Photonik: Grundlagen, Technologie und Anwendung ; mit 50 Tabellen
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Berlin [u.a.]
Springer
2006
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen.......................................................................................1
1.1 Geometrische Optik.................................................................. 1
1.1.1 Lichtstrahlen............................................................... 1
1.1.2 Reflexion des Lichts...................................................2
1.1.3 Brechung des Lichts....................................................4
1.1.4 Abbildung durch Linsen.............................................9
1.1.5 Matrixmethoden der paraxialen Optik...................... 16
1.2 Wellenoptik............................................................................23
1.2.1 Elektromagnetische Wellen......................................23
1.2.2 Polarisation...............................................................28
1.2.3 Interferenz.................................................................36
1.3 Radio- und
1.3.1 Strahlungsphysikalische Größen...............................57
1.3.2 Lichttechnische Größen............................................60
1.4 Quantennatur des Lichts.........................................................61
1.4.1 Photonen...................................................................61
1.4.2 Schwarzer Strahler....................................................63
1.4.3 Laser..........................................................................66
1.5 Halbleiter-Lichtquellen..........................................................70
1.5.1 Strahlende Rekombination........................................70
1.5.2 Lumineszenzdioden..................................................73
1.5.3 Halbleiter-Laser........................................................77
1.6 Halbleiter-Detektoren.............................................................91
1.6.1 Absorption in Halbleitern.........................................91
1.6.2 Fotoleiter...................................................................93
1.6.3 Fotodioden................................................................93
1.7 Literatur................................................................................ 104
2 Fertigung optischer Komponenten und Systeme.......................105
2.1 Übersicht.............................................................................. 105
2.2 Klassische Bearbeitung........................................................ 107
2.2.1 Übersicht................................................................. 107
2.2.2 Formen (Trennen, Schleifen, Diamantdrehen)........ 108
2.2.3 Glätten..................................................................... 111
2.2.4 Messtechnik............................................................ 115
XVI Inhaltsverzeichnis
2.3 Abformen............................................................................. 116
2.3.1 Übersicht................................................................. 116
2.3.2 Glas abformen (Blankpressen)................................ 117
2.3.3 Kunststoff abformen............................................... 119
2.3.4 Messtechnik............................................................ 120
2.4 Strukturierung...................................................................... 121
2.4.1 Diffraktive Optik..................................................... 121
2.4.2 Lithografie.............................................................. 122
2.4.3 Abformen................................................................ 123
2.4.4 Messtechnik............................................................ 123
2.5 Beschichtung........................................................................ 123
2.5.1 Prinzip..................................................................... 123
2.5.2 Herstellung optischer Komponenten....................... 124
2.5.3 Bedampfen mit PVD-Verfahren............................. 125
2.5.4 Sputter-Technologie................................................ 126
2.5.5 Abscheiden organmetallischer Lösungen............... 127
2.5.6 Messtechnik............................................................ 128
Optische Nachrichtenübertragung............................................. 129
3.1 Einführung............................................................................ 129
3.2 Glasfasern............................................................................. 131
3.2.1 Dämpfung in Glasfasern......................................... 133
3.2.2 Dispersionen in Glasfasern..................................... 137
3.2.3 Typenklassen von Glasfasern................................. 146
3.3 Optische Sender und Empfanger.......................................... 148
3.4 Faseroptische Übertragungssysteme.................................... 153
3.4.1 Direktübertragungssysteme..................................... 153
3.4.2 Kohärente Übertragungssysteme............................ 157
3.4.3 Faserverstärker........................................................ 160
3.4.4 Solitonenübertragung.............................................. 162
3.4.5 Optische Übertragung auf der Fernebene
im Ortsnetz und im LAN- bzw. Metrobereich........ 165
