamant werden mit C100 bezeichnet, woraus sich mit der Dichte des Diamanten von ρ = 3,52 g/cm3 der Diamantanteil in Karat (1 Karat = 0,2 Gramm) errechnen läßt: C100 = 4,4 Karat/cm3 Belagvolumen [8] (siehe Tabelle 6.2). Ausgangspunkt in der optischen Fertigung ist meist Block- oder Plattenglas, das mit sehr unterschiedlichen äußeren Abmessungen vorliegt. Damit die Blöcke vollständig durchtrennt werden können, werden sie auf Glasunterlagen aufgeklebt.

Dazu werden Schmelzkleber verwendet, die sich durch Erwärmung wieder lösen lassen und in Reinigungsanlagen wieder entfernbar sind. Mit Trennschleifmaschinen werden Glasblöcke zunächst in Scheiben, und danach in einer anderen Aufspannung weiter in Streifen oder Prismen zerlegt. Moderne Maschinen sind heute in 4 Achsen CNC-gesteuert, wobei 3 orthogonale Achsen mit 1 µm und eine Drehachse mit 0,001 grd als kleinstem Einstellschritt ansteuerbar sind [9].