Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Vorwort

Zum?Geleit

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Geometrische Optik

2.1? Lichtstrahlen, optische Abbildung

2.2? Fermat’sches Prinzip

2.3? Reflexion von Lichtstrahlen

2.3.1? Reflexion an ebenen Flächen

2.3.2? Reflexion an gekrümmten Flächen

2.4? Brechung des Lichts

2.4.1? Brechungsgesetz

2.4.2? Dispersion

2.4.3? Totalreflexion

2.4.4? Prismen

2.5? Brechung an gekrümmten Flächen

2.5.1? Asphärische Flächen

2.5.2? Kugelflächen

2.5.2.1? Vorzeichenkonvention in der technischen Optik

2.5.2.2? Brechung an einer Kugelfläche

2.6? Abbildung durch Linsen

2.6.1? Dünne Linsen

2.6.2? Dicke Linsen

2.6.3? Fresnel-Linsen

2.6.4? GRIN-Linsen

2.6.5? Linsen mit torischen Flächen

2.6.6? Linsensysteme

2.7? Matrixmethoden der Gauß’schen Optik

2.7.1? Matrizen zur Beschreibung der Strahlausbreitung

2.7.2? Matrizen für Linsen

2.7.3? Eigenschaften der Systemmatrix

2.7.4? Lage der Kardinalpunkte eines optischen Systems

2.7.5? Lage der Referenzebenen

2.8? Strahlbegrenzungen

2.8.1? Blenden und Pupillen

2.8.2? Kenngrößen der Strahlenbegrenzung

2.8.3? Feldblenden und Luken

2.8.4? Feldlinsen und Kondensoren

2.9? Abbildungsfehler

2.9.1? Sphärische Aberration (Öffnungsfehler)

2.9.2? Koma (Asymmetriefehler)

2.9.3? Astigmatismus und Bildfeldwölbung

2.9.4? Verzeichnung

2.9.5 Chromatische Aberration (Farbfehler)

2.10? Optische Instrumente

2.10.1? Optik des menschlichen Auges

2.10.2? Lupen und Okulare

2.10.3? Mikroskope

2.10.4? Fernrohre

2.10.5? Fotoapparat

3 Radio- und Fotometrie

3.1? Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie

3.1.1? Grundlagen, Definitionen

3.1.2? Strahlungsfelder einfacher Geometrien

3.2? Erfassen und Transfer der Strahlung von Lampen und kegelförmig abstrahlenden Lichtquellen in optisch-analytischen Geräten

