Verfügbarkeit: Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Titel:	Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften Aufgaben mit Lösungen
Von:	Rolf Martin
Person:	Martin, Rolf 1942- Verfasser aut
Vorheriger Titel:	Martin, Rolf Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler
Hauptverfasser:	Martin, Rolf 1942- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Deutsch
Veröffentlicht:	München Hanser [2023]
Ausgabe:	2., aktualisierte und erweiterte Auflage
Schlagworte:	Optik MANA2023 Ingenieure Naturwissenschftler Technik Technische Optik Aufgabensammlung
Online-Zugang:	http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=034710820&sequence=000001&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA
Beschreibung:	Ergänzung zum Lehrbuch "Optik für Ingenieure und Naturwissenschaftler" / von E. Hering und R. Martin, 2017
Beschreibung:	251 Seiten Illustrationen, Diagramme (teilweise farbig) 24 cm
ISBN:	9783446478732 3446478736

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MARC


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adam_text	INHALT VORWONS ZUM GELEIT TEIL I AUFGABEN Q\| EINLEITUNG .......................................................................................... 25 1.1 LICHTWELLENLAENGEN ............................................................................................. 25 1.2 WELLENEIGENSCHAFTEN ........................................................................ 25 FI GEOMETRISCHE OPTIK ........................................................................27 2.1 LICHTSTRAHLEN, OPTISCHE ABBILDUNG ................................................................... 27 2.2 FERMAT SCHES PRINZIP ........................................................................................ 27 2.3 REFLEXION VON LICHTSTRAHLEN .............................................................................. 27 2.3.1 REFLEXIONSGESETZ AUS FERMAT SCHEM PRINZIP ........................................ 27 2.3.2 WINKELSPIEGEL ........................................................................................ 27 2.3.3 ROTIERENDE FLUESSIGKEIT ALS PARABOLSPIEGEL ............................................ 28 2.3.4 KONSTRUKTIVE VERFOLGUNG EINES SCHIEFEN STRAHLS BEI EINEM SPIEGEL .. 28 2.3.5 ABBILDUNG EINES WEIT ENTFERNTEN GEGENSTANDS DURCH EINEN HOHLSPIEGEL ........................................................................................... 28 2.3.6 NEWTON SCHE ABBILDUNGSGLEICHUNG BEIM HOHLSPIEGEL ......................... 29 2.3.7 ABBILDUNG DURCH HOHL UND WOELBSPIEGEL .............................................. 29 2.3.8 VERGROESSERUNG EINES KOSMETIKSPIEGELS .................................................. 29 2.4 BRECHUNG DES LICHTS ...................................................................................... 30 2.4.1 BRECHUNGSGESETZ AUS FERMAT SCHEM PRINZIP ........................................ 30 2.4.2 CODENUMMERN OPTISCHER GLAESER ....................... 30 2.4.3 BRECHUNG AN EINEM GLASWUERFEL ............................................................. 30 2.4.4 BRECHUNG UND TOTALREFLEXION AN EINEM PRISMA ..................................... 30 2.4.5 BRECHZAHLBESTIMMUNG ........................................................................... 31 2.4.6 NUMERISCHE APERTUR EINER GLASFASER .................................................... 31 2.4.7 MINIMALER ABLENKWINKEL AM PRISMA .................................................... 31 2.4.8 BAUERNFEIND-PRISMA ............................................................................... 31 2.4.9 ABBE-REFRAKTOMETER ............................................................................... 32 10 INHALT 2.5 BRECHUNG AN GEKRUEMMTEN FLAECHEN .................................................................... 2.5.1 KARTESISCHES OVALOID .............................................................................. 32 2.5.2 VERGLEICH KARTESISCHES OVALOID UND KUGELFLAECHE ................................. 33 2.5.3 STABLINSE MIT ABBE SCHER INVARIANTE ..................................................... 33 2.5.4 KUGELLINSE MIT ABBE SCHER INVARIANTE .................................................... 34 2.5.5 KUGELFOERMIGES AQUARIUM ....................................................................... 34 2.6 ABBILDUNG DURCH LINSEN ................................................................................... 34 2.6.1 LINSE AN LUFT UND WASSER ....................................................................... 34 2.6.2 BRENNWEITE IN ABHAENGIGKEIT VOM UMGEBENDEN MEDIUM ..................... 34 2.6.3 LINSENSCHLEIFERGLEICHUNG ....................................................................... 