Technische Optik in der Praxis

289 Pages·2004·2.311 MB·German

by  Gerd Litfin

TechnischeOptikinderPraxis
Gerd Litfin (Hrsg.)
Technische Optik
in der Praxis
Dritte,aktualisierteunderweiterteAuflage
Mit256Abbildungenund20Tabellen
123
ProfessorDr.GerdLitfin
LINOSAG
Königsallee23
37081Göttingen
Deutschland
ISBN3-540-21884-X 3.Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-67796-8 2.Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
BibliografischeInformationderDeutschenBibliothek
DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detailliertebibliografi-
scheDatensindimInternetüber<http://dnb.ddb.de>abrufbar.
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschu¨tzt.Diedadurchbegru¨ndetenRechte,insbesonderediederÜbersetzung,des
Nachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,derMikroverfilmungoder
derVervielfa¨ltigungaufanderenWegenundderSpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinur
auszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfa¨ltigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauch
imEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublik
Deutschlandvom9.September1965inderjeweilsgeltendenFassungzula¨ssig.Sieistgrundsa¨tzlichvergu¨tungs-
pflichtig.ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes.
SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMedia
springer.de
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1997,2001,2005
PrintedinGermany
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigtauch
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und
Markenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwa¨renunddahervonjedermannbenutztwerdendu¨rften.
Datenkonvertierung:FrankHerweg,Leutershausen
Einbandgestaltung:MEDIOGmbH,Berlin
SPIN:10959220 07/3141/ba-543210–Gedrucktaufsa¨urefreiemPapier
Vorwort zur dritten Auflage
Wegweisende Produkte und technologische Neuerungen sind die Antriebs-
motorenfu¨rwirtschaftlichesWachstum.Innovationenentstehenimmerha¨ufi-
ger aus der intelligenten Verknu¨pfung unterschiedlicher Technologien. Eine
entscheidende Rolle spielen dabei die Schlu¨sseltechnologien, die im englisch-
sprachigen Raum als ,,Enabling Technologies“ bezeichnet werden. Schlu¨ssel-
technologien ermo¨glichen Fortschritt, ero¨ffnen neue Produktfelder und
Ma¨rkte und haben im Allgemeinen eine große Hebelwirkung.
Die optischen Technologien sind solche Schlu¨sseltechnologien. Ihr Ein-
satzbereich reicht in alle gesellschaftlich relevanten Gebiete wie Medizintech-
nik, Biotechnologie, Informationstechnologie und Kommunikation, industri-
elle Fertigung, Umwelt und Mobilita¨t hinein. Ziel der Photonics Industrie ist
es, Licht als Werkzeug wirtschaftlich nutzbar zu machen. Zahlreiche aktuelle
Entwicklungen in Bereichen wie Biophotonik, Halbleitertechnik, Verkehrs-
technik und Telekommunikation haben neue Anwendungen ermo¨glicht und
verbesserte Verfahren hervorgebracht.
Fu¨r die na¨here Zukunft wird davon ausgegangen, dass 30 Prozent der
Elektronik durch Optik ersetzt werden wird. Diesem Siegeszug der Photo-
nics steht nur ein reglementierendes Moment entgegen: die Aus- und Weiter-
bildung von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern in den optischen Tech-
nologien. In den kommenden Jahren wird eine Vielzahl von neu ausgebil-
deten Ingenieuren zur Umsetzung innovativer Ideen in Produkte beno¨tigt
werden. Daru¨ber hinaus wird es erforderlich sein, viele der schon im Berufs-
leben stehenden Ingenieureweiterzubilden, damit sieden neuen Anforderun-
gen genu¨gen ko¨nnen.
MitdieserZielsetzungerscheintdiedritteAuflagedesBuches,,Technische
Optik in der Praxis“. Der Inhalt dieses Buches ist auf die Weiterbildung von
Ingenieuren in Forschung und Praxis sowie die Ausbildung von Studenten
ho¨herer Semester ausgerichtet. In die dritte Auflage ist eine Vielzahl von
Erga¨nzungen eingeflossen. Der hohen Bedeutung kompakter Lichtquellen fu¨r
die optischen Technologien wurde durch ein hinzu gefu¨gtes Kapitel ,,Neue
Laser“ Rechnung getragen.
Die Autoren gehen davon aus, dass diese Neuauflage fu¨r die Lehre an
Fachhochschulen und Universita¨ten und auch fu¨r die perso¨nliche Weiterbil-
dung von Ingenieuren im Berufsleben hervorragend geeignet ist – insbeson-
deredadurch,dassdieunterschiedlichenAspektederOptikundLasertechnik
hier in kompakter Form zusammengefasst sind. Daru¨ber hinaus wird durch
anwendungs-undumsetzungsbezogeneKapiteleinhohesMaßanpraktischem
Nutzen geboten.
