Ekbert Hering, Rolf Martin
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
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