Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Grundlagen und Anwendungen

von: Ekbert Hering, Rolf Martin

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2017

ISBN: 9783446445093

Sprache: Deutsch

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Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Grundlagen und Anwendungen

	Vorwort	6
	Zum?Geleit	8
	Inhaltsverzeichnis	9
	1 Einleitung	18
	2 Geometrische Optik	19
	2.1? Lichtstrahlen, optische Abbildung	19
	2.2? Fermat’sches Prinzip	20
	2.3? Reflexion von Lichtstrahlen	21
	2.3.1? Reflexion an ebenen Flächen	21
	2.3.2? Reflexion an gekrümmten Flächen	22
	2.4? Brechung des Lichts	27
	2.4.1? Brechungsgesetz	27
	2.4.2? Dispersion	28
	2.4.3? Totalreflexion	31
	2.4.4? Prismen	33
	2.5? Brechung an gekrümmten Flächen	36
	2.5.1? Asphärische Flächen	36
	2.5.2? Kugelflächen	37
	2.5.2.1? Vorzeichenkonvention in der technischen Optik	37
	2.5.2.2? Brechung an einer Kugelfläche	38
	2.6? Abbildung durch Linsen	41
	2.6.1? Dünne Linsen	41
	2.6.2? Dicke Linsen	49
	2.6.3? Fresnel-Linsen	56
	2.6.4? GRIN-Linsen	57
	2.6.5? Linsen mit torischen Flächen	60
	2.6.6? Linsensysteme	62
	2.7? Matrixmethoden der Gauß’schen Optik	66
	2.7.1? Matrizen zur Beschreibung der Strahlausbreitung	67
	2.7.2? Matrizen für Linsen	69
	2.7.3? Eigenschaften der Systemmatrix	73
	2.7.4? Lage der Kardinalpunkte eines optischen Systems	76
	2.7.5? Lage der Referenzebenen	82
	2.8? Strahlbegrenzungen	83
	2.8.1? Blenden und Pupillen	83
	2.8.2? Kenngrößen der Strahlenbegrenzung	87
	2.8.3? Feldblenden und Luken	88
	2.8.4? Feldlinsen und Kondensoren	91
	2.9? Abbildungsfehler	94
	2.9.1? Sphärische Aberration (Öffnungsfehler)	94
	2.9.2? Koma (Asymmetriefehler)	100
	2.9.3? Astigmatismus und Bildfeldwölbung	102
	2.9.4? Verzeichnung	104
	2.9.5 Chromatische Aberration (Farbfehler)	105
	2.10? Optische Instrumente	108
	2.10.1? Optik des menschlichen Auges	108
	2.10.2? Lupen und Okulare	114
	2.10.3? Mikroskope	119
	2.10.4? Fernrohre	129
	2.10.5? Fotoapparat	137
	3 Radio- und Fotometrie	144
	3.1? Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie	144
	3.1.1? Grundlagen, Definitionen	144
	3.1.2? Strahlungsfelder einfacher Geometrien	153
	3.2? Erfassen und Transfer der Strahlung von Lampen und kegelförmig abstrahlenden Lichtquellen in optisch-analytischen Geräten	158
	3.2.1? Abstrahl-Charakteristik verschiedener Lichtquellen	158
	3.2.2? Technische Ausführung von Lampen für optisch-analytische Messgeräte	160
	3.2.3? Ulbricht’sche Integrationskugel	163
	3.3? Lichttechnische Größen, Fotometrie	166
	3.4? Farbmetrik	171
	4 Wellenoptik	182
	4.1? Elektromagnetische Wellen	182
	4.2? Polarisation des Lichts	187
	4.2.1? Polarisationsformen	187
	4.2.2? Mathematische Beschreibung des Polarisationszustands	188
