Table Of ContentPedrotti · Pedrotti · Bausch · Schmidt
Optik für Ingenieure
Springer-V erlag Berlin Heidelberg GmbH
F. Pedrotti · L. Pedrotti · W. Bausch · H. Schmidt
Optik für Ingenieure
Grundlagen
2. Auflage
Mit 407 Abbildungen und 28 Tabellen
' Springer
Prof. Frank L. Pedrotti Marquette University, Milwaukee, Wisconsin, USA
Prof. Leno S. Pedrotti Center for Occupational Research and Development,
Waco, Texas, USA
Prof. Wemer Bausch Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften
Prof. Hartmut Schmidt* Fachhochschule Darmstadt
Sch6fferstrasse 3
64295 Darmstadt
* und Fachbereich Physik
Johann Wolfgang Goethe-Universitat
Frankfurt am Main
Titei der amerikanischen Originalausgabe:
Optics and Vision, I st Edition, by F. and L. Pedrotti, © 1993 by Prentice Hali Inc.,
a Pearson Education Company, Upper Saddle River, New Jersey, USA
1. Aufl. der deutschen Ubersetzung:
© 1996 der deutschen Ausgabe by Prentice Hali Veriag GmbH
ISBN 978-3-662-09118-0
Oie Oeutsche B ib liothek -CIP -Einhei tsaufnahme
Optik fiir Ingenieure: Grundlagen / von F. L. Pedrotti .... -2.Aufl .. -
Einheitssacht.: Introduction to optics <dt.>
ISBN 978-3-662-09118-0 ISBN 978-3-662-09117-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09117-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
Softcover reprint of the hardcover 2rd edition 2002
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Satzherstellung: Fa. Svornost,Bratislava
SPIN: 10767175 Gedruckt auf săurefreiem Papier 07/3020 hu -5432 I O
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ........ . 13
Größen und Formelzeichen 15
Kapltel1
Was Ist Licht? 19
Einleitung . . 19
Kurze Geschichte der Optik - Photonen- und Wellenmodell 20
Übungen ..................... . 26
Kapltel2
Erzeugung und Messung von Licht 27
Einleitung . . . . . . . . . . . 27
2.1 Elektromagnetisches Spektrum 27
2.2 Strahlungsphysikalische Größen (Radiometrie) 29
2.3 Lichttechnische Größen (Fotometrie) 34
2.4 Schwarzer Strahler (Hohlraumstrahler) . 38
2.5 Optische Strahlungsquellen . 40
2.6 Strahlungsdetektoren 49
Übungen ......... . 56
Kapltel3
Geometrische Optik . 58
Einleitung . . . . . 58
3.1 Huygenssches Prinzip 60
5
Inhaltsverzeichnis
3.2 Das Fermatsche Prinzip . . . . . . 64
3.3 Umkehrung des Lichtweges 67
3.4 Brechung an einer ebenen Grenzfläche 68
3.5 Abbildung durch ein optisches System 70
3.6 Brechung an einer sphärischen Fläche - Vorzeichenkonvention 75
3. 7 Dünne Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.8 Krümmung von Wellenfronten und Brechkraft von Linsen 87
3.9 Newtonsehe Abbildungsgleichung für die Linse 89
3.10 Reflexion an ebenen Spiegeln . . . 91
3.11 Reflexion an einer Kugeloberfläche 94
Übungen ............ . 97
Kapltel4
Matrixmethoden der paraxialen Optik 102
Einleitung . . . . . . . 102
4.1 Die dicke Linse . . . 102
4.2 Die Matrixmethode . 107
4.3 Die Translationsmatrix 108
4.4 Die Brechungsmatrix 109
4.5 Die Reflexionsmatrix 111
4.6 Die Matrizen für dicke und dünne Linsen 112
4. 7 Systemmatrix . . . . . . . . . . . . 114
4.8 Bedeutung der Elemente der Systemmatrix 117
4.9 Lage der Hauptpunkte eines optischen Systems 120
4.10 Beispiele zur Systemmatrix und den Hauptpunkten 124
4.11 Raytracing . 127
Übungen 128
KapitelS
Abbildungsfehler 131