3.5 Literatur................................................................................ 173
Sensoren.........................................................................................175
4.1 Optische Sensoren................................................................ 175
4.2 Lichtschranken und Lichttaster............................................ 175
4.2.1 Einweg-Lichtschranken.......................................... 176
4.2.2 Lichtgitter................................................................ 177
4.2.3 Reflexions-Lichtschranken..................................... 179
4.2.4 Reflexions-Lichttaster............................................. 183
4.2.5 Lichtleiter-Lichtschranken und-Lichttaster............ 186
4.2.6 Kontrasttaster.......................................................... 188
4.2.7 Lumineszenztaster................................................... 189
4.2.8 Farbsensoren........................................................... 190
Inhaltsverzeichnis XVII
4.3 Distanzsensoren.................................................................... 191
4.3.1 Triangulations-Sensoren......................................... 192
4.3.2 Pulslaufzeit-Sensoren.............................................. 193
4.3.3 Phasenkorrelations-Sensoren.................................. 194
4.4 Laserscanner......................................................................... 197
4.4.1 Funktionsprinzip des Laserscanners....................... 197
4.4.2 Barcode-Scanner.....................................................204
4.4.3 Laser-Radar.............................................................209
4.5 Kamerasensoren...................................................................214
4.5.1 1-D-Sensoren..........................................................216
4.5.2 2-D-Sensoren..........................................................218
4.5.3 3-D-Sensoren..........................................................219
4.6 Optische Sensoren für spezielle Anwendungen...................223
4.6.1 Staubkonzentrationsmessung..................................224
4.6.2 Gaskonzentrationsmessung.....................................229
4.7 Literatur................................................................................ 231
Optische Messtechnik...................................................................233
5.1 Abstandsmessung.................................................................233
5.1.1 Triangulation...........................................................234
5.1.2 Inkrementalgeber....................................................236
5.1.3
5.2 Formmessung.......................................................................239
5.2.1 Schattenwurfverfahren............................................239
5.2.2 Streifenprojektion...................................................241
5.2.3 Weißlichtinterferometrie.........................................243
5.3 Verformungsmessung mit der Holografischen
Interferometrie
5.4 Spannungs-, Dehnungs-, Kraftmessung...............................248
5.4.1 Spannungsoptische Verfahren.................................248
5.4.2 Speckle-Pattern-InterferometrieCESPI)..................249
5.4.3 Faseroptische Sensorik
und Dehnungsmessung...........................................249
5.5 Schwingungsmessung..........................................................252
5.5.1 Laser-Doppler-Vibrometer.....................................252
5.5.2
und Speckle-Pattem-Interferometrie.......................255
5.6 Temperaturmessung.............................................................256
5.7 Feuchtemessung...................................................................260
5.8 Farbmessung.........................................................................260
5.9 Interferometrische Submikrometer-Messtechnik
in der Automobilindustrie....................................................263
5.9.1 Stand und Entwicklung der Messtechnik................263
5.9.2 Weißlichtinterferometrie (WLI)..............................264
XVIII
5.9.3 Weißlichtinterferometrie mit Sonderoptiken..........266
5.9.4 Weißlicht-Heterodyn-Interferometer (WHI)...........272
5.9.5 Rückführung der Weißlichtinterferometrie
auf amtliche Normale..............................................278
5.10 Zusammenfassung und Ausblick.........................................280
5.11 Literatur................................................................................281
Produktionstechnik......................................................................283
6.1 Übersicht..............................................................................283
6.1.1 Laserstrahlquellen...................................................283
6.1.2 Strahlqualität...........................................................287
6.1.3 Fertigungsverfahren und Materialien......................290
6.2 Urformen..............................................................................291
6.2.1 Selektives Laser-Sintern (SLS)...............................291
6.2.2 Selektives Laser-Schmelzen
(SLM:
6.3 Umformen............................................................................293
6.4 Trennen................................................................................294
6.4.1 Schneiden................................................................294
6.4.2 Bohren und Abtragen..............................................298
