Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften (eBook)

Vorwort 7
Inhalt 11
1 Einleitung 23
2 Geometrische Optik 24
2.1 Lichtstrahlen, optische Abbildung 24
2.2 Fermat’sches Prinzip 25
2.3 Reflexion von Lichtstrahlen 26
2.3.1 Reflexion an ebenen Flächen 26
2.3.2 Reflexion an gekrümmten Flächen 28
2.4 Brechung des Lichts 32
2.4.1 Brechungsgesetz 32
2.4.2 Dispersion 34
2.4.3 Totalreflexion 37
2.4.4 Prismen 40
2.5 Brechung an gekrümmten Flächen 42
2.5.1 Asphärische Flächen 42
2.5.2 Kugelflächen 44
2.5.2.1 Vorzeichenkonvention in der technischen Optik 44
2.5.2.2 Brechung an einer Kugelfläche 45
2.6 Abbildung durch Linsen 48
2.6.1 Dünne Linsen 48
2.6.2 Dicke Linsen 58
2.6.3 Fresnel-Linsen 64
2.6.4 GRIN-Linsen 66
2.6.5 Linsen mit torischen Flächen 69
2.6.6 Linsensysteme 71
2.7 Matrixmethoden der Gauß’schen Optik 75
2.7.1 Matrizen zur Beschreibung der Strahlausbreitung 76
2.7.2 Matrizen für Linsen 79
2.7.3 Eigenschaften der Systemmatrix 83
2.7.4 Lage der Kardinalpunkte eines optischen Systems 86
2.7.5 Lage der Referenzebenen 92
2.8 Strahlbegrenzungen 93
2.8.1 Blenden und Pupillen 93
2.8.2 Kenngrößen der Strahlenbegrenzung 97
2.8.3 Feldblenden und Luken 98
2.8.4 Feldlinsen und Kondensoren 102
2.9 Abbildungsfehler 104
2.9.1 Sphärische Aberration (Öffnungsfehler) 105
2.9.2 Koma (Asymmetriefehler) 111
2.9.3 Astigmatismus und Bildfeldwölbung 113
2.9.4 Verzeichnung 115
2.9.5 Chromatische Aberration (Farbfehler) 117
2.10 Optische Instrumente 120
2.10.1 Optik des menschlichen Auges 120
2.10.2 Lupen und Okulare 126
2.10.3 Mikroskope 132
2.10.4 Fernrohre 143
2.10.5 Fotoapparat 152
3 Radio- und Fotometrie 160
3.1 Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie 160
3.1.1 Grundlagen, Definitionen 160
3.1.2 Strahlungsfelder einfacher Geometrien 170
3.2 Erfassen und Transfer der Strahlung von Lampen und kegelförmig abstrahlenden Lichtquellen in optisch-analytischen Geräten 175
3.2.1 Abstrahl-Charakteristik verschiedener Lichtquellen 175
3.2.2 Technische Ausführung von Lampen für optisch-analytische Messgeräte 177
3.2.3 Ulbricht’sche Integrationskugel 181
3.3 Lichttechnische Größen, Fotometrie 184
3.4 Farbmetrik 189
4 Wellenoptik 202
4.1 Elektromagnetische Wellen 202
4.2 Polarisation des Lichts 207
4.2.1 Polarisationsformen 207
4.2.2 Mathematische Beschreibung des Polarisationszustands 209
4.2.3 Polarisationsoptische Komponenten 213
4.2.4 Optische Aktivität 223
4.2.5 Elektro- und magnetooptische Effekte 226
4.2.6 Anwendungen der Doppelbrechung 233
4.3 Lichtwellen an Grenzflächen 239
4.3.1 Fresnel’sche Gleichungen 239
4.3.2 Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichte Medium 243
4.3.3 Übergang vom optisch dichten ins optisch dünne Medium 245
4.3.4 Wellen in absorbierenden Medien 253
4.4 Interferenz 262
4.4.1 Zweistrahl-Interferenz 262
4.4.2 Kohärenz 265
4.4.3 Gruppengeschwindigkeit 270
4.4.4 Interferenz einander schräg durchdringender Wellen 274
4.4.5 Stehende Wellen 275
4.4.6 Interferenzen an dielektrischen Schichten 278
4.4.7 Interferenzen an dielektrischen Vielfachschichten 286
4.4.8 Interferometer 293
4.4.9 Vielstrahlinterferenzen 296
4.5 Beugung 303
