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E-Book

Technische Optik in der Praxis

AutorGerd Litfin
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl289 Seiten
ISBN9783540267096
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis86,99 EUR

In diesem Buch fassen Experten aus Forschung und Praxis die unterschiedlichen Aspekte der klassischen geometrischen Optik und der modernen Faseroptik und Optoelektronik in kompakter Form zusammen. Durch anwendungs- und umsetzungsbezogene Kapitel bieten die Autoren ein hohes Maß an praktischem Nutzen. Damit leistet das Buch einen wichtigen Beitrag zur Aus- und Weiterbildung von Studierenden und Ingenieuren. Der hohen Bedeutung kompakter Lichtquellen für die optischen Technologien wurde in der Neuauflage durch ein Kapitel 'Neue Laser' Rechnung getragen.



Professor Dr. Gerd Litfin,

Vorstandsvorsitzender der LINOS AG, ist stellvertretender Vorsitzender des Kuratoriums des Laserzentrums Hannover, Kuratoriumsvorsitzender des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, Vorsitzender des VDI-Kompetenzfeldes Optische Technologien, Mitgründer der Fakultät Naturwissenschaften und Technik in Göttingen sowie Sprecher des Programmausschusses zur Deutschen Agenda 'Optische Technologien für das 21. Jahrhundert' und lehrt am Fachbereich Physik der Universität Hannover.

 

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Leseprobe
6 Spezifikation und Fertigung optischer Bauelemente (S. 163-164)

6.1 Fertigungsverfahren

Die klassischen Optikbearbeitungsprozesse zur Formgebung lassen sich nach den Grundprinzipien Urformen, Umformen und Trennen einteilen [1–3]. Daran schließen sich meist noch die Verfahren zur Beschichtung (Entspiegeln, Verspiegeln, Lackieren) und die Fügeverfahren (Feinkitten, Ansprengen) an. Die folgenden Ausf¨uhrungen sind auf Bauelemente mit ebenen oder sphärischen Funktionsflächen beschränkt. Zu Asphären findet man in [4] einen Überblick und weiterf¨uhrende Literaturhinweise.

6.1.1 Urformen

Die wesentlichen Urformverfahren sind das Pressen aus der Glasschmelze, das Plastspritzen und das Plastgießen. Die meisten optischen Gläser werden von den Glasherstellern auch als Preßlinge angeboten. Die Rauhigkeiten der Glasoberächen und die Schwankungen der Abmaße erfordern in der Regel eine weitere Bearbeitung zumindest der optischen Funktionsflchen. Beim Plastspritzen und -gießen sind dagegen alle Oberflächen in der notwendigen Qualität herstellbar. Da beim Gießen im Gegensatz zum Spritzen keine druckfesten Stahlformen benötigt werden, können die abzuformenden Werkzeugober. Flächen aus Glas hergestellt werden. Dadurch sind höhere Genauigkeiten erreichbar.

6.1.2 Umformen

Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches lassen sich Gläser umformen, ohne die optischen Eigenschaften zu verlieren. Vielfach werden Preßlinge durch Umformen aus vorgefertigten Halbzeugen hergestellt. Mehrere Firmen haben das Verfahren des Blankpressens für zahlreiche optische Gläser inzwischen sehr weit entwickelt. Dazu werden Glas-Halbzeuge mit polierter Oberfläche (z.B. Rundstäbe oder Kugeln) aufgeheizt und in einer Preßform heiß umgeformt. Die Kunst besteht im wesentlichen darin, den polierten Zustand der Oberfläche des Halbzeuges im späteren Funktionsbereich des Bauelementes in hoher Sauberkeit zu erhalten sowie die thermische Ausdehnung von Bauelement und Preßform exakt vorauszuberechnen. Die Formgenauigkeiten blankgepreßter Bauelemente sind für viele Abbildungsaufgaben ausreichend [5], [6].

6.1.3 Trennen

Neuere Trennverfahren in der Flachglasbearbeitung sind das Laserstrahlschneiden und das Wasserstrahlschneiden. Solche Anlagen sind technisch aufwendig und das klassische Ritzen mit Diamant- oder Hartmetallschneide und anschließendes Knacken (Brechen entlang der Rißlinie) ist kostengünstiger, wenn keine engen Maßtoleranzen gefordert sind.

