Hering / Martin Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften
2. aktualisierte Auflage 2023
ISBN: 978-3-446-47750-6
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Grundlagen und Anwendungen
E-Book, Deutsch, 962 Seiten
ISBN: 978-3-446-47750-6
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Das vorliegende Optikbuch ist ein kompaktes Nachschlagewerk, das sowohl die physikalischen Grundlagen erläutert, als auch die wichtigsten Anwendungsgebiete der Optik aufzeigt. Es wurde von erfahrenen Hochschullehrern und erfolgreichen Praktikern geschrieben und wendet sich an Studierende und Praktiker:innen der Ingenieur- und Naturwissenschaften sowie an Wirtschaftsingenieur:innen, die sich Wissen und Kompetenzen in optischen Technologien erwerben wollen.
Das Buch umfasst zwei Teile, zum einen die physikalischen Grundlagen mit vielen durchgerechneten Beispielen und zum anderen die Anwendungsgebiete in der Praxis.
Physikalische Grundlagen: geometrische Optik, Radio- und Fotometrie, Wellenoptik, Quantenoptik, Optoelektronik, Lichtwellenleiter
Anwendungsbereiche: Beleuchtungstechnik, Methoden und Simulation; Laseranwendungen, Materialbearbeitung; optische Sensoren, Messtechnik, Spektralapparate; optische Gerätetechnik, Kameras, Fernrohre, Mikroskope; bildgebende Verfahren für Materialwissenschaft und Medizin; optisches Design und Simulation, Entwurf komplexer Systeme; optische Phänomene, optische Täuschungen
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.
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Rolf Martin lehrte an der Hochschule Esslingen 30 Jahre lang Physik und insbesondere Optoelektronik sowie technische Optik und Lasertechnik.
Autoren/Hrsg.
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Weitere Infos & Material
1;Vorwort;7
2;Inhalt;11
3;1 Einleitung;23
4;2 Geometrische Optik;24
4.1;2.1 Lichtstrahlen, optische Abbildung;24
4.2;2.2 Fermat’sches Prinzip;25
4.3;2.3 Reflexion von Lichtstrahlen;26
4.3.1;2.3.1 Reflexion an ebenen Flächen;26
4.3.2;2.3.2 Reflexion an gekrümmten Flächen;28
4.4;2.4 Brechung des Lichts;32
4.4.1;2.4.1 Brechungsgesetz;32
4.4.2;2.4.2 Dispersion;34
4.4.3;2.4.3 Totalreflexion;37
4.4.4;2.4.4 Prismen;40
4.5;2.5 Brechung an gekrümmten Flächen;42
4.5.1;2.5.1 Asphärische Flächen;42
4.5.2;2.5.2 Kugelflächen;44
4.5.2.1;2.5.2.1 Vorzeichenkonvention in der technischen Optik;44
4.5.2.2;2.5.2.2 Brechung an einer Kugelfläche;45
4.6;2.6 Abbildung durch Linsen;48
4.6.1;2.6.1 Dünne Linsen;48
4.6.2;2.6.2 Dicke Linsen;58
4.6.3;2.6.3 Fresnel-Linsen;64
4.6.4;2.6.4 GRIN-Linsen;66
4.6.5;2.6.5 Linsen mit torischen Flächen;69
4.6.6;2.6.6 Linsensysteme;71
4.7;2.7 Matrixmethoden der Gauß’schen Optik;75
4.7.1;2.7.1 Matrizen zur Beschreibung der Strahlausbreitung;76
