Angewandte Optik
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Angewandte Optik O. von der Lühe Fakultät für Mathematik und Physik Albert-Ludwig-Universität Freiburg 1. Einleitung Optik betrifft die Wissenschaft des Lichts und des Sehens. Physikalisch beschränkt sie sich auf die Erzeugung, Ausbreitung, Manipulation und Nachweis elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen länger als die der Röntgenstrahlung, aber kürzer als die der Mikrowellenstrahlung. Dies schließt den Spektralbereich vom Vakuum-UV (ca. 100 nm) bis zum thermalen Infrarot (ca. 20 µm) ein, d. h. ein Faktor 200 in der Wellenlänge. Angewandte Optik beschreibt ein breit gefaßtes Gebiet von der experimentellen Physik bis zu bestimmten Bereichen der Ingenieurkunde (“engineering“). Die Anwendung der Optik hat in vielen Bereichen die physikalische Grundlagenforschung verlassen und entwickelt sich zu einem wirtschaftlich wichtigen Entwicklungsfaktor. In der experimentellen Physik spielt Optik eine wichtige Rolle. Diese Vorlesung stellt eine Einführung in einige wenige, umschriebene Bereiche der Optik, die für die experimentelle Physik oft wichtig, aber kein Bestandteil der Kursvorlesungen sind. ANGEWANDTE OPTIK 1.1 Historischer Abriß 1.1.1 Altertum bis Beginn der Neuzeit Datum Ereignis ca. 2000 v. Chr. Stonehenge, Pyramiden von Gizeh, Konzept der geradlinigen Ausbreitung des Lichts ca. 350 v. Chr. Plato und Aristoteles diskutieren die Natur des Lichtes - “Augenstrahlen“ vs. Korpuskulartheorie ca. 300 v. Chr. Euklid beschreibt Abbildung durch sphärische und parabolische Spiegel ca. 230 v. Chr. Erathostenes bestimmt den Erddurchmesser mit optischen Mitteln ca. 150 v. Chr. Ptolemäus beschreibt das Reflexionsgesetz ca. 1000 Alhazen beschreibt die Funktion des Auges und die camera obscura ca. 1260 Roger Bacon erfindet vermutlich das Brillenglas 1550 ca. 1590 1621 vor 1663 1704 Angewandte_Optik_1 Francesco Maurolico beschreibt die Korrektur von Kurz- und Weitsichtigkeit Erfindung des Teleskops in Italien, Holland. Benutzt durch Galilei 1610 Die Formulierung des Brechungsgesetzes durch W. Snell, R. Descartes und J. Gregory leitet die moderne Optik ein. Francesco Grimaldi (1618 - 1663) beschreibt u. a. die Beugung. Isaac Newton publiziert “Opticks“ - Korpuskulartheorie und Dispersion 2 2003 ANGEWANDTE OPTIK 1.1.2 Entwicklung des Teleskops Datum Ereignis 1610 Galileisches Linsenfernrohr 1660 James Gregory erfindet den nach ihm benannten Reflektor 1668 Newtonsches Spiegelfernrohr 1672 G. Cassegrain erfindet den nach ihm benannten Reflektor 1730 Erfindung des Achromaten durch Chester Hall 1730 Short baut das erste Gregory-Teleskop (zwei Spiegel, Paraboloid und Ellipsoid) 1790 Herschelsches Spiegelfernrohr, 122 cm ca. 1800 1840 ca. 1880 Fraunhofer - Linsen (Achromate) mit Durchmessern bis 22 cm Durchmesser Rossesches Spiegelfernrohr, 183 cm Größte Linsenteleskope durch Clark: Yerkes 102 cm, Lick 91 cm, Pulkovo 76 cm 1918 Hooker-Reflektor (Mt. Wilson), 250 cm 1928 B. Schmidt erfindet den komafreien Reflektor mit Korrekturplatte 1948 Hale-Reflektor (Mt. Palomar) 5 m 1974 Zelentschuk-Teleskop (Ural) 6 m 1994 Keck-Teleskop (M. Kea) 10 m 1999 ESO VLT (C. Paranal) 4 mal 8.2 m Angewandte_Optik_1 3 2003 