6.5 Fügen....................................................................................298
6.5.1 Schweißen............................................................... 298
6.5.2 Löten....................................................................... 304
6.6 Beschichten.......................................................................... 305
6.7 Stoffeigenschaften ändern.................................................... 307
6.7.1 Härten...................................................................... 307
6.7.2 Umschmelzen.......................................................... 308
6.7.3 Polieren................................................................... 309
6.8 Markieren und Beschriften................................................... 309
6.9 Strukturieren und Mikrobearbeiten...................................... 311
6.10 Produktentwicklung mit Laser............................................. 313
6.11 Literatur................................................................................ 316
Beleuchtungstechnik.....................................................................317
7.1 Einleitung............................................................................. 317
7.2 Lichttechnische Größen........................................................318
7.3 Optische Systeme zur Beleuchtung...................................... 320
7.3.1 Beleuchtungssystem aus Lichtquellen
und Reflektor.......................................................... 320
7.3.2 Beleuchtungssystem aus Lichtquelle und Linse..... 322
7.3.3 Arbeitsplatzleuchte................................................. 322
7.3.4 Kraftfahrzeug-Frontbeleuchtung............................. 326
7.3.5 Operationsleuchten (OP-Leuchten)........................328
7.3.6 Lichtleiter für Beleuchtung.....................................331
Inhaltsverzeichnis XIX
7.4 Optische Systeme zur
7.4.1 Straßenverkehrsignal (Ampel)................................333
7.4.2 Fahrzeug-Signalleuchten.........................................335
7.5 Optische Systeme für Informationsträger.............................336
7.5.1 Beleuchtetes Bedienelement...................................336
7.5.2 Lichtleiter zur Hinterleuchtung von Displays.........338
7.5.3 Lichtleiter zur Hinterleuchtung
von Statusanzeigen..................................................339
7.6 Simulation in der Beleuchtungstechnik................................340
7.6.1 Simulationsprogramme für Entwicklung optischer
Systeme...................................................................340
7.6.2 Modellbildung für die optische Simulation............342
7.6.3 Auswertungen der optischen Simulation................348
7.7 Literatur................................................................................349
Fotovoltaik.....................................................................................351
8.1 Wirkungsweise der Solarzelle.............................................. 351
8.2 Wirkungsgrad.......................................................................355
8.3 Technologie.......................................................................... 357
8.4 Literatur................................................................................359
Optische Technologien in Medizin und Life Sciences...............361
9.1 Spektroskopie.......................................................................361
9.1.1 Absorptionsspektroskopie.......................................363
9.1.2 Fluoreszenzspektroskopie.......................................364
9.1.3 Molekülschwingungsspektroskopie........................368
9.1.4 Beispiele weiterer spektroskopischer Methoden..... 370
9.2 Streuung von Licht...............................................................371
9.2.1 Remissionsfotometrie zur Bestimmung
von
9.2.2 Durchflusszytometrie.............................................. 373
9.2.3 Optische Kohärenztomographie.............................. 374
9.3 Optische Mikroskopie..........................................................375
9.3.1 Übersicht.................................................................375
9.3.2 Auflösung, Schärfentiefe und förderliche
Vergrößerung..........................................................376
9.3.3 Köhler sehe Beleuchtung
und Kontrastverstärkung.........................................377
9.3.4 Fluoreszenzmikroskopie.........................................379
9.3.5 Laser-Scanning-Mikroskopie..................................380
9.3.6 Laserpinzette und Laser-Mikromanipulation..........382
9.3.7 Operationsmikroskopie...........................................384
9.4
9.4.1 Einführung..............................................................384
9.4.2 Endoskopie-System.................................................385
XX
9.4.3 Endoskopische Bildgebung..................................... 388
9.4.4 Ausführungsformen medizinischer Endoskope...... 391
9.5 Laseranwendungen in der Medizin...................................... 394
9.5.1 Einführung.............................................................. 394
9.5.2 Wirkungsmechanismen........................................... 395
9.5.3 Laseranwendungen.................................................397
9.6 Literatur................................................................................403