4.7.2;2.7.2 Matrizen für Linsen;79
4.7.3;2.7.3 Eigenschaften der Systemmatrix;83
4.7.4;2.7.4 Lage der Kardinalpunkte eines optischen Systems;86
4.7.5;2.7.5 Lage der Referenzebenen;92
4.8;2.8 Strahlbegrenzungen;93
4.8.1;2.8.1 Blenden und Pupillen;93
4.8.2;2.8.2 Kenngrößen der Strahlenbegrenzung;97
4.8.3;2.8.3 Feldblenden und Luken;98
4.8.4;2.8.4 Feldlinsen und Kondensoren;102
4.9;2.9 Abbildungsfehler;104
4.9.1;2.9.1 Sphärische Aberration (Öffnungsfehler);105
4.9.2;2.9.2 Koma (Asymmetriefehler);111
4.9.3;2.9.3 Astigmatismus und Bildfeldwölbung;113
4.9.4;2.9.4 Verzeichnung;115
4.9.5;2.9.5 Chromatische Aberration (Farbfehler);117
4.10;2.10 Optische Instrumente;120
4.10.1;2.10.1 Optik des menschlichen Auges;120
4.10.2;2.10.2 Lupen und Okulare;126
4.10.3;2.10.3 Mikroskope;132
4.10.4;2.10.4 Fernrohre;143
4.10.5;2.10.5 Fotoapparat;152
5;3 Radio- und Fotometrie;160
5.1;3.1 Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie;160
5.1.1;3.1.1 Grundlagen, Definitionen;160
5.1.2;3.1.2 Strahlungsfelder einfacher Geometrien;170
5.2;3.2 Erfassen und Transfer der Strahlung von Lampen und kegelförmig abstrahlenden Lichtquellen in optisch-analytischen Geräten;175
5.2.1;3.2.1 Abstrahl-Charakteristik verschiedener Lichtquellen;175
5.2.2;3.2.2 Technische Ausführung von Lampen für optisch-analytische Messgeräte;177
5.2.3;3.2.3 Ulbricht’sche Integrationskugel;181
5.3;3.3 Lichttechnische Größen, Fotometrie;184
5.4;3.4 Farbmetrik;189
6;4 Wellenoptik;202
6.1;4.1 Elektromagnetische Wellen;202
6.2;4.2 Polarisation des Lichts;207
6.2.1;4.2.1 Polarisationsformen;207
6.2.2;4.2.2 Mathematische Beschreibung des Polarisationszustands;209
6.2.3;4.2.3 Polarisationsoptische Komponenten;213
6.2.4;4.2.4 Optische Aktivität;223
6.2.5;4.2.5 Elektro- und magnetooptische Effekte;226
6.2.6;4.2.6 Anwendungen der Doppelbrechung;233
6.3;4.3 Lichtwellen an Grenzflächen;239
6.3.1;4.3.1 Fresnel’sche Gleichungen;239
6.3.2;4.3.2 Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichte Medium;243
6.3.3;4.3.3 Übergang vom optisch dichten ins optisch dünne Medium;245
6.3.4;4.3.4 Wellen in absorbierenden Medien;253
6.4;4.4 Interferenz;262
6.4.1;4.4.1 Zweistrahl-Interferenz;262
6.4.2;4.4.2 Kohärenz;265
6.4.3;4.4.3 Gruppengeschwindigkeit;270
6.4.4;4.4.4 Interferenz einander schräg durchdringender Wellen;274
6.4.5;4.4.5 Stehende Wellen;275
6.4.6;4.4.6 Interferenzen an dielektrischen Schichten;278
6.4.7;4.4.7 Interferenzen an dielektrischen Vielfachschichten;286
6.4.8;4.4.8 Interferometer;293
6.4.9;4.4.9 Vielstrahlinterferenzen;296
6.5;4.5 Beugung;303
6.5.1;4.5.1 Huygens-Fresnel’sches Prinzip;303
6.5.2;4.5.2 Beugung am Spalt und an der Lochblende;305
6.5.3;4.5.3 Auflösungsvermögen beugungsbegrenzter Instrumente;309