6.1.4 Trennschleifen

Das Trennschleifen mit gebundenem Diamantkorn ist heute das Standardverfahren in der optischen Bauelementefertigung. Abhängig von der angestrebten Bearbeitungsgeschwindigkeit und Rauhtiefe werden Korngrößen des Diamantpulvers im Bereich von etwa 2 bis 400 µm in unterschiedlich harte Bindungsmaterialien eingemischt und in eine Werkzeugform gegossen, gepreßt oder auf einen Werkzeuggrundkörper aufgebracht. Gebräuchliche Bindungen sind Bronzepulver, Kunststoffe oder auch galvanisch erzeugte Nickelbindungen. Die folgenden Angaben sind aus Werkzeugkatalogen verschiedener Hersteller entnommen [7], [8].

Die Konzentration bezi.ert den Anteil an Diamant im Schleifbelag (in Volumenprozent). Die Basis der Konzentrationsbezeichnung ist internationaler Standard, nämlich 25 Volumenprozent Diamant werden mit C100 bezeichnet, woraus sich mit der Dichte des Diamanten von ρ = 3,52 g/cm3 der Diamantanteil in Karat (1 Karat = 0,2 Gramm) errechnen läßt: C100 = 4,4 Karat/cm3 Belagvolumen [8] (siehe Tabelle 6.2). Ausgangspunkt in der optischen Fertigung ist meist Block- oder Plattenglas, das mit sehr unterschiedlichen äußeren Abmessungen vorliegt. Damit die Blöcke vollständig durchtrennt werden können, werden sie auf Glasunterlagen aufgeklebt.