3.2.1? Abstrahl-Charakteristik verschiedener Lichtquellen

3.2.2? Technische Ausführung von Lampen für optisch-analytische Messgeräte

3.2.3? Ulbricht’sche Integrationskugel

3.3? Lichttechnische Größen, Fotometrie

3.4? Farbmetrik

4 Wellenoptik

4.1? Elektromagnetische Wellen

4.2? Polarisation des Lichts

4.2.1? Polarisationsformen

4.2.2? Mathematische Beschreibung des Polarisationszustands

4.2.3? Polarisationsoptische Komponenten

4.2.4? Optische Aktivität

4.2.5? Elektro- und magnetooptische Effekte

4.2.6? Anwendungen der Doppelbrechung

4.3? Lichtwellen an Grenzflächen

4.3.1? Fresnel’sche Gleichungen

4.3.2? Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichte Medium

4.3.3? Übergang vom optisch dichten ins optisch dünne Medium

4.3.4? Wellen in absorbierenden Medien

4.4? Interferenz

4.4.1? Zweistrahl-Interferenz

4.4.2? Kohärenz

4.4.3? Gruppengeschwindigkeit

4.4.4? Interferenz einander schräg durchdringender Wellen

4.4.5 Stehende Wellen

4.4.6? Interferenzen an dielektrischen Schichten

4.4.7? Interferenzen an dielektrischen Vielfachschichten

4.4.8? Interferometer

4.4.9? Vielstrahlinterferenzen

4.5? Beugung

4.5.1? Huygens-Fresnel’sches Prinzip

4.5.2? Beugung am Spalt und an der Lochblende

4.5.3? Auflösungsvermögen beugungsbegrenzter Instrumente

4.5.4? Beugung am Gitter

4.6? Gauß’sche Strahlen

4.6.1? Feldverteilung im Gauß-Strahl

4.6.2? Laser-Resonatoren

4.6.3? Durchgang Gauß’scher Strahlen durch optische Komponenten

4.7? Holografie

4.7.1? Aufnahme eines Hologramms und Rekonstruktion des Bildes

4.7.2? Technische Anwendungen der Holografie

5 Quantenoptik

5.1? Lichtquanten

5.2? Welle-Teilchen-Dualismus

5.3? Absorption und Emission von Licht

5.4? Laser

5.4.1? Laserprinzip

5.4.2? Lasertypen

6 Optoelektronik

6.1? Halbleiter-Sender

6.1.1? Strahlungsemission aus Halbleitern

6.1.2? Lumineszenzdioden (LEDs)

6.1.3? Laserdioden (Injektionslaser)

6.2? Halbleiter-Detektoren

6.2.1? Strahlungsabsorption in Halbleitern

6.2.2? Gütekriterien von Detektoren

6.2.3? Fotowiderstand

6.2.4? Fotodiode

7 Führung von Licht in?Lichtwellenleitern

7.1? Einleitung

7.2? Schichtwellenleiter

7.2.1? Strahlenbild

7.2.2? Wellenbild

7.3? Wellen in zylindrischen Fasern

7.3.1? Stufenindex-Faser

7.3.2? Einmodenfaser

7.3.3? Gradientenfaser

7.4? Dämpfung in Lichtwellenleitern

7.5? Dispersion im Lichtwellenleiter

7.5.1? Modendispersion

7.5.2? Chromatische Dispersion

7.6? Lichtleiter in praktischen Anwendungen

8 Beleuchtungstechnik

8.1? Einleitung

8.2? Lichttechnische Größen

8.3? Lichtquellen

8.3.1? Lampen

8.3.2? Leuchten

8.4? Optische Systeme zur Beleuchtung

8.4.1? Beleuchtung im Innenraum

8.4.2? Beleuchtung im Außenraum

8.4.3? Signalisation

8.4.4? Informationsträger

8.5? Simulation und Berechnungsprogramme

8.5.1? DIALux

8.5.2? ReluxSuite

8.5.3? Weitere Simulationssoftware für den Innenbereich

8.6? Spezielle Kapitel der Beleuchtungstechnik

8.6.1? Wirkung des Lichts auf den Menschen

8.6.2? Lichtverschmutzung

9 Laseranwendungen

9.1? Laser in der Materialbearbeitung

9.1.1? Laserstrahlquellen

9.1.1.1? Festkörperlaser

9.1.1.2? Halbleiterlaser (Diodenlaser)

9.1.1.3? Gaslaser

9.1.2? Strahlqualität

9.1.3? Wechselwirkung Strahlung mit Materie

9.1.3.1? Energieströme und Wirkungsgrade

9.1.3.2? Einwirkdauer und Leistungsdichte

9.1.4? Laser-Materialbearbeitung

9.1.4.1? Aufwärmen zum Bearbeiten von Oberflächen

9.1.4.2? Schmelzen zur Behandlung von Oberflächen

9.1.4.3? Schmelzen zum Aufbauen und Laserformen (Urformen)

9.1.4.4? Wärmeleitschweißen (Schmelzen zum Fügen)

9.1.4.5? Tiefschweißen (Verdampfen zum Fügen)

9.1.4.6? Laserschneiden

9.1.4.7? Laserbohren

9.1.4.8? Lasermikrobearbeitung (Verdampfen?zum?Reinigen,?Strukturieren?und?Abtragen)