4.5.1 Huygens-Fresnel’sches Prinzip 303
4.5.2 Beugung am Spalt und an der Lochblende 305
4.5.3 Auflösungsvermögen beugungsbegrenzter Instrumente 309
4.5.4 Beugung am Gitter 315
4.6 Gauß’sche Strahlen 327
4.6.1 Feldverteilung im Gauß-Strahl 327
4.6.2 Laser-Resonatoren 331
4.6.3 Durchgang Gauß’scher Strahlen durch optische Komponenten 333
4.7 Holografie 338
4.7.1 Aufnahme eines Hologramms und Rekonstruktion des Bildes 339
4.7.2 Technische Anwendungen der Holografie 347
5 Quantenoptik 351
5.1 Lichtquanten 351
5.2 Welle-Teilchen-Dualismus 356
5.3 Absorption und Emission von Licht 358
5.4 Laser 363
5.4.1 Laserprinzip 363
5.4.2 Lasertypen 369
6 Optoelektronik 373
6.1 Halbleiter-Sender 374
6.1.1 Strahlungsemission aus Halbleitern 374
6.1.2 Lumineszenzdioden (LEDs) 376
6.1.3 Laserdioden (Injektionslaser) 384
6.2 Halbleiter-Detektoren 399
6.2.1 Strahlungsabsorption in Halbleitern 399
6.2.2 Gütekriterien von Detektoren 401
6.2.3 Fotowiderstand 403
6.2.4 Fotodiode 405
7 Führung von Licht in Lichtwellenleitern 414
7.1 Einleitung 414
7.2 Schichtwellenleiter 415
7.2.1 Strahlenbild 415
7.2.2 Wellenbild 418
7.3 Wellen in zylindrischen Fasern 420
7.3.1 Stufenindex-Faser 420
7.3.2 Einmodenfaser 427
7.3.3 Gradientenfaser 430
7.4 Dämpfung in Lichtwellenleitern 433
7.5 Dispersion im Lichtwellenleiter 438
7.5.1 Modendispersion 439
7.5.2 Chromatische Dispersion 444
7.6 Lichtleiter in praktischen Anwendungen 448
8 Beleuchtungstechnik 456
8.1 Einleitung 456
8.2 Lichttechnische Größen 457
8.3 Lichtquellen 461
8.3.1 Lampen 461
8.3.2 Leuchten 462
8.4 Optische Systeme zur Beleuchtung 463
8.4.1 Beleuchtung im Innenraum 463
8.4.2 Beleuchtung im Außenraum 469
8.4.3 Signalisation 475
8.4.4 Informationsträger 484
8.5 Simulation und Berechnungsprogramme 486
8.5.1 DIALux 486
8.5.2 ReluxSuite 488
8.5.3 Weitere Simulationssoftware für den Innenbereich 488
8.6 Spezielle Kapitel der Beleuchtungstechnik 489
8.6.1 Wirkung des Lichts auf den Menschen 489
8.6.2 Lichtverschmutzung 490
9 Laseranwendungen 494
9.1 Laser in der Materialbearbeitung 495
9.1.1 Laserstrahlquellen 495
9.1.1.1 Festkörperlaser 495
9.1.1.2 Halbleiterlaser (Diodenlaser) 500
9.1.1.3 Gaslaser 501
9.1.2 Strahlqualität 504
9.1.3 Wechselwirkung Strahlung mit Materie 506
9.1.3.1 Energieströme und Wirkungsgrade 506
9.1.3.2 Einwirkdauer und Leistungsdichte 507
9.1.4 Laser-Materialbearbeitung 508
9.1.4.1 Aufwärmen zum Bearbeiten von Oberflächen 509
9.1.4.2 Schmelzen zur Behandlung von Oberflächen 510
9.1.4.3 Schmelzen zum Aufbauen und Laserformen (Urformen) 511
9.1.4.4 Wärmeleitschweißen (Schmelzen zum Fügen) 512
9.1.4.5 Tiefschweißen (Verdampfen zum Fügen) 513
9.1.4.6 Laserschneiden 513
9.1.4.7 Laserbohren 515
9.1.4.8 Lasermikrobearbeitung (Verdampfen zum Reinigen, Strukturieren und Abtragen) 516
9.2 Laser in der Kommunikationstechnik 517
9.2.1 Funktionsweise 517
9.2.2 Vor- und Nachteile 518
9.2.3 Anwendungen 519
9.3 Laseranwendungen in Medizin und Biologie 522
9.3.1 Wechselwirkungen von Laserstrahlung mit Zellen und Gewebe 522
9.3.2 Laseranwendungen in Diagnose und Therapie 524
9.3.3 Mikroskopische Laseranwendungen 527
9.4 Laser bei den Konsumgütern 530
