Litfin Technische Optik in der Praxis

3. Auflage 2005
ISBN: 978-3-540-26709-6
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 289 Seiten

Reihe: Computer Science and Engineering (German Language)

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.  

Autoren/Hrsg.

Litfin, Gerd

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort zur dritten Auflage;5
2;Vorwort zur ersten Auflage;7
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;Autorenverzeichnis;14
5;1 Geometrische Optik;15
5.1;1.1 Strahlenmodell;15
5.2;1.2 Reflexion von Lichtstrahlen;16
5.2.1;1.2.1 Diffuse und gerichtete Reflexion (Reflexionsgesetz);16
5.3;1.3 Brechung des Lichts (Refraktion);25
5.3.1;1.3.1 Brechungsgesetz;25
5.3.2;1.3.2 Totalreflexion;28
5.3.3;1.3.3 Planparallele Platte;29
5.3.4;1.3.4 Prismen;30
5.3.5;1.3.5 Kugelflächen;33
5.4;1.4 Optische Abbildung;39
5.4.1;1.4.1 Sphärische Linsen;39
5.4.2;1.4.2 Linsensysteme;45
5.4.3;1.4.3 Blenden;47
5.4.4;Literatur;48
6;2 Wellenoptik;49
6.1;2.1 Licht als Wellenphänomen;49
6.1.1;2.1.1 Elektromagnetische Wellen;49
6.1.2;2.1.2 Monochromatische ebene Wellen;50
6.1.3;2.1.3 Elektrisches Feld und Intensität;53
6.1.4;2.1.4 Sphärische Wellen;54
6.2;2.2 Überlagerung von Wellen;55
6.2.1;2.2.1 Interferenz;55
6.2.2;2.2.2 Kohärenz;59
6.2.3;2.2.3 Interferometer;63
6.3;2.3 Beugung;66
6.3.1;2.3.1 Elementarwellen und Beugung am Spalt;67
6.3.2;2.3.2 Auflösungsvermögen optischer Systeme;68
6.4;2.4 Polarisation;69
6.4.1;2.4.1 Polarisationszustände;69
6.4.2;2.4.2 Polarisierende Komponenten;70
6.4.3;2.4.3 Polarisationsoptische Geräte;73
6.5;2.5 Reflexion;75
6.5.1;2.5.1 Reflexion an einer Grenzflache;75
6.5.2;2.5.2 Dielektrische Schichten;77
6.5.3;2.5.3 Schichtsysteme;78
6.5.4;2.5.4 Spezialsysteme;81
6.5.5;Literatur;82
7;3 Abbildungsfehler und optische Systeme;83
7.1;3.1 Ursachen und Wirkungen von Abbildungsfehlern;84
7.2;3.2 Typen von Abbildungsfehlern;87
7.2.1;3.2.1 Schärfefehler;87
7.2.2;3.2.2 Lagefehler;90
7.2.3;3.2.3 Farbfehler;92
7.3;3.3 Darstellung der Abbildungsleistung und Qualitätsbewertung optischer Systeme;94
7.4;3.4 Maßnahmen;104
7.5;3.4 Maßnahmen zur Verbesserung der Abbildungsleistung;104
7.6;Literatur;108
8;4 Entwicklung optischer Systeme;109
8.1;4.1 Einführung;109
8.2;4.2 Spezifikation optischer Systeme;109
8.3;4.3 Bestimmung der optischen Grunddaten;111
8.4;4.4 Bestimmung der Abbildungsleistung;112
8.4.1;4.4.1 Trigonometrische Strahldurchrechnung;112
8.4.2;4.4.2 Seidelsche Bildfehler;118
8.5;4.5 Abhängigkeiten von Parametern;119
8.6;4.5 Abhängigkeiten von Parametern und Aberrationen;119
8.6.1;4.5.1 Durchbiegung von Linsen;119
8.6.2;4.5.2 Blendenlage;122
8.6.3;4.5.3 Asphärenlage;124
8.6.4;4.5.4 Glaswahl;125
8.6.5;4.5.5 Apertur und Feldgröße;128
8.7;4.6 Prinzip der Systemoptimierung;129
8.8;4.7 Beispiel zur Systemoptimierung;132
8.9;4.8 Optical-Design-Programme;136
8.10;4.9 Zusammenfassung und erg¨ anzende Bemerkungen;139
8.11;Literatur;139
9;5 Optische Werkstoffe;141
9.1;5.1 Einleitung;141
9.2;5.2 Brechzahlen, Dispersionsgleichungen, Abbe-Diagramm;141
9.3;5.3 Differentielle Änderungen der Brechzahl;152
9.3.1;5.3.1 Allgemeines;152
9.3.2;5.3.2 Schmelzschwankungen;153