9.2? Laser in der Kommunikationstechnik

9.2.1? Funktionsweise

9.2.2? Vor- und Nachteile

9.2.3? Anwendungen

9.3? Laseranwendungen in Medizin und Biologie

9.3.1? Wechselwirkungen von Laserstrahlung mit Zellen und Gewebe

9.3.2? Laseranwendungen in Diagnose und Therapie

9.3.3? Mikroskopische Laseranwendungen

9.4? Laser bei den Konsumgütern

9.4.1? Laserdrucker und Laserkopierer

9.4.2? Laserscanner

9.4.3? Laserprojektor

9.5? Laser in der Unterhaltung

9.5.1? Technischer Aufbau

9.5.2? Projektion

9.5.3? Laservideo

9.5.4? Räumliche Strahleneffekte

9.5.5? Strahlensicherheit beim Audience Scanning

10 Optische Sensoren und?Messtechnik

10.1? Eigenschaften optischer Sensoren

10.2? Optische Detektoren

10.2.1? Arbeit und Leistung von Lichtsignalen

10.2.2? Basis-Parameter von Detektoren

10.2.3? Fotoröhren, Fotomultiplier (PMT) und Sekundär?Elektronen?Vervielfacher (SEV oder SEM)

10.2.4? Mikrokanalplatte (MCP: Micro Channelplate)

10.2.5? Festkörperdetektoren

10.2.6? Planck’sche Strahlung, Hintergrundstrahlung

10.2.7? Flächendetektoren (Array, CCD und CMOS)

10.2.8? Arrays und NIR-Flächendetektoren

10.2.9? CCD mit Bildverstärkung

10.2.10? CMOS-Sensoren, Active Pixel Sensoren (APS)

10.3? Methoden der optischen Messtechnik

10.3.1? Schattenprojektion

10.3.2? Lasertriangulation

10.3.3? Streifenprojektion

10.3.4? Fotogrammetrie

10.3.5? Deflektometrie

10.3.6? Konfokale Sensorik

10.3.7? Lasertracking

10.3.8? Individualisierte optische Messtechnik

10.4? Messung physikalischer Größen

10.4.1? Geometrische Größen

10.4.1.1? Abstands- und Wegsensoren

10.4.1.2? Winkel und Drehbewegung

10.4.1.3? 3-D-Messtechnik

10.4.2? Objekterfassung

10.4.2.1? Lichtschranke, Lichttaster

10.4.2.2? Laserscanner

10.4.2.3? Optische Identifikation

10.4.3? Temperaturmessung

10.4.4? Fotometrie

10.4.5? Feuchtemessung

10.4.5.1? Messungen im Infrarotbereich (IR)

10.4.5.2? Messung im nahen Infrarotbereich (NIR)

10.4.5.3? Messung im ultravioletten Bereich (UV-Licht)

10.4.5.4? Messung mit Lichtwellenleitern

10.4.5.5? Diodenlaserspektrometer (TDL)

10.4.5.6? Messung von Wassertröpfchen (Flüssigphase)

10.5? Anwendungsgebiete in der Medizin und Biologie

10.5.1? Überblick der Nachweismethoden

10.5.2? Oberflächenplasmonen-Resonanz (SPR)

10.5.3? Interne Totalreflexionsfluoreszenz (TIRF)

10.5.4? Lumineszenzverfahren

10.5.5? Colorimetrie/ Fotometrie

10.6? Optische Sensoren in der Chemie

10.6.1? Einleitung

10.6.2? Komponenten des optischen Sensors

10.6.3? Detektionsprinzipien

10.6.4? Ausgewählte Anwendungen

11 Optische Gerätetechnik

11.1? Einleitung

11.2? Fotokameras

11.2.1? Analoge Fotokamera

11.2.2? Digitale Fotokamera

11.2.3? Kamerachips

11.2.4? Bauformen digitaler Kameras

11.2.5? Besondere Anforderungen an digitale Kameras

11.2.6? Zusammenfassung

11.3? Fernoptische Geräte

11.4? Mikroskopie

11.4.1? Klassische Lichtmikroskopie

11.4.2? Verfahren zur Reduktion des Hintergrunds

11.4.3? Super Resolution Microscopy

11.5? Digitale Visualisierung

11.5.1? Displaytechnologien

11.5.2? Übersicht

11.5.3? Funktionsprinzip von LCD, OLED und E-Paper

11.5.4? Pixelansteuerung und elektro-optische Kurve

11.5.5? Zusammenfassung

11.5.6? Displays in optischen Geräten

11.5.7? Digitale Projektoren (Beamer)