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1 Strahl- und Wellenaberrationen . . . . . . . . . . 132
5.2 Brechung an einer Kugelfläche (Seidelsche Näherung) 135
5.3 Sphärische Aberration/Öffnungsfehler . 140
5.4 Koma ............ . 165
5.5 Astigmatismus und Bildfeldwölbung 147
5.6 Verzeichnung . . . . . . . . . . 151
5.7 Chromatische Aberration/Farbfehler. 154
Übungen ............ . 160
Kapitel&
Optische Instrumente 163
Einleitung . . . . . 161
6.1 Blenden, Pupillen und Luken 163
6.2 Prismen . . . . . . . . . . 172
6
Inhaltsverzeichnis
6.3 Die Kamera . . . 186
6.4 Lupen und Okulare 192
6.5 Mikroskope 200
6.6 Fernrohre 207
Übungen 216
Kapitel 7
Optik des Auges 221
Einleitung . . . . . . . . . . . . . 221
7.1 Aufbau des Auges . . . . . . . 222
7.2 Das Auge als optisches Instrument 224
7.3 Funktion des Auges . . . . . . 226
7.4 Augenfehler und ihre Korrektur 232
7.5 Lasertherapie für Augenfehler 239
Übungen ........... . 246
Kapitel 8
Wellengleichungen 249
Einleitung . . . . 249
8.1 Eindimensionale Wellengleichung 249
8.2 Harmonische Wellen . . . . . 251
8.3 Komplexe Zahlen . . . . . . . 255
8.4 Harmonische Wellen in komplexer Darstellung 257
8.5 Ebene Wellen . . . . . 259
8.6 Kugelwellen . . . . . . . . . . . 261
8.7 Elektromagnetische Wellen . . . . . 261
8.7.1 Feldstärke und Geschwindigkeit 261
8.7.2 Maxwellsehe Gleichungen 263
8.7.3 Intensität 266
8.8 Doppler-Effekt . 268
Übungen ..... 270
Kapitel 9
Interferenz von Wellen 274
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.1 Superpositionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . 274
9.2 Überlagerung gleichlaufender, gleichfrequenter Wellen 276
9.3 Kohärente und inkohärente Sender . . . . . . . . 282
9.4 Interferenz ebener Wellen beliebiger Frequenz und Richtung 283
9.5 Stehende Wellen . . . . . . . . . 285
9.6 Interferenz "schräger" Wellen 287
9.7 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit 290
Übungen ............. . 293
7
Inhaltsverzeichnis
Kapltel10
Lichtinterferenz 296
Einleitung 0 0 0 0 0 0 0 0 0 296
I 001 Zweistrahlinterferenz 296
1002 Der Youngsche Doppelspalt-Versuch 301
1003 Doppelspaltinterferenz mit virtuellen Quellen 307
1004 Interferenz an dielektrischen Schichten 309
1005 Interferenzen gleicher Dicke 315
1006 Newton-Ringe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 316
1007 Dickenmessung mittels Interferenz 0 318
Übungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 321
Kapitel11
Optische lnterferometrle 325
0
Einleitung 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 325
11.1 Das Michelson-Interferometer 0 0 0 0 0 0 326
11.2 Anwendungen des Michelson-Interferometers 330
llo3 Modifikationen des Michelson-Interferometers 332
1104 Stokes-Beziehungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 334
11.5 Vielstrahlinterferenz an einer Planplaue· 336
11.6 Fabry-Perot-Interferometer 0 340
11.7 Streifenprofil: Airy-Funktion 342
11.8 Auflösungsvermögen 345
llo9 Nutzbarer Spektralbereich 348
Übungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 350
Kapltel12
Kohärenz 353
Einleitung 353
1201 Fourier-Reihen 0 353
1202 Fourier-Integrale 359
1203 Fourier-Analyse endlicher Wellenzüge 362
1204 Zeitliche Kohärenz und natürliche spektrale Linienbreite 369
1205 Teilkohärenz 0 0 0 0 0 0 0 371
1206 Räumliche Kohärenz 0 0 0 0 377
120 7 Räumlicher Kohärenzbereich 0 379