34 2.6.4 LINSENSCHLEIFERGLEICHUNG ....................................................................... 35 2.6.5 BESSEL-VERFAHREN ZUR BRENNWEITENBESTIMMUNG ................................... 35 2.6.6 ABBILDUNGSFAELLE BEI EINER SAMMELLINSE ................................................ 35 2.6.7 ABBILDUNGSFAELLE BEI EINER ZERSTREUUNGSLINSE ......................................... 35 2.6.8 ABBILDUNG EINES WEIT ENTFERNTEN GEGENSTANDES ................................... 36 2.6.9 LINSENSYSTEM MIT DREI LINSEN ................................................................ 36 2.6.10 DICKE LINSE, FERMAT SCHES PRINZIP ........................................................ 36 2.6.11 ABBILDUNG DURCH EINE DICKE PLANKONVEXLINSE ....................................... 37 2.6.12 BRENNWEITE EINER DICKEN PLANKONVEXLINSE ............................................ 37 2.6.13 BRENNWEITE UND HAUPTEBENEN EINER DICKEN MENISKUSLINSE ................ 37 2.6.14 BRECHKRAFT EINER DICKEN BIKONVEXLINSE................................................. 37 2.6.15 STABLINSE ................................................................................................ 37 2.6.16 ANAMORPHOTISCHE ABBILDUNG ................................................................ 38 2.6.17 LINSENSYSTEM AUS ZWEI SAMMELLINSEN ................................................. 38 2.6.18 LINSENSYSTEM AUS SAMMEL UND ZERSTREUUNGSLINSE ............................ 38 2.6.19 ACHROMAT .............................................................................................. 39 2.6.20 HAUPTEBENEN DICKER LINSEN .................................................................. 39 2.7 MATRIXMETHODEN DER GAUSS SCHEN OPTIK ............................................................ 40 2.7.1 LASERSCHNEIDKOPF ................................................................................. 40 2.7.2 DREILINSIGES SYSTEM .............................................................................40 2.7.3 SYSTEMMATRIX ....................................................................................... 41 2.7.4 KOLLIMATION MIT GRIN-LINSE .................................................................. 41 2.7.5 ABBILDUNG MIT GRIN-LINSE .................................................................... 41 2.7.6 UNTERWASSERLAMPE ............................................................................... 41 2.7.7 DUENNE LINSE IN VERSCHIEDENEN MEDIEN ............................................... 42 2.7.8 KOMBINATION AUS ZERSTREUUNGSLINSE UND HOHLSPIEGEL ........................ 42 2.7.9 KAMERAOBJEKTIV ..................................................................................... 42 2.8 STRAHLBEGRENZUNGEN ........................................................................................... 43 2.8.1 PUPILLEN ................................................................................................. 43 2.8.2 PUPILLENLAGEN UND OEFFNUNGSWINKEL ....................................................... 43 2.8.3 PUPILLEN UND OEFFNUNGSWINKEL EINES SYSTEMS ........................................ 44 2.8.4 LUKEN .....................................................................................................44 2.8.5 LUKEN UND PUPILLEN ................................................................................ 44 2.8.6 FERNROHR MIT FELDBLENDE UND FELDLINSE ............................................... 44 2.8.7 BLENDENLAGE ........................................................................................... 45 2.9 ABBILDUNGSFEHLER ............................................................................................... 45 2.9.1 FEHLERARTEN ........................................................................................... 45 INHALT 11 2.9.2 FARBFEHLER ............................................................................................. 45 2.9.3 LINSENANORDNUNG FUER MINIMALEN OEFFNUNGSFEHLER ............................... 45 2.9.4 LINSE BESTER FORM ................................................................................ 45 2.9.5 REDUKTION DER KOMA ............................................................................. 46 2.9.6 BESEITIGUNG DES ASTIGMATISMUS .........................................................46 2.9.7 ACHROMATISCHES DUBLETT ....................................................................... 46 2.10 OPTISCHE INSTRUMENTE ......................................................................................... 46 2.10.1 AUGENMODELL MIT MATRIZENMETHODEN .................................................. 