11.5.8? Augmented Reality und Virtual Reality

11.5.9? Stereosysteme

11.5.10? Zusammenfassung

11.6? Optische Messgeräte

11.6.1? Interferometer

11.6.2? Shack-Hartmann-Sensoren

11.6.3? Autokollimatoren

11.6.4? Brechzahlmessung

11.7? Spektralapparate

11.7.1? Einleitung, Definitionen und Nomenklatur

11.7.2? Beugungsgitter

11.7.3? Dispersionsprismen

11.7.4? Filter

11.7.5? Polarisation

11.7.6? Spektrometer

11.7.7? Doppelspektrometer

11.7.8? Spektrometer für den tiefen UV- und Vakuum-UV-Bereich

11.7.9? Kompakte Spektrometer mit Lichtleiterkopplung

11.7.10? Spezielle Anforderungen der Lichtleiterkopplung.

11.7.11? Transmissions-Spektrometer

11.7.12? Prismenspektrometer

11.7.13? Echellespektrometer

11.7.14? Hyperspektrale Spektrometer (Hyperspectral?Imaging?Spectroscopy)

11.7.15? Allgemeine Funktionen

11.8? Spektralfotometer

11.8.1? Einleitung, Definitionen und Nomenklatur

11.8.2? Absorptions- und Reflexions-Spektralfotometer

11.8.3? Lumineszenz-Spektroskopie: Fluoreszenz und Phosphoreszenz

11.8.4? Messmethoden für dynamische Lumineszenz – Lifetime?Messung

11.8.5? Raman- und Brillouin-Spektralfotometrie

11.8.6? Spektrale Radiometrie

11.9? Optometrie

11.9.1? Geräte beim Augenoptiker

11.9.2? Geräte für die Augenheilkunde

11.10? Astronomische Teleskope

11.10.1? Einleitung

11.10.2? Bauformen

11.10.3? Amateurastronomie

11.10.4? Terrestrische Astronomie

11.10.5? Weltraumteleskope

12 Bildgebende Verfahren

12.1? Definition und Übersicht

12.2? Messprinzipien

12.3? Optische Verfahren

12.4? Abbildungskette und ihre Komponenten

12.5? Lichtquellen und Beleuchtung

12.6? Bildwiedergabe (Empfänger)

12.7? Optische Systeme nach Auflösung und Vergrößerung der optischen Abbildung

12.8? Objekttreue

12.9? Komplexität bildgebender Verfahren

12.10? Komplexität optischer Systeme

12.11? Rechenaufwand

12.12? Beispiele einiger bildgebender Verfahren

12.12.1? Computertomografie (CT) zur Werkstoffprüfung

12.12.2? Akustisches Mikroskop zur Untersuchung elektronischer Bauteile

13 Optikdesign und Simulation

13.1? Optikdesign

13.1.1? Einleitung

13.1.2? Apertur und Feld, Eintritts- und Austrittspupille

13.1.3? Bildfehler dritter Ordnung

13.1.4? Bewertung optischer Systeme

13.1.5? Optikdesign-Prozess

13.1.6? Optikdesign

13.1.7? Optimierung

13.1.8? Tolerierung

13.1.9? Spezielle Komponenten im Optik-Design

13.2? Optiksimulation

13.2.1? Einleitung

13.2.2? Streulichtsimulationen

13.2.3? Digitalisierung

13.2.4? Simulation äußerer Einflüsse

13.2.5? Wellenoptische Simulationen

14 Optische Phänomene

14.1? Definition und Erklärungsversuche

14.2? Geometrische Täuschungen

14.2.1? Längentäuschung

14.2.2? Krümmungstäuschung

14.2.3? Richtungstäuschung

14.2.4? Größentäuschung

14.3? Räumliche Täuschungen

14.3.1? Ambiguität

14.3.2? Perspektiventäuschung

14.4? Helligkeits- und Kontrasttäuschungen

14.5? Bewegungstäuschungen

14.6? Farbtäuschungen

14.7? Unmögliche Figuren, Objekte und Bilder

14.8? Ames-Raum

15 Optiknormen

Sachwortverzeichnis