VI Vorwort zur dritten Auflage
Ich danke dem Verlag und seinen Mitarbeitern herzlich, ebenso wie allen
Autoren, die zur Weiterentwicklung dieses Buches beigetragen haben.
Go¨ttingen, Ma¨rz 2004 Gerd Litfin
Vorwort zur ersten Auflage
Die technische Optik ist eines der klassischen Gebiete der technischen Wis-
senschaften.InVerbindungmitderLasertechnikundderOptoelektronikhat
sich dieses Gebiet wie kaum ein anderes Feld als Schlu¨sseltechnologie erwie-
sen.MitihrenAnwendungenimMaschinenbau,inderHalbleitertechnologie,
in der Medizin, in der Umweltanalytik, in der Pra¨zisionsmeßtechnik, in der
Kommunikationstechnik und in der Grundlagenforschung der Naturwissen-
schaften hat sich die technische Optik in zahlreichen Bereichen aktuellen ge-
sellschaftlichen Interesses eine feste Position erworben. Als ein wesentlicher
Motor dieses Fortschritts ist die Entwicklung der Lasertechnik zu sehen. Das
Jahr1960brachtemitdererstenRealisierungeinesLasersdieInitialzu¨ndung
fu¨r eine beispielhafte Erfolgsgeschichte einer neuen Technologie. Als Licht-
quelle mit einer außergew¨ohnlichen Strahlqualita¨t fu¨hrte der Laser zu einer
Renaissance des gesamten Gebietes der Optik. Durch die schnelle Entwick-
lung neuer, besser industriell nutzbarer Lasersysteme wurden in den letz-
tenJahrzehntenundwerdenheutenochimmerweitergehendeAnwendungen
dieser Technologie erm¨oglicht. Gleichzeitig gewinnt die Optoelektronik zu-
nehmendanBedeutung.TechnischeOptik,LasertechnikundOptoelektronik
sind heute technisch und wirtschaftlich untrennbar miteinander verknu¨pft.
Aus der gegenseitigen Befruchtung ist ein gemeinsamer Siegeszug geworden.
DietechnischeOptikbehandeltoptischeGrundlagenunddieAnwendung
optischerKomponenten,SystemeundInstrumente.Aufgrundderzunehmen-
den Verbreitung optischer Problemlo¨sungen beno¨tigt der in der Entwicklung
ta¨tige Ingenieur, dessen Grundausbildung in Elektrotechnik, Feinwerktech-
nikoderMaschinenbauliegt,detailliertetechnischeKenntnisseu¨beroptische
Systeme und ihre Konstruktion.
Das vorliegendeBuch, dasauf der GrundlageeinesSeminars ,,Technische
OptikinderPraxis“imFachhochschul-FachbereichPhysik-,Mass-undFein-
werktechnikinGo¨ttingenentstandenist,solleinenBeitragzurWeiterbildung
von Ingenieuren in Forschung und Praxis sowie zur Ausbildung von Studen-
ten ho¨herer Semester leisten. Das Buch wird damit sowohl dem anwachsen-
den Bedarf an Auffrischung und Erneuerung der Kenntnisse von im Berufs-
leben stehenden Praktikern gerecht als auch der Notwendigkeit einer Praxis-
orientiertenAusbildungfu¨rNaturwissenschaftlerundTechniker.AlsAutoren
konntenfu¨rdieeinzelnenKapitelsowohlPraktikerausdeneinschla¨gigorien-
tiertenIndustriebetriebenalsauchDozentendesjungenFachbereichsPhysik-
, Meß- und Feinwerktechnik an der Fachhochschule Hildesheim/Holzminden
in Go¨ttigen gefunden werden. Dadurch ist die notwendige Anwendungsna¨he
gesichert.
VIII Vorwort zur ersten Auflage
Die ersten Kapitel dienen dem Zweck, nochmals in knapper Form die
Grundlagen der Wellenoptik und der geometrischen Optik zusammenzufas-
sen. Auf dieser Basis werden in den folgenden Kapiteln Themen wie Ab-
bildungsfehler optischer Systeme und Fragen der Optikberechnung wie auch
erga¨nzendeAspektezurAuswahlvonoptischenGla¨sernbesprochen.AlsAus-
blickindieAnwendungsfehldersindKapitelzudenThemenLaser,Optoelek-
tronik und Fasern und Sensorik gedacht.
Ich m¨ochte all denen danken, die Zeit und Mu¨he geopfert haben, um die-
ses Buch zu erm¨oglichen. Mein Dank gilt hier besonders Herrn Dr. Rainer
Schuhmann und Herrn Dr. Dieter Fro¨lich, die durch Ratschla¨ge und Hin-
weise die Arbeit an diesem Buch bedeutend f¨orderten. Meiner Assistentin,
Marina Schaefer-Botte, danke ich fu¨r die erhebliche Unterstu¨tzung bei der
Anfertigung des druckreifen Manuskripts.