6.5.4;4.5.4 Beugung am Gitter;315
6.6;4.6 Gauß’sche Strahlen;327
6.6.1;4.6.1 Feldverteilung im Gauß-Strahl;327
6.6.2;4.6.2 Laser-Resonatoren;331
6.6.3;4.6.3 Durchgang Gauß’scher Strahlen durch optische Komponenten;333
6.7;4.7 Holografie;338
6.7.1;4.7.1 Aufnahme eines Hologramms und Rekonstruktion des Bildes;339
6.7.2;4.7.2 Technische Anwendungen der Holografie;347
7;5 Quantenoptik;351
7.1;5.1 Lichtquanten;351
7.2;5.2 Welle-Teilchen-Dualismus;356
7.3;5.3 Absorption und Emission von Licht;358
7.4;5.4 Laser;363
7.4.1;5.4.1 Laserprinzip;363
7.4.2;5.4.2 Lasertypen;369
8;6 Optoelektronik;373
8.1;6.1 Halbleiter-Sender;374
8.1.1;6.1.1 Strahlungsemission aus Halbleitern;374
8.1.2;6.1.2 Lumineszenzdioden (LEDs);376
8.1.3;6.1.3 Laserdioden (Injektionslaser);384
8.2;6.2 Halbleiter-Detektoren;399
8.2.1;6.2.1 Strahlungsabsorption in Halbleitern;399
8.2.2;6.2.2 Gütekriterien von Detektoren;401
8.2.3;6.2.3 Fotowiderstand;403
8.2.4;6.2.4 Fotodiode;405
9;7 Führung von Licht in Lichtwellenleitern;414
9.1;7.1 Einleitung;414
9.2;7.2 Schichtwellenleiter;415
9.2.1;7.2.1 Strahlenbild;415
9.2.2;7.2.2 Wellenbild;418
9.3;7.3 Wellen in zylindrischen Fasern;420
9.3.1;7.3.1 Stufenindex-Faser;420
9.3.2;7.3.2 Einmodenfaser;427
9.3.3;7.3.3 Gradientenfaser;430
9.4;7.4 Dämpfung in Lichtwellenleitern;433
9.5;7.5 Dispersion im Lichtwellenleiter;438
9.5.1;7.5.1 Modendispersion;439
9.5.2;7.5.2 Chromatische Dispersion;444
9.6;7.6 Lichtleiter in praktischen Anwendungen;448
10;8 Beleuchtungstechnik;456
10.1;8.1 Einleitung;456
10.2;8.2 Lichttechnische Größen;457
10.3;8.3 Lichtquellen;461
10.3.1;8.3.1 Lampen;461
10.3.2;8.3.2 Leuchten;462
10.4;8.4 Optische Systeme zur Beleuchtung;463
10.4.1;8.4.1 Beleuchtung im Innenraum;463
10.4.2;8.4.2 Beleuchtung im Außenraum;469
10.4.3;8.4.3 Signalisation;475
10.4.4;8.4.4 Informationsträger;484
10.5;8.5 Simulation und Berechnungsprogramme;486
10.5.1;8.5.1 DIALux;486
10.5.2;8.5.2 ReluxSuite;488
10.5.3;8.5.3 Weitere Simulationssoftware für den Innenbereich;488
10.6;8.6 Spezielle Kapitel der Beleuchtungstechnik;489
10.6.1;8.6.1 Wirkung des Lichts auf den Menschen;489
10.6.2;8.6.2 Lichtverschmutzung;490
11;9 Laseranwendungen;494
11.1;9.1 Laser in der Materialbearbeitung;495
11.1.1;9.1.1 Laserstrahlquellen;495
11.1.1.1;9.1.1.1 Festkörperlaser;495
11.1.1.2;9.1.1.2 Halbleiterlaser (Diodenlaser);500
11.1.1.3;9.1.1.3 Gaslaser;501
11.1.2;9.1.2 Strahlqualität;504
11.1.3;9.1.3 Wechselwirkung Strahlung mit Materie;506
11.1.3.1;9.1.3.1 Energieströme und Wirkungsgrade;506
11.1.3.2;9.1.3.2 Einwirkdauer und Leistungsdichte;507
11.1.4;9.1.4 Laser-Materialbearbeitung;508
11.1.4.1;9.1.4.1 Aufwärmen zum Bearbeiten von Oberflächen;509
11.1.4.2;9.1.4.2 Schmelzen zur Behandlung von Oberflächen;510