9.3.3;5.3.3 Einfluß der Kühlgeschwindigkeit, Relaxation;153
9.3.4;5.3.4 Änderung der Umgebungstemperatur;156
9.3.5;5.3.5 Mechanische Spannungen, elektrische Felder und Magnetfelder;159
9.4;5.4 Glasfehler und Homogenität [3,8];163
9.5;5.5 Transparenzbereiche;165
9.5.1;5.5.1 Transmissionvermgen von Gläsern, Kristallen und Kunststoffen;165
9.5.2;5.5.2 Farbgläser [8,28–30];167
9.6;5.6 Sonderwerkstoffe für die Optik;171
9.7;Literatur;172
10;6 Spezifikation und Fertigung optischer Bauelemente;175
10.1;6.1 Fertigungsverfahren;175
10.1.1;6.1.1 Urformen;175
10.1.2;6.1.2 Umformen;175
10.1.3;6.1.3 Trennen;176
10.1.4;6.1.4 Trennschleifen;176
10.2;6.2 Fertigungstoleranzen;181
10.3;6.3 Qualitätsmanagement (QM);186
10.4;Literatur;190
11;7 Optoelektronik-Komponenten;191
11.1;7.1 Lichtemitterdioden;191
11.1.1;7.1.1 Prinzip;191
11.1.2;7.1.2 Materialien;192
11.1.3;7.1.3 Aufbau und Eigenschaften;193
11.1.4;7.1.4 Grundschaltungen;195
11.2;7.2 Displays;196
11.2.1;7.2.1 LED-Displays;196
11.2.2;7.2.2 Ansteuerschaltungen für LED-Displays;197
11.2.3;7.2.3 LC-Displays;198
11.2.4;7.2.4 LCD-Ansteuerung;201
11.3;7.3 Detektoren;203
11.3.1;7.3.1 Fotoleiter;203
11.3.2;7.3.2 Fotodiode;206
11.3.3;7.3.3 Fototransistor;210
11.3.4;7.3.4 Detektorschaltungen;211
11.4;7.4 CCD-Sensoren;212
11.4.1;7.4.1 MOS-Kondensator;212
11.4.2;7.4.2 CCD-Ladungstransport;214
11.4.3;7.4.3 CCDs;214
11.4.4;7.4.4 CCD-Kameras;218
11.5;Literatur;220
12;8 Fasern und Sensorik;221
12.1;8.1 Mechanismus der Wellenleitung;221
12.1.1;8.1.1 Geometrisch-optische Grundlagen;221
12.1.2;8.1.2 Der Modenbegriff aus wellenoptischen Betrachtungen;223
12.2;8.2 Fasertypen;227
12.2.1;8.2.1 Multimode-Glasfasern;227
12.2.2;8.2.2 Monomode-Glasfasern;230
12.2.3;8.2.3 Faserbündel;234
12.3;8.3 Dämpfungseigenschaften von Fasern;235
12.3.1;8.3.1 Quarzglasfasern;235
12.3.2;8.3.2 Kunststoffasern;236
12.4;8.4 Koppeltechnik;237
12.4.1;8.4.1 Vorbetrachtungen;237
12.4.2;8.4.2 Ankopplung Quelle-Faser;237
12.4.3;8.4.3 Verbindung Faser-Faser;243
12.4.4;8.4.4 Faserkoppler;244
12.5;8.5 Nichtsensorische Anwendungen von Glasfasern;247
12.5.1;8.5.1 Vorbemerkung;247
12.5.2;8.5.2 Anwendungen von Faserbündeln für Beleuchtung;247
12.5.3;8.5.3 Anwendungen von Einzelfasern zur Energie Übertragung;248
12.5.4;8.5.4 Anwendungen von Einzelfasern;249
12.6;8.6 Meßtechnische und sensorische Anwendungen von Glasfasern;250
12.6.1;8.6.1 Klassifizierung faseroptischer Meß- und Sensorsysteme;250
12.6.2;8.6.2 Intensitätsmodulierte Sensoren;251
12.6.3;8.6.3 Polarisationsmodulierte Sensoren;253
12.6.4;8.6.4 Interferometrische Sensoren;253
12.7;Literatur;255
13;9 Laser;257
13.1;9.1 Eigenschaften der Laserstrahlung;257
13.2;9.2 Erzeugung von Laserstrahlung;258
13.3;9.3 Moden;260
13.4;9.4 Ausbreitung der Grundmode;262
13.5;9.5 Strahlqualität;266
13.6;9.6 Lasertypen;267
13.7;Literatur;269
14;10 Neue Laser;271
14.1;10.1 Konzepte für diodengepumpte Festkörperlaser;272
14.2;10.2 Neue Konzepte;273
14.3;10.3 Upconversion Faserlaser;276
14.4;Literatur;277
15;Sachverzeichnis;279

Leseproben

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 ? = 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].