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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Format: EPUB, PDF, auch als Online-Lesen
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 |