Dazu werden Schmelzkleber verwendet, die sich durch Erwärmung wieder lösen lassen und in Reinigungsanlagen wieder entfernbar sind. Mit Trennschleifmaschinen werden Glasblöcke zunächst in Scheiben, und danach in einer anderen Aufspannung weiter in Streifen oder Prismen zerlegt. Moderne Maschinen sind heute in 4 Achsen CNC-gesteuert, wobei 3 orthogonale Achsen mit 1 µm und eine Drehachse mit 0,001 grd als kleinstem Einstellschritt ansteuerbar sind [9].
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur dritten Auflage5
Vorwort zur ersten Auflage7
Inhaltsverzeichnis9
Autorenverzeichnis14
1 Geometrische Optik15
1.1 Strahlenmodell15
1.2 Reflexion von Lichtstrahlen16
1.2.1 Diffuse und gerichtete Reflexion (Reflexionsgesetz)16
1.3 Brechung des Lichts (Refraktion)25
1.3.1 Brechungsgesetz25
1.3.2 Totalreflexion28
1.3.3 Planparallele Platte29
1.3.4 Prismen30
1.3.5 Kugelflächen33
1.4 Optische Abbildung39
1.4.1 Sphärische Linsen39
1.4.2 Linsensysteme45
1.4.3 Blenden47
Literatur48
2 Wellenoptik49
2.1 Licht als Wellenphänomen49
2.1.1 Elektromagnetische Wellen49
2.1.2 Monochromatische ebene Wellen50
2.1.3 Elektrisches Feld und Intensität53
2.1.4 Sphärische Wellen54
2.2 Überlagerung von Wellen55
2.2.1 Interferenz55
2.2.2 Kohärenz59
2.2.3 Interferometer63
2.3 Beugung66
2.3.1 Elementarwellen und Beugung am Spalt67
2.3.2 Auflösungsvermögen optischer Systeme68
2.4 Polarisation69
2.4.1 Polarisationszustände69
2.4.2 Polarisierende Komponenten70
2.4.3 Polarisationsoptische Geräte73
2.5 Reflexion75
2.5.1 Reflexion an einer Grenzflache75
2.5.2 Dielektrische Schichten77
2.5.3 Schichtsysteme78
2.5.4 Spezialsysteme81
Literatur82
3 Abbildungsfehler und optische Systeme83
3.1 Ursachen und Wirkungen von Abbildungsfehlern84
3.2 Typen von Abbildungsfehlern87
3.2.1 Schärfefehler87
3.2.2 Lagefehler90
3.2.3 Farbfehler92
3.3 Darstellung der Abbildungsleistung und Qualitätsbewertung optischer Systeme94
3.4 Maßnahmen104
3.4 Maßnahmen zur Verbesserung der Abbildungsleistung104
Literatur108
4 Entwicklung optischer Systeme109
4.1 Einführung109
4.2 Spezifikation optischer Systeme109
4.3 Bestimmung der optischen Grunddaten111
4.4 Bestimmung der Abbildungsleistung112
4.4.1 Trigonometrische Strahldurchrechnung112
4.4.2 Seidelsche Bildfehler118
4.5 Abhängigkeiten von Parametern119
4.5 Abhängigkeiten von Parametern und Aberrationen119
4.5.1 Durchbiegung von Linsen119
4.5.2 Blendenlage122
4.5.3 Asphärenlage124
4.5.4 Glaswahl125
4.5.5 Apertur und Feldgröße128
4.6 Prinzip der Systemoptimierung129
4.7 Beispiel zur Systemoptimierung132
4.8 Optical-Design-Programme136
4.9 Zusammenfassung und erg¨ anzende Bemerkungen139
Literatur139
5 Optische Werkstoffe141
5.1 Einleitung141
5.2 Brechzahlen, Dispersionsgleichungen, Abbe-Diagramm141
5.3 Differentielle Änderungen der Brechzahl152
5.3.1 Allgemeines152
5.3.2 Schmelzschwankungen153
5.3.3 Einfluß der Kühlgeschwindigkeit, Relaxation153
5.3.4 Änderung der Umgebungstemperatur156
5.3.5 Mechanische Spannungen, elektrische Felder und Magnetfelder159
5.4 Glasfehler und Homogenität [3,8]163
5.5 Transparenzbereiche165
5.5.1 Transmissionvermgen von Gläsern, Kristallen und Kunststoffen165
5.5.2 Farbgläser [8,28–30]167
5.6 Sonderwerkstoffe für die Optik171
Literatur172
6 Spezifikation und Fertigung optischer Bauelemente175
6.1 Fertigungsverfahren175
6.1.1 Urformen175
6.1.2 Umformen175
6.1.3 Trennen176
6.1.4 Trennschleifen176
6.2 Fertigungstoleranzen181
6.3 Qualitätsmanagement (QM)186
Literatur190
7 Optoelektronik-Komponenten191
7.1 Lichtemitterdioden191
7.1.1 Prinzip191
7.1.2 Materialien192
7.1.3 Aufbau und Eigenschaften193
7.1.4 Grundschaltungen195
7.2 Displays196
7.2.1 LED-Displays196
7.2.2 Ansteuerschaltungen für LED-Displays197
7.2.3 LC-Displays198
7.2.4 LCD-Ansteuerung201
7.3 Detektoren203
7.3.1 Fotoleiter203
7.3.2 Fotodiode206
7.3.3 Fototransistor210
7.3.4 Detektorschaltungen211
7.4 CCD-Sensoren212
7.4.1 MOS-Kondensator212
7.4.2 CCD-Ladungstransport214
7.4.3 CCDs214
7.4.4 CCD-Kameras218
Literatur220
8 Fasern und Sensorik221
8.1 Mechanismus der Wellenleitung221
8.1.1 Geometrisch-optische Grundlagen221
8.1.2 Der Modenbegriff aus wellenoptischen Betrachtungen223
8.2 Fasertypen227
8.2.1 Multimode-Glasfasern227
8.2.2 Monomode-Glasfasern230
8.2.3 Faserbündel234
8.3 Dämpfungseigenschaften von Fasern235
8.3.1 Quarzglasfasern235
8.3.2 Kunststoffasern236
8.4 Koppeltechnik237
8.4.1 Vorbetrachtungen237
8.4.2 Ankopplung Quelle-Faser237
8.4.3 Verbindung Faser-Faser243
8.4.4 Faserkoppler244
8.5 Nichtsensorische Anwendungen von Glasfasern247
8.5.1 Vorbemerkung247
8.5.2 Anwendungen von Faserbündeln für Beleuchtung247
8.5.3 Anwendungen von Einzelfasern zur Energie Übertragung248
8.5.4 Anwendungen von Einzelfasern249
8.6 Meßtechnische und sensorische Anwendungen von Glasfasern250
8.6.1 Klassifizierung faseroptischer Meß- und Sensorsysteme250
8.6.2 Intensitätsmodulierte Sensoren251
8.6.3 Polarisationsmodulierte Sensoren253
8.6.4 Interferometrische Sensoren253
Literatur255
9 Laser257
9.1 Eigenschaften der Laserstrahlung257
9.2 Erzeugung von Laserstrahlung258
9.3 Moden260
9.4 Ausbreitung der Grundmode262
9.5 Strahlqualität266
9.6 Lasertypen267
Literatur269
10 Neue Laser271
10.1 Konzepte für diodengepumpte Festkörperlaser272
10.2 Neue Konzepte273
10.3 Upconversion Faserlaser276
Literatur277
Sachverzeichnis279

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