11.1.4.3;9.1.4.3 Schmelzen zum Aufbauen und Laserformen (Urformen);511
11.1.4.4;9.1.4.4 Wärmeleitschweißen (Schmelzen zum Fügen);512
11.1.4.5;9.1.4.5 Tiefschweißen (Verdampfen zum Fügen);513
11.1.4.6;9.1.4.6 Laserschneiden;513
11.1.4.7;9.1.4.7 Laserbohren;515
11.1.4.8;9.1.4.8 Lasermikrobearbeitung (Verdampfen zum Reinigen, Strukturieren und Abtragen);516
11.2;9.2 Laser in der Kommunikationstechnik;517
11.2.1;9.2.1 Funktionsweise;517
11.2.2;9.2.2 Vor- und Nachteile;518
11.2.3;9.2.3 Anwendungen;519
11.3;9.3 Laseranwendungen in Medizin und Biologie;522
11.3.1;9.3.1 Wechselwirkungen von Laserstrahlung mit Zellen und Gewebe;522
11.3.2;9.3.2 Laseranwendungen in Diagnose und Therapie;524
11.3.3;9.3.3 Mikroskopische Laseranwendungen;527
11.4;9.4 Laser bei den Konsumgütern;530
11.4.1;9.4.1 Laserdrucker und Laserkopierer;530
11.4.2;9.4.2 Laserscanner;533
11.4.3;9.4.3 Laserprojektor;534
11.5;9.5 Laser in der Unterhaltung;535
11.5.1;9.5.1 Technischer Aufbau;535
11.5.2;9.5.2 Projektion;537
11.5.3;9.5.3 Laservideo;539
11.5.4;9.5.4 Räumliche Strahleneffekte;539
11.5.5;9.5.5 Strahlensicherheit beim Audience Scanning;541
12;10 Optische Sensoren und Messtechnik;543
12.1;10.1 Eigenschaften optischer Sensoren;543
12.2;10.2 Optische Detektoren;544
12.2.1;10.2.1 Arbeit und Leistung von Lichtsignalen;544
12.2.2;10.2.2 Basis-Parameter von Detektoren;545
12.2.3;10.2.3 Fotoröhren, Fotomultiplier (PMT) und Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV oder SEM);547
12.2.4;10.2.4 Mikrokanalplatte (MCP: Micro Channelplate);549
12.2.5;10.2.5 Festkörperdetektoren;551
12.2.6;10.2.6 Planck’sche Strahlung, Hintergrundstrahlung;552
12.2.7;10.2.7 Flächendetektoren (Array, CCD und CMOS);554
12.2.8;10.2.8 Arrays und NIR-Flächendetektoren;562
12.2.9;10.2.9 CCD mit Bildverstärkung;563
12.2.10;10.2.10 CMOS-Sensoren, Active Pixel Sensoren (APS);564
12.3;10.3 Methoden der optischen Messtechnik;566
12.3.1;10.3.1 Schattenprojektion;566
12.3.2;10.3.2 Lasertriangulation;569
12.3.3;10.3.3 Streifenprojektion;573
12.3.4;10.3.4 Fotogrammetrie;575
12.3.5;10.3.5 Deflektometrie;581
12.3.6;10.3.6 Konfokale Sensorik;585
12.3.7;10.3.7 Lasertracking;588
12.3.8;10.3.8 Individualisierte optische Messtechnik;592
12.4;10.4 Messung physikalischer Größen;594
12.4.1;10.4.1 Geometrische Größen;594
12.4.1.1;10.4.1.1 Abstands- und Wegsensoren;594
12.4.1.2;10.4.1.2 Winkel und Drehbewegung;606
12.4.1.3;10.4.1.3 3D-Messtechnik;607
12.4.2;10.4.2 Objekterfassung;614
12.4.2.1;10.4.2.1 Lichtschranke, Lichttaster;614
12.4.2.2;10.4.2.2 Laserscanner;633
12.4.2.3;10.4.2.3 Optische Identifikation;637
12.4.3;10.4.3 Temperaturmessung;642
12.4.4;10.4.4 Fotometrie;644
12.4.5;10.4.5 Feuchtemessung;659
12.4.5.1;10.4.5.1 Messungen im Infrarotbereich (IR);660