9.4.1 Laserdrucker und Laserkopierer 530
9.4.2 Laserscanner 533
9.4.3 Laserprojektor 534
9.5 Laser in der Unterhaltung 535
9.5.1 Technischer Aufbau 535
9.5.2 Projektion 537
9.5.3 Laservideo 539
9.5.4 Räumliche Strahleneffekte 539
9.5.5 Strahlensicherheit beim Audience Scanning 541
10 Optische Sensoren und Messtechnik 543
10.1 Eigenschaften optischer Sensoren 543
10.2 Optische Detektoren 544
10.2.1 Arbeit und Leistung von Lichtsignalen 544
10.2.2 Basis-Parameter von Detektoren 545
10.2.3 Fotoröhren, Fotomultiplier (PMT) und Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV oder SEM) 547
10.2.4 Mikrokanalplatte (MCP: Micro Channelplate) 549
10.2.5 Festkörperdetektoren 551
10.2.6 Planck’sche Strahlung, Hintergrundstrahlung 552
10.2.7 Flächendetektoren (Array, CCD und CMOS) 554
10.2.8 Arrays und NIR-Flächendetektoren 562
10.2.9 CCD mit Bildverstärkung 563
10.2.10 CMOS-Sensoren, Active Pixel Sensoren (APS) 564
10.3 Methoden der optischen Messtechnik 566
10.3.1 Schattenprojektion 566
10.3.2 Lasertriangulation 569
10.3.3 Streifenprojektion 573
10.3.4 Fotogrammetrie 575
10.3.5 Deflektometrie 581
10.3.6 Konfokale Sensorik 585
10.3.7 Lasertracking 588
10.3.8 Individualisierte optische Messtechnik 592
10.4 Messung physikalischer Größen 594
10.4.1 Geometrische Größen 594
10.4.1.1 Abstands- und Wegsensoren 594
10.4.1.2 Winkel und Drehbewegung 606
10.4.1.3 3D-Messtechnik 607
10.4.2 Objekterfassung 614
10.4.2.1 Lichtschranke, Lichttaster 614
10.4.2.2 Laserscanner 633
10.4.2.3 Optische Identifikation 637
10.4.3 Temperaturmessung 642
10.4.4 Fotometrie 644
10.4.5 Feuchtemessung 659
10.4.5.1 Messungen im Infrarotbereich (IR) 660
10.4.5.2 Messung im nahen Infrarotbereich (NIR) 661
10.4.5.3 Messung im ultravioletten Bereich (UV-Licht) 663
10.4.5.4 Messung mit Lichtwellenleitern 663
10.4.5.5 Diodenlaserspektrometer (TDL) 665
10.4.5.6 Messung von Wassertröpfchen (Flüssigphase) 666
10.5 Anwendungsgebiete in der Medizin und Biologie 667
10.5.1 Überblick der Nachweismethoden 667
10.5.2 Oberflächenplasmonen-Resonanz (SPR) 667
10.5.3 Interne Totalreflexionsfluoreszenz (TIRF) 669
10.5.4 Lumineszenzverfahren 670
10.5.5 Colorimetrie/Fotometrie 673
10.6 Optische Sensoren in der Chemie 675
10.6.1 Einleitung 675
10.6.2 Komponenten des optischen Sensors 678
10.6.3 Detektionsprinzipien 680
10.6.4 Ausgewählte Anwendungen 682
11 Optische Gerätetechnik 684
11.1 Einleitung 684
11.2 Fotokameras 685
11.2.1 Analoge Fotokamera 685
11.2.2 Digitale Fotokamera 688
11.2.3 Kamerachips 688
11.2.4 Bauformen digitaler Kameras 690
11.2.5 Besondere Anforderungen an digitale Kameras 695
11.2.6 Zusammenfassung 697
11.3 Fernoptische Geräte 698
11.4 Mikroskopie 706
11.4.1 Klassische Lichtmikroskopie 707
11.4.2 Verfahren zur Reduktion des Hintergrunds 709
11.4.3 Super Resolution Microscopy 712
11.5 Digitale Visualisierung 717
11.5.1 Displaytechnologien 717
11.5.2 Übersicht 717
11.5.3 Funktionsprinzip von LCD, OLED und E-Paper 719
11.5.4 Pixelansteuerung und elektro-optische Kurve 720
11.5.5 Zusammenfassung 722
11.5.6 Displays in optischen Geräten 722
11.5.7 Digitale Projektoren (Beamer) 722
11.5.8 Augmented Reality und Virtual Reality 723