46 2.10.2 AKKOMODATION DER AUGENLINSE ........................................................... 47 2.10.3 KORREKTUR DER KURZSICHTIGKEIT MIT KONTAKTLINSE ................................. 48 2.10.4 LUPENVERGROESSERUNG ............................................................................ 48 2.10.5 HUYGENS-OKULAR .................................................................................. 48 2.10.6 MIKROSKOPVERGROESSERUNG ....................................................................... 48 2.10.7 FOERDERLICHE VERGROESSERUNG EINES MIKROSKOPS ....................................... 49 2.10.8 ASTRONOMISCHES FERNROHR ..................................................................... 49 2.10.9 GALILEI SCHES FERNROHR ......................................................................... 49 2.10.10 AUFLOESUNGSVERMOEGEN EINER DIGITALKAMERA .......................................... 49 2.10.11 SCHAERFENTIEFE BEI NAHAUFNAHMEN ........................................................ 50 EL RADIO UND FOTOMETRIE ..................................................................... 51 3.1 STRAHLUNGSPHYSIKALISCHE GROESSEN, RADIOMETRIE .................................................. 51 3.1.1 KOLLIMATIONSAUSBEUTE BEI KUGELSTRAHLER .............................................. 51 3.1.2 KOLLIMATIONSAUSBEUTE BEI LAMBERT-STRAHLER ......................................... 51 3.1.3 ABSTRAHLUNG EINER LED ......................................................................... 52 3.1.4 EBENE FLAECHE STRAHLT AUF DETEKTOR ........................................................ 52 3.1.5 STRAHLDICHTE EINER DIFFUS REFLEKTIERENDEN FLAECHE ................................. 53 3.1.6 WIEN SCHES VERSCHIEBUNGSGESETZ .......................................................... 53 3.1.7 STEFAN-BOLTZMANN-GESETZ ....................................................................... 53 3.1.8 LICHTLEITWERT ..................................................................... 53 3.2 ERFASSEN UND TRANSFER DER STRAHLUNG VON LAMPEN ........................................... 54 3.2.1 KENNGROESSEN ............................................................................................ 54 3.2.2 ULBRICHTKUGEL .......................................................................................... 54 3.2.3 BESTRAHLUNGSSTAERKE IN DER ULBRICHTKUGEL .............................................. 54 3.3 LICHTTECHNISCHE GROESSEN, FOTOMETRIE .................................................................. 55 3.3.1 LICHTSTROM EINER ROTEN LED ................................................................... 55 3.3.2 LICHTSTROM EINER WOLFRAM-HALOGEN-LAMPE ............................................ 55 3.3.3 HELLEMPFINDLICHKEITSGRAD ....................................................................... 56 3.3.4 ABSTRAHLCHARAKTERISTIK EINER LED .......................................................... 56 3.3.5 STRASSENBELEUCHTUNG ............................................................................... 57 3.3.6 LEUCHTDICHTE DER SONNE ......................................................................... 57 3.4 LICHTTECHNISCHE GROESSEN, FOTOMETRIE .................................................................. 58 3.4.1 FARBWERTANTEILE EINES SCHWARZEN STRAHLERS ........................................... 58 3.4.2 FARBWERTANTEILE EINER LED ..................................................................... 58 3.4.3 FARBWERTANTEILE EINER WOLFRAM-HALOGEN-LAMPE................................... 60 3.4.4 FARBMISCHUNG ........................................................................................ 60 12 INHALT Q WELLENOPTIK ....................................................................................... 61 4.1 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ............................................................................... 61 4.1.1 SICHTBARES SPEKTRUM ........................................................................... 61 4.1.2 WELLENGLEICHUNG IN ABHAENGIGKEIT VON DER LAUFRICHTUNG ..................... 61 4.1.3 LAUFRICHTUNG EINER WELLE ..................................................................... 61 4.1.4 KUGELWELLE ............................................................................................ 61 4.1.5 EBENE WELLEN IN VERSCHIEDENEN RICHTUNGEN ....................................... 62 4.1.6 FELDSTAERKEN SOLARER STRAHLUNG .............................................................. 62 4.2 POLARISATION DES LICHTS ....................................................................................... 62 4.2.1 POLARISATIONSFORMEN ............................................................................. 