Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften - Grundlagen und Anwendungen

von: Ekbert Hering, Rolf Martin

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2023

ISBN: 9783446477506

Sprache: Deutsch

962 Seiten, Download: 132253 KB

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Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften - Grundlagen und Anwendungen

Kapitelübersicht
Kurzinformation
Inhaltsverzeichnis
Leseprobe
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Fragen zu eBooks?

	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

Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften - Grundlagen und Anwendungen

von: Ekbert Hering, Rolf Martin

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