11.5.9 Stereosysteme 726
11.5.10 Zusammenfassung 728
11.6 Optische Messgeräte 728
11.6.1 Interferometer 729
11.6.2 Shack-Hartmann-Sensoren 736
11.6.3 Autokollimatoren 737
11.6.4 Brechzahlmessung 739
11.7 Spektralapparate 740
11.7.1 Einleitung, Definitionen und Nomenklatur 740
11.7.2 Beugungsgitter 742
11.7.3 Dispersionsprismen 746
11.7.4 Filter 748
11.7.5 Polarisation 748
11.7.6 Spektrometer 750
11.7.7 Doppelspektrometer 757
11.7.8 Spektrometer für den tiefen UV- und Vakuum-UV-Bereich 758
11.7.9 Kompakte Spektrometer mit Lichtleiterkopplung 760
11.7.10 Spezielle Anforderungen der Lichtleiterkopplung 762
11.7.11 Transmissions-Spektrometer 763
11.7.12 Prismenspektrometer 763
11.7.13 Echellespektrometer 764
11.7.14 Hyperspektrale Spektrometer (Hyperspectral Imaging Spectroscopy) 764
11.7.15 Allgemeine Funktionen 765
11.8 Spektralfotometer 771
11.8.1 Einleitung, Definitionen und Nomenklatur 771
11.8.2 Absorptions- und Reflexions-Spektralfotometer 772
11.8.3 Lumineszenz-Spektroskopie: Fluoreszenz und Phosphoreszenz 777
11.8.4 Messmethoden für dynamische Lumineszenz – LifetimeMessung 781
11.8.5 Raman- und Brillouin-Spektralfotometrie 788
11.8.6 Spektrale Radiometrie 795
11.9 Optometrie 799
11.9.1 Geräte beim Augenoptiker 799
11.9.2 Geräte für die Augenheilkunde 805
11.10 Astronomische Teleskope 809
11.10.1 Einleitung 809
11.10.2 Bauformen 810
11.10.3 Amateurastronomie 811
11.10.4 Terrestrische Astronomie 813
11.10.5 Weltraumteleskope 815
12 Bildgebende Verfahren 820
12.1 Definition und Übersicht 820
12.2 Messprinzipien 822
12.3 Optische Verfahren 826
12.4 Abbildungskette und ihre Komponenten 828
12.5 Lichtquellen und Beleuchtung 829
12.6 Bildwiedergabe (Empfänger) 832
12.7 Optische Systeme nach Auflösung und Vergrößerung der optischen Abbildung 835
12.8 Objekttreue 840
12.9 Komplexität bildgebender Verfahren 843
12.10 Komplexität optischer Systeme 846
12.11 Rechenaufwand 847
12.12 Beispiele einiger bildgebender Verfahren 848
12.12.1 Computertomografie (CT) zur Werkstoffprüfung 848
12.12.2 Akustisches Mikroskop zur Untersuchung elektronischer Bauteile 850
13 Optikdesign und Simulation 852
13.1 Optikdesign 853
13.1.1 Einleitung 853
13.1.2 Apertur und Feld, Eintritts- und Austrittspupille 853
13.1.3 Bildfehler dritter Ordnung 858
13.1.4 Bewertung optischer Systeme 860
13.1.5 Optikdesign-Prozess 869
13.1.6 Optikdesign 872
13.1.7 Optimierung 888
13.1.8 Tolerierung 894
13.1.9 Spezielle Komponenten im Optik-Design 896
13.2 Optiksimulation 913
13.2.1 Einleitung 913
13.2.2 Streulichtsimulationen 914
13.2.3 Digitalisierung 922
13.2.4 Simulation äußerer Einflüsse 927
13.2.5 Wellenoptische Simulationen 929
14 Optische Phänomene 933
14.1 Definition und Erklärungsversuche 933
14.2 Geometrische Täuschungen 935
14.2.1 Längentäuschung 935
14.2.2 Krümmungstäuschung 936
14.2.3 Richtungstäuschung 936
14.2.4 Größentäuschung 937
14.3 Räumliche Täuschungen 937
14.3.1 Ambiguität 937
14.3.2 Perspektiventäuschung 940
14.4 Helligkeits- und Kontrasttäuschungen 942
14.5 Bewegungstäuschungen 943
14.6 Farbtäuschungen 944
14.7 Unmögliche Figuren, Objekte und Bilder 944
14.8 Ames-Raum 946
15 Optiknormen 949
Index 953