Technische Optik

Rainer Dohlus

• Publisher: De Gruyter Oldenbourg
• Year: 2015
• Print ISBN: 9783110351309
• eBook ISBN: 9783110396454
• Edition: 1
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Optics & Light

Dieses Werk wendet sich vor allem an Studierende der Ingenieurwissenschaften und anderer techniknaher Studiengänge an Hochschulen für angewandte Wissenschaften. Es vermittelt sowohl Begrifflichkeiten als auch elementare Grundlagen der technischen Optik und führt den Leser in anschaulicher, anwendungsorientierter Weise an die folgenden Themengebiete heran:

Strahlenoptik

Im Rahmen der paraxialen Optik werden grundlegende Gesetzmäßigkeiten bis hin zur Abbildung durch dünne Linsen behandelt. Zur Beschreibung komplexerer Systeme führt der Autor in den Matrixformalismus der Strahlenoptik ein, wobei er die Grenzen der optischen Abbildung hinsichtlich Auflösungsvermögen und Abbildungsfehler aufzeigt.

Wellenoptik

Elementare wellenoptische Erscheinungen wie Beugung und Interferenz sowie deren Nutzung bei Beugungsgittern und dielektrischen Beschichtungen werden ebenso dargestellt wie der Polarisationszustand einer Welle und seine Beschreibung durch Jones-Vektoren. Daneben behandelt der Autor weitere Themen wie Bragg-Reflexion, Doppelbrechung, optische Aktivität, Dichroismus und Lichtstreuung. Großen Raum nimmt die Lichtreflexion an Grenzschichten ein (Fresnelsche Formeln).

Optische Komponenten und Geräte

Das Werk vermittelt einen Überblick über die in der technischen Optik verfügbaren Einzelkomponenten und erörtert die grundlegende Funktionsweise von optischen Geräten wie Mikroskopen, Fernrohren und Kameras bis hin zu Beamern und anderen Projektionsgeräten. Geräte zum Lichtnachweis wie Halbleiterdetektoren, Bildsensoren und Photomultiplier runden das Buch ab.

Das Werk enthält zahlreiche zum Teil farbige Bilder und graphische Darstellungen, Aufgaben zu Strahlenoptik, Wellenoptik und optischen Geräten mit ausführlichen Lösungen, ein Englisch-Lexikon der Fachbegriffe und ein Verzeichnis weiterführender Literatur.

1Geometrische Optik

So komplex wie sich das Phänomen Licht darstellt, so vielfältig sind auch seine verschiedenen physikalischen Beschreibungen. Bei bestimmten Experimenten verhält sich Licht wie eine elektromagnetische Welle und die entsprechende Beschreibung bedient sich dann auch der Maxwellschen Gleichungen. In anderen Experimenten verhält es sich wie ein Teilchen und es kommen physikalische Größen wie Impuls ins Spiel. Bei wieder anderen Erscheinungen genügt es, die geradlinige Ausbreitung des Lichtes in den Vordergrund zu stellen. Sie ist hinreichend, um viele Phänomene der geometrischen Optik zu beschreiben und hieraus optische Instrumente mit erstaunlichen Eigenschaften zu entwickeln. Allerdings gelangt man dann auch wieder an Grenzen, die eine wellenoptische Betrachtungsweise nötig machen. Mal ganz abgesehen davon, dass die geradlinige Ausbreitung des Lichtes auch im Vakuum nicht immer gewährleistet ist.

Am Ende dieses Buches wird also kein einfaches Bild stehen, wie man sich Licht in anschaulicher Weise vorstellen kann. Trotzdem wird versucht, die vielfältigen Beschreibungen der Eigenschaften von Strahlung anschaulich darzustellen. Begonnen werden soll mit dem aus dem Alltag bekannten Begriff des Lichtstrahls. Daraus soll die Strahlenoptik entwickelt werden.

1.1Die optische Abbildung

Im Bereich des alltäglichen Umgangs mit Licht geht man von seiner geradlinigen Ausbreitung aus und nutzt diese Eigenschaft auch intensiv, z.B. in der Geodäsie, der Vermessungskunde. Sie gilt nur für die Ausbreitung in homogenen Medien, d.h. in Medien, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit weder von der Richtung noch vom Ort abhängt. Insbesondere an Grenzschichten zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit kommt es im Allgemeinen zu Richtungsablenkungen. Diese als Lichtbrechung bezeichnete Ablenkung bildet das Fundament der meisten heute verwendeten abbildenden optischen Systeme.

1.1.1Lichtstrahlen

Eine Lichtquelle, etwa eine Glühlampe, wird Licht zunächst in alle Raumrichtungen emittieren. Eine Quelle, deren Glühfaden idealisiert so klein angenommen wird, dass man ihn als unendlich kleinen Punkt auffassen kann, wird Punktquelle genannt. Sie strahlt Licht isotrop in alle Raumrichtungen. Wird, wie in Abb. 1.1 angedeutet, durch eine Wand mit einem Loch des Durchmessers d ein Teil des Lichtes ausgeblendet, wird man auf einem Schirm in einer gewissen Entfernung einen kreisrunden Fleck beobachten. Der Lichtkegel bildet einen geraden Kreiskegel. Man erhält im Grenzfall eines unendlich kleinen Loches (d → 0) einen Lichtstrahl. Dies ist in mehrfacher Hinsicht eine Idealisierung, denn praktisch durchführbar ist dieses Experiment nicht. Nach den Gesetzen der Photometrie würde ein solcher Lichtstrahl keine Leistung transportieren, denn die Bestrahlungsstärke wäre wegen der unendlich kleinen Fläche sonst unendlich hoch. Dazu würde noch ein weiteres Problem auftreten: die Unschärfe der Ränder, die grundsätzlich auftritt, verhindert ab einer gewissen Größe der Blende einen klaren Lichtfleck. Dieser Effekt wird Beugung genannt und lässt sich nur wellenoptisch erklären.

Abb. 1.1: Durch eine Lochblende ausgeblendetes Lichtbündel.

Der Lichtstrahl ist also eine Idealisierung; sie genügt aber, um die Abbildung durch Spiegel, Linsen und Linsensysteme richtig zu beschreiben. Lediglich wenn es um Grenzen des Auflösungsvermögens kleinster Strukturen geht, ist eine Beschreibung durch die Wellenopt...

Table of contents

• Cover
• Titel
• Impressum
• Widmung
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Kapitel 1 Geometrische Optik
• Kapitel 2 Licht als elektromagnetische Welle
• Kapitel 3 Optische Komponenten und Geräte
• A Anhang
• Lexikon
• Literatur
• Index