ANGEWANDTE OPTIK 1.1.3 Entwicklung des Mikroskops Datum Ereignis ca. 1590 Erste Konzepte durch H. und Z. Janssen ca. 1670 Verwendung des Einlinsigen Mikroskops (Lupe) durch Leeuwenhoek 1665 ca. 1790 Mehrlinsiges Mikroskop, R. Hooke Achromatische Mikroskope (Dollond) 1830 Kombinierte Achromaten (Lister) 1850 Verbessertes Objektiv durch Amici 1879 Theorie des Auflösungsvermögens durch Ernst Abbe 1928 Erfindung des Elektronenmikroskops 1.1.4 Entwicklung der Optik für die Photographie Datum Ereignis 1839 Daguerrotypie 1840 Porträtlinse von Petzval, f/3.5 1887 Konzentrische Weitfeldlinse durch Schroeder (Ross) 1890 Anastigmat durch Rudolph (Zeiss) Angewandte_Optik_1 4 2003 ANGEWANDTE OPTIK 1.2 Kategorien Optik umspannt heute ein weites Gebiet von den physikalischen Grundlagen zu interdisziplinären Anwendungen. Zur Zeit aktuelle Themenkreise lassen sich Schwerpunkten nach wie folgt einordnen. Die Grenzen sind dabei nicht immer scharf zu ziehen. Auch ist die wirtschaftliche Bedeutung der Themen sehr unterschiedlich. • • • • • • • 1.2.1 Grundlagen • • • • • • • Statistische Optik Geometrische Optik Beugung und Wellenoptik Streuung Nichtlineare Optik Quantenoptik Ultraschnelle Optik 1.2.3 Anwendungen • • • • • • • • 1.2.2 Entwicklungen • • • • • • • • Optischer Design und Herstellung Optische Materialien Flüssigkristalle Ellipsometrie und Polarimetrie Optische Komponenten Diffraktive Optik Fiberoptik und Kommunikation Fourier-Optik und optische Signalverarbeitung Angewandte_Optik_1 Akustooptik Atmosphärische und Ozeanographische Optik Oberflächenoptik Dünnschichtoptik Metrologie und Interferometrie Laser und Laseroptik Integrierte Optik 5 Optoelektronik Spektroskopie Medizinische Optik Sehvermögen und Farben Abbildende Systeme Bildverarbeitung Fernerkundung Automatik und Optik (machine vision) 2003 ANGEWANDTE OPTIK 1.3 Inhalt dieser Vorlesung 1. Einleitung 2. Einführung in die Geometrische Optik und Strahlenrechnung 2.1. Allgemeine Prinzipien 2.2. Optische Systeme und paraxiale Näherung 2.3. Optische Komponenten und Materialien 2.4. Exakte Strahlenrechnung und Aberrationen 2.5. Bewertung der Bildqualität 3. Einführung in die Wellenoptik (noch in Vorbereitung; enthält u. a. folgende Themen:) 3.1. Grundlagen der Fourieroptik 3.2. Kohärente und inkohärente Abbildungen 3.3. Optische Übertragungsfunktion 4. Einführung in die Statistische Optik (auch noch in Vorbereitung) Angewandte_Optik_1 6 2003 ANGEWANDTE OPTIK 1.4 Literatur Lehrbücher: Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III Optik, de Gruyter Literatur zur Geometrischen Optik und Optischem Design: Bruce H. Walker: Optical Engineering Fundamentals, Tutorial Texts in Optical Engineering Vol. TT30, Donald C. O’Shea (Ed.) SPIE Optical Engineering Press, 1998 ISBN 0-8194-2764-0 Donald C. O’Shea: Elements of Modern Optical Design, Wiley 1985 ISBN 0-471-07796-8 Warren J. Smith: Modern Optical Engineering (2nd Ed.), McGraw-Hill 1990 ISBN 0-07-059174-1 Sinclair Optics: OSLO Version 5 Optics Reference 1996 Literatur zum Elektromagnetismus / Wellenoptik: M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Pergamon Press Literatur zur Statistischen Optik: J. W. Goodman: Statistical Optics, Wiley Angewandte_Optik_1 7 2003