12.4.5.2;10.4.5.2 Messung im nahen Infrarotbereich (NIR);661
12.4.5.3;10.4.5.3 Messung im ultravioletten Bereich (UV-Licht);663
12.4.5.4;10.4.5.4 Messung mit Lichtwellenleitern;663
12.4.5.5;10.4.5.5 Diodenlaserspektrometer (TDL);665
12.4.5.6;10.4.5.6 Messung von Wassertröpfchen (Flüssigphase);666
12.5;10.5 Anwendungsgebiete in der Medizin und Biologie;667
12.5.1;10.5.1 Überblick der Nachweismethoden;667
12.5.2;10.5.2 Oberflächenplasmonen-Resonanz (SPR);667
12.5.3;10.5.3 Interne Totalreflexionsfluoreszenz (TIRF);669
12.5.4;10.5.4 Lumineszenzverfahren;670
12.5.5;10.5.5 Colorimetrie/Fotometrie;673
12.6;10.6 Optische Sensoren in der Chemie;675
12.6.1;10.6.1 Einleitung;675
12.6.2;10.6.2 Komponenten des optischen Sensors;678
12.6.3;10.6.3 Detektionsprinzipien;680
12.6.4;10.6.4 Ausgewählte Anwendungen;682
13;11 Optische Gerätetechnik;684
13.1;11.1 Einleitung;684
13.2;11.2 Fotokameras;685
13.2.1;11.2.1 Analoge Fotokamera;685
13.2.2;11.2.2 Digitale Fotokamera;688
13.2.3;11.2.3 Kamerachips;688
13.2.4;11.2.4 Bauformen digitaler Kameras;690
13.2.5;11.2.5 Besondere Anforderungen an digitale Kameras;695
13.2.6;11.2.6 Zusammenfassung;697
13.3;11.3 Fernoptische Geräte;698
13.4;11.4 Mikroskopie;706
13.4.1;11.4.1 Klassische Lichtmikroskopie;707
13.4.2;11.4.2 Verfahren zur Reduktion des Hintergrunds;709
13.4.3;11.4.3 Super Resolution Microscopy;712
13.5;11.5 Digitale Visualisierung;717
13.5.1;11.5.1 Displaytechnologien;717
13.5.2;11.5.2 Übersicht;717
13.5.3;11.5.3 Funktionsprinzip von LCD, OLED und E-Paper;719
13.5.4;11.5.4 Pixelansteuerung und elektro-optische Kurve;720
13.5.5;11.5.5 Zusammenfassung;722
13.5.6;11.5.6 Displays in optischen Geräten;722
13.5.7;11.5.7 Digitale Projektoren (Beamer);722
13.5.8;11.5.8 Augmented Reality und Virtual Reality;723
13.5.9;11.5.9 Stereosysteme;726
13.5.10;11.5.10 Zusammenfassung;728
13.6;11.6 Optische Messgeräte;728
13.6.1;11.6.1 Interferometer;729
13.6.2;11.6.2 Shack-Hartmann-Sensoren;736
13.6.3;11.6.3 Autokollimatoren;737
13.6.4;11.6.4 Brechzahlmessung;739
13.7;11.7 Spektralapparate;740
13.7.1;11.7.1 Einleitung, Definitionen und Nomenklatur;740
13.7.2;11.7.2 Beugungsgitter;742
13.7.3;11.7.3 Dispersionsprismen;746
13.7.4;11.7.4 Filter;748
13.7.5;11.7.5 Polarisation;748
13.7.6;11.7.6 Spektrometer;750
13.7.7;11.7.7 Doppelspektrometer;757
13.7.8;11.7.8 Spektrometer für den tiefen UV- und Vakuum-UV-Bereich;758
13.7.9;11.7.9 Kompakte Spektrometer mit Lichtleiterkopplung;760
13.7.10;11.7.10 Spezielle Anforderungen der Lichtleiterkopplung;762
13.7.11;11.7.11 Transmissions-Spektrometer;763
13.7.12;11.7.12 Prismenspektrometer;763
13.7.13;11.7.13 Echellespektrometer;764
13.7.14;11.7.14 Hyperspektrale Spektrometer (Hyperspectral Imaging Spectroscopy);764
13.7.15;11.7.15 Allgemeine Funktionen;765