	4.2.3? Polarisationsoptische Komponenten	192
	4.2.4? Optische Aktivität	201
	4.2.5? Elektro- und magnetooptische Effekte	204
	4.2.6? Anwendungen der Doppelbrechung	211
	4.3? Lichtwellen an Grenzflächen	216
	4.3.1? Fresnel’sche Gleichungen	216
	4.3.2? Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichte Medium	220
	4.3.3? Übergang vom optisch dichten ins optisch dünne Medium	222
	4.3.4? Wellen in absorbierenden Medien	229
	4.4? Interferenz	237
	4.4.1? Zweistrahl-Interferenz	237
	4.4.2? Kohärenz	239
	4.4.3? Gruppengeschwindigkeit	244
	4.4.4? Interferenz einander schräg durchdringender Wellen	248
	4.4.5 Stehende Wellen	249
	4.4.6? Interferenzen an dielektrischen Schichten	252
	4.4.7? Interferenzen an dielektrischen Vielfachschichten	259
	4.4.8? Interferometer	265
	4.4.9? Vielstrahlinterferenzen	268
	4.5? Beugung	274
	4.5.1? Huygens-Fresnel’sches Prinzip	274
	4.5.2? Beugung am Spalt und an der Lochblende	276
	4.5.3? Auflösungsvermögen beugungsbegrenzter Instrumente	281
	4.5.4? Beugung am Gitter	286
	4.6? Gauß’sche Strahlen	297
	4.6.1? Feldverteilung im Gauß-Strahl	297
	4.6.2? Laser-Resonatoren	301
	4.6.3? Durchgang Gauß’scher Strahlen durch optische Komponenten	303
	4.7? Holografie	308
	4.7.1? Aufnahme eines Hologramms und Rekonstruktion des Bildes	308
	4.7.2? Technische Anwendungen der Holografie	315
	5 Quantenoptik	319
	5.1? Lichtquanten	319
	5.2? Welle-Teilchen-Dualismus	323
	5.3? Absorption und Emission von Licht	325
	5.4? Laser	330
	5.4.1? Laserprinzip	330
	5.4.2? Lasertypen	335
	6 Optoelektronik	340
	6.1? Halbleiter-Sender	341
	6.1.1? Strahlungsemission aus Halbleitern	341
	6.1.2? Lumineszenzdioden (LEDs)	343
	6.1.3? Laserdioden (Injektionslaser)	350
	6.2? Halbleiter-Detektoren	363
	6.2.1? Strahlungsabsorption in Halbleitern	363
	6.2.2? Gütekriterien von Detektoren	365
	6.2.3? Fotowiderstand	367
	6.2.4? Fotodiode	368
	7 Führung von Licht in?Lichtwellenleitern	377
	7.1? Einleitung	377
	7.2? Schichtwellenleiter	378
	7.2.1? Strahlenbild	378
	7.2.2? Wellenbild	380
	7.3? Wellen in zylindrischen Fasern	383
	7.3.1? Stufenindex-Faser	383
	7.3.2? Einmodenfaser	389
	7.3.3? Gradientenfaser	392
	7.4? Dämpfung in Lichtwellenleitern	395
	7.5? Dispersion im Lichtwellenleiter	399
	7.5.1? Modendispersion	400
	7.5.2? Chromatische Dispersion	405
	7.6? Lichtleiter in praktischen Anwendungen	409
	8 Beleuchtungstechnik	416
	8.1? Einleitung	416
	8.2? Lichttechnische Größen	417
	8.3? Lichtquellen	421
	8.3.1? Lampen	421
	8.3.2? Leuchten	422
	8.4? Optische Systeme zur Beleuchtung	423
	8.4.1? Beleuchtung im Innenraum	423
	8.4.2? Beleuchtung im Außenraum	428
	8.4.3? Signalisation	434
	8.4.4? Informationsträger	443
	8.5? Simulation und Berechnungsprogramme	444
	8.5.1? DIALux	444
