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Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Grundlagen und Anwendungen

Autor	Ekbert Hering, Rolf Martin
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2017
Seitenanzahl	874 Seiten
ISBN	9783446445093
Format	PDF/ePUB
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	41,99 EUR

Die Optik ist zwar ein Spezialgebiet der Physik. Sie hat sich aber in den letzten Jahren zu einem wichtigen Treiber in der technologischen Entwicklung vieler Bereiche wie Physik, Chemie, Medizin, Biologie und IT-Technologie entwickelt. Man spricht von der Optik als einer 'enabling technology', weil sie in vielen Bereichen erst Innovationen ermöglicht. Deshalb sind die Kenntnisse auf diesem Gebiet in der akademischen Ausbildung in Naturwissenschaft und Technik sowie für viele Forschungs- und Entwicklungsvorhaben von großer Bedeutung. Insbesondere soll ein grundlegendes Verständnis für optische Phänomene und Geräte gelegt werden.

Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Dr. h.c. Ekbert Hering lehrte u. a. Physik und Werkstoffkunde an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Aalen. Bis zu seinem Ruhestand war er über 10 Jahre Rektor der Hochschule. Als Autor von über 50 Fach-, Sach- und Lehrbüchern gehört er zu den erfolgreichsten Fachbuchautoren in Deutschland. Vieler seiner Werke sind mittlerweile Standardliteratur von Ingenieur:innen in Studium und Praxis.

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Leseprobe

Das Buch besteht aus fünfzehn Kapiteln. Nach einer Einleitung über das Wesen der Optik (Kapitel 1) wird im 2. Kapitel das Gebiet der geometrischen Optik abgehandelt. Ausführlich werden die Phänomene Reflexion, Transmission, Brechung und Dispersion behandelt, Linsen vorgestellt und berechnet sowie optische Instrumente und das Auge erläutert. Außer der 'klassischen' Behandlung der geometrischen Optik wird die modernere Berechnung mithilfe der Matritzenmethode dargestellt. Das 3. Kapitel beinhaltet die Radio- und Fotometrie, insbesondere die strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen. Das 4. Kapitel widmet sich der Wellenoptik. Dort werden die Effekte der Beugung, der Interferenz, der Kohärenz und der Polarisation und die gerätetechnischen Anwendungen besprochen. Im 5. Kapitel wird auf die Quantennatur des Lichtes eingegangen und das Laser-Prinzip erklärt. Das weite Gebiet der Optoelektronik, wie beispielsweise LEDs, Laserdioden, Displays und Fotodioden, wird in Kapitel 6 abgehandelt. Das Kapitel 7 behandelt das Thema der Führung von Licht und betrachtet vetrschiedene Leiter und dessen Eigenschaften. In Kapitel 8 werden die Beleuchtungstechnik und in Kapitel 9 die Laseranwendungen erläutert. Den optischen Sensoren und der Messtechnik ist das Kapitel 10 und der optischen Gerätetechnik das Kapitel 11 gewidmet. Im Kapitel 12 wird auf die bildgebenden Verfahren und im Kapitel 13 auf das Thema Optikdesign und Simulation eingegangen. Kapitel 14 beschreibt optische Phänomene wie beispielsweise optische Erscheinungen am Himmel oder optische Täuschungen. Im Kapitel 15 werden die Normen zur Optik zusammengestellt und das anhängige Sachwortverzeichnis dient dazu, die Informationen des Werkes schnell und sicher aufzufinden.

Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

Vorwort	6
Zum?Geleit	8
Inhaltsverzeichnis	9
1Einleitung	18
2Geometrische 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
2.9.5Chromatische 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
3Radio- 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
4Wellenoptik	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
4.4.5Stehende 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
5Quantenoptik	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
6Optoelektronik	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
7Führung 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
8Beleuchtungstechnik	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
9Laseranwendungen	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
10Optische 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
11Optische 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
12Bildgebende 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
13Optikdesign 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
14Optische 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
15Optiknormen	852
Sachwortverzeichnis	855

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