13.8;11.8 Spektralfotometer;771
13.8.1;11.8.1 Einleitung, Definitionen und Nomenklatur;771
13.8.2;11.8.2 Absorptions- und Reflexions-Spektralfotometer;772
13.8.3;11.8.3 Lumineszenz-Spektroskopie: Fluoreszenz und Phosphoreszenz;777
13.8.4;11.8.4 Messmethoden für dynamische Lumineszenz – LifetimeMessung;781
13.8.5;11.8.5 Raman- und Brillouin-Spektralfotometrie;788
13.8.6;11.8.6 Spektrale Radiometrie;795
13.9;11.9 Optometrie;799
13.9.1;11.9.1 Geräte beim Augenoptiker;799
13.9.2;11.9.2 Geräte für die Augenheilkunde;805
13.10;11.10 Astronomische Teleskope;809
13.10.1;11.10.1 Einleitung;809
13.10.2;11.10.2 Bauformen;810
13.10.3;11.10.3 Amateurastronomie;811
13.10.4;11.10.4 Terrestrische Astronomie;813
13.10.5;11.10.5 Weltraumteleskope;815
14;12 Bildgebende Verfahren;820
14.1;12.1 Definition und Übersicht;820
14.2;12.2 Messprinzipien;822
14.3;12.3 Optische Verfahren;826
14.4;12.4 Abbildungskette und ihre Komponenten;828
14.5;12.5 Lichtquellen und Beleuchtung;829
14.6;12.6 Bildwiedergabe (Empfänger);832
14.7;12.7 Optische Systeme nach Auflösung und Vergrößerung der optischen Abbildung;835
14.8;12.8 Objekttreue;840
14.9;12.9 Komplexität bildgebender Verfahren;843
14.10;12.10 Komplexität optischer Systeme;846
14.11;12.11 Rechenaufwand;847
14.12;12.12 Beispiele einiger bildgebender Verfahren;848
14.12.1;12.12.1 Computertomografie (CT) zur Werkstoffprüfung;848
14.12.2;12.12.2 Akustisches Mikroskop zur Untersuchung elektronischer Bauteile;850
15;13 Optikdesign und Simulation;852
15.1;13.1 Optikdesign;853
15.1.1;13.1.1 Einleitung;853
15.1.2;13.1.2 Apertur und Feld, Eintritts- und Austrittspupille;853
15.1.3;13.1.3 Bildfehler dritter Ordnung;858
15.1.4;13.1.4 Bewertung optischer Systeme;860
15.1.5;13.1.5 Optikdesign-Prozess;869
15.1.6;13.1.6 Optikdesign;872
15.1.7;13.1.7 Optimierung;888
15.1.8;13.1.8 Tolerierung;894
15.1.9;13.1.9 Spezielle Komponenten im Optik-Design;896
15.2;13.2 Optiksimulation;913
15.2.1;13.2.1 Einleitung;913
15.2.2;13.2.2 Streulichtsimulationen;914
15.2.3;13.2.3 Digitalisierung;922
15.2.4;13.2.4 Simulation äußerer Einflüsse;927
15.2.5;13.2.5 Wellenoptische Simulationen;929
16;14 Optische Phänomene;933
16.1;14.1 Definition und Erklärungsversuche;933
16.2;14.2 Geometrische Täuschungen;935
16.2.1;14.2.1 Längentäuschung;935
16.2.2;14.2.2 Krümmungstäuschung;936
16.2.3;14.2.3 Richtungstäuschung;936
16.2.4;14.2.4 Größentäuschung;937
16.3;14.3 Räumliche Täuschungen;937
16.3.1;14.3.1 Ambiguität;937
16.3.2;14.3.2 Perspektiventäuschung;940
16.4;14.4 Helligkeits- und Kontrasttäuschungen;942
16.5;14.5 Bewegungstäuschungen;943
16.6;14.6 Farbtäuschungen;944
16.7;14.7 Unmögliche Figuren, Objekte und Bilder;944
16.8;14.8 Ames-Raum;946
17;15 Optiknormen;949
18;Index;953