	8.5.2? ReluxSuite	446
	8.5.3? Weitere Simulationssoftware für den Innenbereich	446
	8.6? Spezielle Kapitel der Beleuchtungstechnik	447
	8.6.1? Wirkung des Lichts auf den Menschen	447
	8.6.2? Lichtverschmutzung	448
	9 Laseranwendungen	451
	9.1? Laser in der Materialbearbeitung	451
	9.1.1? Laserstrahlquellen	451
	9.1.1.1? Festkörperlaser	452
	9.1.1.2? Halbleiterlaser (Diodenlaser)	456
	9.1.1.3? Gaslaser	457
	9.1.2? Strahlqualität	460
	9.1.3? Wechselwirkung Strahlung mit Materie	461
	9.1.3.1? Energieströme und Wirkungsgrade	461
	9.1.3.2? Einwirkdauer und Leistungsdichte	463
	9.1.4? Laser-Materialbearbeitung	464
	9.1.4.1? Aufwärmen zum Bearbeiten von Oberflächen	464
	9.1.4.2? Schmelzen zur Behandlung von Oberflächen	465
	9.1.4.3? Schmelzen zum Aufbauen und Laserformen (Urformen)	466
	9.1.4.4? Wärmeleitschweißen (Schmelzen zum Fügen)	467
	9.1.4.5? Tiefschweißen (Verdampfen zum Fügen)	468
	9.1.4.6? Laserschneiden	468
	9.1.4.7? Laserbohren	469
	9.1.4.8? Lasermikrobearbeitung (Verdampfen?zum?Reinigen,?Strukturieren?und?Abtragen)	470
	9.2? Laser in der Kommunikationstechnik	472
	9.2.1? Funktionsweise	472
	9.2.2? Vor- und Nachteile	472
	9.2.3? Anwendungen	473
	9.3? Laseranwendungen in Medizin und Biologie	475
	9.3.1? Wechselwirkungen von Laserstrahlung mit Zellen und Gewebe	475
	9.3.2? Laseranwendungen in Diagnose und Therapie	477
	9.3.3? Mikroskopische Laseranwendungen	481
	9.4? Laser bei den Konsumgütern	484
	9.4.1? Laserdrucker und Laserkopierer	484
	9.4.2? Laserscanner	486
	9.4.3? Laserprojektor	487
	9.5? Laser in der Unterhaltung	488
	9.5.1? Technischer Aufbau	488
	9.5.2? Projektion	491
	9.5.3? Laservideo	492
	9.5.4? Räumliche Strahleneffekte	492
	9.5.5? Strahlensicherheit beim Audience Scanning	494
	10 Optische Sensoren und?Messtechnik	495
	10.1? Eigenschaften optischer Sensoren	495
	10.2? Optische Detektoren	496
	10.2.1? Arbeit und Leistung von Lichtsignalen	496
	10.2.2? Basis-Parameter von Detektoren	496
	10.2.3? Fotoröhren, Fotomultiplier (PMT) und Sekundär?Elektronen?Vervielfacher (SEV oder SEM)	498
	10.2.4? Mikrokanalplatte (MCP: Micro Channelplate)	500
	10.2.5? Festkörperdetektoren	501
	10.2.6? Planck’sche Strahlung, Hintergrundstrahlung	503
	10.2.7? Flächendetektoren (Array, CCD und CMOS)	504
	10.2.8? Arrays und NIR-Flächendetektoren	511
	10.2.9? CCD mit Bildverstärkung	512
	10.2.10? CMOS-Sensoren, Active Pixel Sensoren (APS)	513
	10.3? Methoden der optischen Messtechnik	514
	10.3.1? Schattenprojektion	515
	10.3.2? Lasertriangulation	518
	10.3.3? Streifenprojektion	520
	10.3.4? Fotogrammetrie	522
	10.3.5? Deflektometrie	528
	10.3.6? Konfokale Sensorik	531
	10.3.7? Lasertracking	534
	10.3.8? Individualisierte optische Messtechnik	538
	10.4? Messung physikalischer Größen	539
	10.4.1? Geometrische Größen	539