Go¨ttingen, 1997 Gerd Litfin
Inhaltsverzeichnis
1 Geometrische Optik
Carsten Fischer ............................................. 1
1.1 Strahlenmodell ............................................. 1
1.2 Reflexion von Lichtstrahlen .................................. 2
1.2.1 Diffuse und gerichtete Reflexion (Reflexionsgesetz)......... 2
1.3 Brechung des Lichts (Refraktion) ............................. 11
1.3.1 Brechungsgesetz ....................................... 11
1.3.2 Totalreflexion ......................................... 14
1.3.3 Planparallele Platte.................................... 15
1.3.4 Prismen .............................................. 16
1.3.5 Kugelfla¨chen .......................................... 19
1.4 Optische Abbildung ......................................... 25
1.4.1 Spha¨rische Linsen ..................................... 25
1.4.2 Linsensysteme......................................... 31
1.4.3 Blenden .............................................. 33
Literatur....................................................... 34
2 Wellenoptik
Dieter Fro¨lich............................................... 35
2.1 Licht als Wellenpha¨nomen ................................... 35
2.1.1 Elektromagnetische Wellen ............................. 35
2.1.2 Monochromatische ebene Wellen......................... 36
2.1.3 Elektrisches Feld und Intensita¨t ......................... 39
2.1.4 Spha¨rische Wellen ..................................... 40
2.2 U¨berlagerung von Wellen .................................... 41
2.2.1 Interferenz............................................ 41
2.2.2 Koha¨renz............................................. 45
2.2.3 Interferometer......................................... 49
2.3 Beugung................................................... 52
2.3.1 Elementarwellen und Beugung am Spalt.................. 53
2.3.2 Auflo¨sungsverm¨ogen optischer Systeme................... 54
2.4 Polarisation ................................................ 55
2.4.1 Polarisationszusta¨nde .................................. 55
2.4.2 Polarisierende Komponenten ............................ 56
2.4.3 Polarisationsoptische Gera¨te ............................ 59
2.5 Reflexion .................................................. 61
2.5.1 Reflexion an einer Grenzfla¨che .......................... 61
2.5.2 Dielektrische Schichten ................................. 63
2.5.3 Schichtsysteme ........................................ 64
2.5.4 Spezialsysteme ........................................ 67
Literatur....................................................... 68
X Inhaltsverzeichnis
3 Abbildungsfehler und optische Systeme
Bernd D¨orband.............................................. 69
3.1 Ursachen und Wirkungen von Abbildungsfehlern................ 70
3.2 Typen von Abbildungsfehlern................................. 73
3.2.1 Scha¨rfefehler .......................................... 73
3.2.2 Lagefehler ............................................ 76
3.2.3 Farbfehler ............................................ 78
3.3 Darstellung der Abbildungsleistung
und Qualita¨tsbewertung optischer Systeme ..................... 80
3.4 Maßnahmen zur Verbesserung der Abbildungsleistung ........... 90
Literatur....................................................... 94
4 Entwicklung optischer Systeme
Rainer Schuhmann .......................................... 95
4.1 Einfu¨hrung................................................. 95
4.2 Spezifikation optischer Systeme ............................... 95
4.3 Bestimmung der optischen Grunddaten ........................ 97
4.4 Bestimmung der Abbildungsleistung........................... 98
4.4.1 Trigonometrische Strahldurchrechnung ................... 98
4.4.2 Seidelsche Bildfehler ................................... 104
4.5 Abha¨ngigkeiten von Parametern und Aberrationen .............. 105
4.5.1 Durchbiegung von Linsen............................... 105
4.5.2 Blendenlage........................................... 108
4.5.3 Aspha¨renlage ......................................... 110
4.5.4 Glaswahl ............................................. 111
4.5.5 Apertur und Feldgro¨ße ................................. 114
4.6 Prinzip der Systemoptimierung ............................... 115
4.7 Beispiel zur Systemoptimierung............................... 118
4.8 Optical-Design-Programme................................... 122
4.9 Zusammenfassung und erga¨nzende Bemerkungen................ 125
Literatur....................................................... 125
5 Optische Werkstoffe
Hans J. Hoffmann........................................... 127
5.1 Einleitung ................................................. 127
5.2 Brechzahlen, Dispersionsgleichungen, Abbe-Diagramm........... 127
5.2.1 Bedeutung der Brechzahl / absolute Brechzahl ............ 127
5.2.2 Brechzahl von Luft .................................... 128
5.2.3 Dispersionsformeln..................................... 129
5.2.4 Ausnutzen der Dispersion, Abbe-Zahl, Teildispersion ....... 133
5.2.5 Materialien ........................................... 139
5.3 Differentielle A¨nderungen der Brechzahl ....................... 140
5.3.1 Allgemeines........................................... 140
5.3.2 Schmelzschwankungen.................................. 141
5.3.3 Einfluß der Ku¨hlgeschwindigkeit, Relaxation .............. 141