10 Gebrauchsgüter............................................................................405
10.1 Bildaufnahme.......................................................................406
10.1.1 Analoge Fotokamera...............................................406
10.1.2 Digitale Fotokamera...............................................407
10.1.3 Handycam und Webcam.........................................407
10.1.4 Camcorder...............................................................409
10.1.5 Flachbettscanner, Fotokopierer, Fax.......................410
10.2 Vergrößerungsgeräte............................................................412
10.2.1 Mikroskop...............................................................412
10.2.2 Lupe........................................................................413
10.2.3 Teleskop..................................................................415
10.3 Bildwiedergabe....................................................................417
10.3.1 Analoge Projektoren...............................................417
10.3.2 Digitale Projektoren................................................418
10.3.3
und
10.3.4 Zusammenfassung..................................................422
11 Bildaufnahme und -wiedergäbe..................................................423
11.1 Halbleiterbildsensoren und digitale Kameras.......................423
11.1.1 Geometrische Eigenschaften eines Bildsensors......423
11.1.2 CCD-Sensor............................................................427
11.1.3 Architektur eines CCD............................................434
11.1.4 Eigenschaften eines CCD-Imagers.........................438
11.2 Kamera-User-Interface.........................................................447
11.3 Bildverarbeitung...................................................................448
11.3.1 Elementare Eigenschaften digitaler Bilder.............449
11.3.2 Punktoperationen....................................................450
11.3.3 Nachbarschaftsoperation.........................................453
11.3.4 Diskrete
11.4 Bildwiedergabe - Displays...................................................463
11.4.1 Flüssigkristall-Displays...........................................464
11.4.2 OLED-Displays......................................................474
11.5 Literatur................................................................................478
Inhaltsverzeichnis XXI
12 Augenschutz und Augensicherheit..............................................479
12.1 Notwenigkeit für Augenschutz.............................................480
12.1.1 Aufbau des Auges...................................................480
12.1.2 Optische Strahlung - Begriffsbestimmung..............482
12.1.3 Expositionsgrenzwerte............................................483
12.1.4 Lichttransmission und Grenzwerte bei der
Prüfung von Augenschutzprodukten.......................484
12.2 Varianten im Augenschutz...................................................485
12.2.1 Schutz vor mechanischer Gefährdungen.................486
12.2.2 Chemische Gefährdungen.......................................487
12.2.3 Thermische Gefährdungen......................................487
12.2.4 Biologische Gefährdungen......................................487
12.2.5 Elektrische Gefährdungen.......................................488
12.2.6 Arten von Augen- und Gesichtsschutz....................488
12.2.7 Komponenten eines Augenschutzgerätes
und Einsatzfelder....................................................488
12.2.8 Schutz vor optischer Strahlung...............................489
12.3 Zwei besondere Arten von Augen- und Gesichtsschutz.......490
12.3.1 Automatische Schweißerschutzfilter.......................490
12.3.2 Laserschutzfilter......................................................492
12.4 Das Regelwerk - Konformität und Normung
im Augenschutz....................................................................496
12.4.1 Gesetzesgrundlage Richtlinie und GPSG...............496
12.4.2 CE-Zeichen.............................................................498
12.4.3 GS-Zeichen / DIN-Qualitätszeichen.......................499
12.5 Normung Augenschutz.........................................................500
12.5.1 Europäisch harmonisierte Nonnen..........................500
12.5.2 BGI Informationen und Regeln..............................501
12.5.3 Kennzeichnung von Augenschutzgeräten...............502
12.5.4 Kennzeichnung von Sichtscheiben
und Filterscheiben...................................................502
12.5.5 Schutzstufen............................................................502
12.5.6 Optische Klasse.......................................................503
12.5.7 Mechanische Festigkeit...........................................503
12.5.8 Andere Anforderungen...........................................504
12.5.9 Kennzeichnung von Tragkörpern............................504
12.5.10 Kennzeichnung von vollständigen
Augenschutzgeräten................................................508
12.5.11 Benutzung von Augenschutzgeräten.......................508
12.6 Literatur................................................................................508
Index..............................................................................................511
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