	10.4.1.1? Abstands- und Wegsensoren	539
	10.4.1.2? Winkel und Drehbewegung	550
	10.4.1.3? 3-D-Messtechnik	551
	10.4.2? Objekterfassung	557
	10.4.2.1? Lichtschranke, Lichttaster	557
	10.4.2.2? Laserscanner	575
	10.4.2.3? Optische Identifikation	578
	10.4.3? Temperaturmessung	582
	10.4.4? Fotometrie	584
	10.4.5? Feuchtemessung	597
	10.4.5.1? Messungen im Infrarotbereich (IR)	598
	10.4.5.2? Messung im nahen Infrarotbereich (NIR)	599
	10.4.5.3? Messung im ultravioletten Bereich (UV-Licht)	600
	10.4.5.4? Messung mit Lichtwellenleitern	601
	10.4.5.5? Diodenlaserspektrometer (TDL)	602
	10.4.5.6? Messung von Wassertröpfchen (Flüssigphase)	603
	10.5? Anwendungsgebiete in der Medizin und Biologie	604
	10.5.1? Überblick der Nachweismethoden	604
	10.5.2? Oberflächenplasmonen-Resonanz (SPR)	604
	10.5.3? Interne Totalreflexionsfluoreszenz (TIRF)	606
	10.5.4? Lumineszenzverfahren	607
	10.5.5? Colorimetrie/ Fotometrie	609
	10.6? Optische Sensoren in der Chemie	611
	10.6.1? Einleitung	611
	10.6.2? Komponenten des optischen Sensors	613
	10.6.3? Detektionsprinzipien	615
	10.6.4? Ausgewählte Anwendungen	617
	11 Optische Gerätetechnik	619
	11.1? Einleitung	619
	11.2? Fotokameras	620
	11.2.1? Analoge Fotokamera	620
	11.2.2? Digitale Fotokamera	622
	11.2.3? Kamerachips	623
	11.2.4? Bauformen digitaler Kameras	624
	11.2.5? Besondere Anforderungen an digitale Kameras	628
	11.2.6? Zusammenfassung	630
	11.3? Fernoptische Geräte	631
	11.4? Mikroskopie	638
	11.4.1? Klassische Lichtmikroskopie	638
	11.4.2? Verfahren zur Reduktion des Hintergrunds	640
	11.4.3? Super Resolution Microscopy	643
	11.5? Digitale Visualisierung	648
	11.5.1? Displaytechnologien	648
	11.5.2? Übersicht	648
	11.5.3? Funktionsprinzip von LCD, OLED und E-Paper	649
	11.5.4? Pixelansteuerung und elektro-optische Kurve	651
	11.5.5? Zusammenfassung	652
	11.5.6? Displays in optischen Geräten	652
	11.5.7? Digitale Projektoren (Beamer)	652
	11.5.8? Augmented Reality und Virtual Reality	653
	11.5.9? Stereosysteme	655
	11.5.10? Zusammenfassung	657
	11.6? Optische Messgeräte	658
	11.6.1? Interferometer	658
	11.6.2? Shack-Hartmann-Sensoren	664
	11.6.3? Autokollimatoren	666
	11.6.4? Brechzahlmessung	667
	11.7? Spektralapparate	668
	11.7.1? Einleitung, Definitionen und Nomenklatur	668
	11.7.2? Beugungsgitter	670
	11.7.3? Dispersionsprismen	673
	11.7.4? Filter	675
	11.7.5? Polarisation	675
	11.7.6? Spektrometer	676
	11.7.7? Doppelspektrometer	682
	11.7.8? Spektrometer für den tiefen UV- und Vakuum-UV-Bereich	684
	11.7.9? Kompakte Spektrometer mit Lichtleiterkopplung	686
	11.7.10? Spezielle Anforderungen der Lichtleiterkopplung.	687
	11.7.11? Transmissions-Spektrometer	688
	11.7.12? Prismenspektrometer	688
	11.7.13? Echellespektrometer	689