Übungen 383
Kapltel13
Holografie 386
0
Einleitung 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 386
13ol Konventionelle und holografische Fotografie 386
1302 Hologramm einer Punktquelle 0 0 0 0 0 0 388
1303 Hologramm eines ausgedehnten Gegenstandes 391
8
Inhaltsverzeichnis
13.4 Eigenschaften des Hologramms . . . 396
13.5 Weißlicht-Hologramme ..... . 397
13.6 Weitere Anwendungen der Holografie 399
Übungen . . . . . . . . . . . . . . 402
Kapite114
Matrixmethode der Polarisation 404
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
14.1 Mathematische Darstellung von polarisiertem Licht mit Jones-Vektoren . . 405
14.2 Mathematische Darstellung der Polarisatoren: Jones- und Müller-Matrizen 419
Übungen ............................. . 429
Kapitel15
Erzeugung von polarisiertem Licht 433
Einleitung . . . . . . . . . . . 433
15.1 Dichroismus: Polarisation durch selektive Absorption 433
15.2 Polarisation bei Reflexion an dielektrischen Oberflächen 436
15.3 Polarisation durch Streuung 439
15.4 Anisotropie der Brechzahl 443
15.5 Doppelbrechung . 449
15.6 Optische Aktivität 454
15.7 Spannungsoptik 458
15.8 Polarisation durch Flüssigkristalle 461
Übungen ............ . 466
Kapitel16
Fraunhofer-Beugung 470
Einleitung . . . . . . . . . . . . . 470
16.1 Beugung am Einzelspalt . . . . . 472
16.2 Beugungsbedingte Strahldivergenz . 477
16.3 Rechteck- und Kreisblenden 479
16.4 Auflösungsvermögen 485
16.5 Beugung am Doppelspalt 490
16.6 Gitterbeugung 494
Übungen ........ . 500
Kapitel17
Das Beugungsgitter . 503
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . 503
17.1 Die Gittergleichung ........ . 503
i7.2 Nutzbarer Spektralbereich eines Gitters 505
17.3 Dispersion des Gitters . . . . . 507
17.4 Auflösungsvermögen des Gitters 509
17.5 Gittertypen ........ . 511
9
Inhaltsverzeichnis
17.6 "Blaze"-Technik flir Gitter . . . . . 514
17.7 Gitterkopien . . . . . . . . . . . 519
17.8 Interferenzgitter (holografische Gitter) 520
17.9 Gitterinstrumente . 522
Übungen 525
Kapltel18
Fresnei-Beugung 528
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . 528
18.1 Fresnei-Kirchhoffsches Beugungsintegral 529
18.2 Kriterium für Fresnel-Beugung . 533
18.3 Fresnel-Beugung an Kreisblenden . . . 535
18.4 Fresnelsche Zonenplatte . . . . ... 539
18.5 Fresnel-Beugung an Rechteckaperturen 542
18.6 Die Cornu-Spirale . . .... 544
18.7 Anwendungen der Cornu-Spirale 548
18.8 Babinetsches Prinzip 556
Übungen ...... . 558
Kapltel19
Interferenz an Mehrfachschichten · 561
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
19.1 Transfer-Matrix . . . . . . . . . . . . 562
19.2 Reflexion bei senkrechtem Einfall des Lichtes 567
19.3 Reflexminderung durch zwei Schichten 569
19.4 Reflexminderung durch drei Schichten 573
19.5 Hochreflektierende Schichten 574
Übungen ......... . 578
Kapltel20
Fresnelsche Gleichungen 580
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
20.1 Die Fresnelschen Formeln . . . . . . . . . . . . 580
20.2 Reflexion an optisch dichteren und dünneren Medien 586
20.2.1 Reflexion und Transmission bei n < n' 586
20.2.2 Reflexion und Transmission bei n > n' 590
20.3 Phasenänderung bei Reflexion 591
20.4 Energieerhaltung . . 595
20.5 Evaneszente Wellen . 597
20.6 Komplexe Brechzahl 599
20.7 Metallreflexion . 602
Übungen 605
10