	11.7.14? Hyperspektrale Spektrometer (Hyperspectral?Imaging?Spectroscopy)	689
	11.7.15? Allgemeine Funktionen	689
	11.8? Spektralfotometer	695
	11.8.1? Einleitung, Definitionen und Nomenklatur	695
	11.8.2? Absorptions- und Reflexions-Spektralfotometer	696
	11.8.3? Lumineszenz-Spektroskopie: Fluoreszenz und Phosphoreszenz	700
	11.8.4? Messmethoden für dynamische Lumineszenz – Lifetime?Messung	704
	11.8.5? Raman- und Brillouin-Spektralfotometrie	710
	11.8.6? Spektrale Radiometrie	716
	11.9? Optometrie	719
	11.9.1? Geräte beim Augenoptiker	719
	11.9.2? Geräte für die Augenheilkunde	725
	11.10? Astronomische Teleskope	729
	11.10.1? Einleitung	729
	11.10.2? Bauformen	729
	11.10.3? Amateurastronomie	730
	11.10.4? Terrestrische Astronomie	731
	11.10.5? Weltraumteleskope	734
	12 Bildgebende Verfahren	737
	12.1? Definition und Übersicht	737
	12.2? Messprinzipien	739
	12.3? Optische Verfahren	743
	12.4? Abbildungskette und ihre Komponenten	744
	12.5? Lichtquellen und Beleuchtung	745
	12.6? Bildwiedergabe (Empfänger)	747
	12.7? Optische Systeme nach Auflösung und Vergrößerung der optischen Abbildung	750
	12.8? Objekttreue	755
	12.9? Komplexität bildgebender Verfahren	757
	12.10? Komplexität optischer Systeme	759
	12.11? Rechenaufwand	760
	12.12? Beispiele einiger bildgebender Verfahren	761
	12.12.1? Computertomografie (CT) zur Werkstoffprüfung	761
	12.12.2? Akustisches Mikroskop zur Untersuchung elektronischer Bauteile	763
	13 Optikdesign und Simulation	765
	13.1? Optikdesign	765
	13.1.1? Einleitung	765
	13.1.2? Apertur und Feld, Eintritts- und Austrittspupille	766
	13.1.3? Bildfehler dritter Ordnung	771
	13.1.4? Bewertung optischer Systeme	773
	13.1.5? Optikdesign-Prozess	780
	13.1.6? Optikdesign	782
	13.1.7? Optimierung	797
	13.1.8? Tolerierung	803
	13.1.9? Spezielle Komponenten im Optik-Design	804
	13.2? Optiksimulation	820
	13.2.1? Einleitung	820
	13.2.2? Streulichtsimulationen	821
	13.2.3? Digitalisierung	828
	13.2.4? Simulation äußerer Einflüsse	832
	13.2.5? Wellenoptische Simulationen	833
	14 Optische Phänomene	838
	14.1? Definition und Erklärungsversuche	838
	14.2? Geometrische Täuschungen	840
	14.2.1? Längentäuschung	840
	14.2.2? Krümmungstäuschung	841
	14.2.3? Richtungstäuschung	841
	14.2.4? Größentäuschung	841
	14.3? Räumliche Täuschungen	842
	14.3.1? Ambiguität	842
	14.3.2? Perspektiventäuschung	844
	14.4? Helligkeits- und Kontrasttäuschungen	846
	14.5? Bewegungstäuschungen	847
	14.6? Farbtäuschungen	847
	14.7? Unmögliche Figuren, Objekte und Bilder	848
	14.8? Ames-Raum	850
	15 Optiknormen	852
	Sachwortverzeichnis	855

Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Grundlagen und Anwendungen

von: Ekbert Hering, Rolf Martin

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