62 4.2.2 JONES-VEKTOREN ...................................................................................... 62 4.2.3 INTERPRETATION VON JONES-VEKTOREN ...................................................... 63 4.2.4 GESETZ VON MALUS ................................................................................. 63 4.2.5 VIERTEL UND HALBWELLENPLATTE .............................................................. 63 4.2.6 JONES MATRIZEN .................................................................................... 63 4.2.7 POLARISATION DURCH REFLEXION ................................................................ 63 4.2.8 POLARISATIONSFOLIEN ............................................................................... 64 4.2.9 GESETZ VON MALUS MIT REALEN POLARISATOREN ......................................... 64 4.2.10 TRIPEL-POLARISATOR ................................................................................. 64 4.2.11 INDEXELLIPSOID IN EINACHSIGEN KRISTALLEN ............................................. 65 4.2.12 GLAN-TAYLOR-PRISMA............................................................................... 65 4.2.13 ROCHON-PRISMA ....................................................................................... 65 4.2.14 2/2-PLATTE NULLTER ORDNUNG ................................................................... 66 4.2.15 LICHT-MODULATOR..................................................................................... 66 4.3 LICHTWELLEN AN GRENZFLAECHEN .............................................................................. 66 4.3.1 FRESNEL SCHE GLEICHUNGEN .................................................................... 66 4.3.2 FRESNEL-RHOMBUS ................................................................................. 66 4.3.3 TOTALREFLEXION......................................................................................... 67 4.3.4 REFLEXION AN EINER METALLOBERFLAECHE .................................................... 67 4.4 INTERFERENZ .......................................................................................................... 67 4.4.1 GANGUNTERSCHIED ................................................................................... 67 4.4.2 ZWEISTRAHLINTERFERENZ ........................................................................... 68 4.4.3 LASER-ARRAY ........................................................................................... 68 4.4.4 DOPPELSPALT ........................................................................................... 68 4.4.5 KOHAERENZEIGENSCHAFTEN EINES HALBLEITERLASERS ................................... 69 4.4.6 KOHAERENZEIGENSCHAFTEN EINER SPEKTRALLAMPE ..................................... 69 4.4.7 GRUPPENINDEX ....................................................................................... 69 4.4.8 GRUPPENINDEX VON QUARZGLAS .............................................................. 69 4.4.9 HOLOGRAFISCHES GITTER ........................................................................... 70 4.4.10 STEHENDE WELLEN IM LASER-RESONATOR ................................................... 70 4.4.11 FARBREFLEXE EINER SEIFENLAMELLE ............................................................ 71 4.4.12 FIZEAU-STREIFEN....................................................................................... 71 4.4.13 REFLEXVERMINDERNDE EINFACHSCHICHT ..................................................... 71 4.4.14 REFLEXVERMINDERNDE EINFACHSCHICHT FUER UNTERWASSERKAMERA .............. 72 4.4.15 DIELEKTRISCHER SPIEGEL .......................................................................... 72 4.4.16 MICHELSON-INTERFEROMETER ...................................................................... 72 INHALT 13 4.4.17 WAERMEAUSDEHNUNG MIT MICHELSON-INTERFEROMETER .............................. 72 4.4.18 FABRY-PEROT-INTERFEROMETER .................................................................. 73 4.4.19 FABRY-PEROT-INTERFEROMETER - AUFLOESUNGSVERMOEGEN ............................. 73 4.5 BEUGUNG .............................................................................................................. 73 4.5.1 HUYGENS SCHES PRINZIP .......................................................................... 73 4.5.2 SPALTBEUGUNG .......................................................................................... 74 4.5.3 BEUGUNG AM RECHTECKSPALT ................................................................... 74 4.5.4 INTENSITAETSVERHAELTNISSE BEI DER SPALTBEUGUNG ....................................... 75 4.5.5 LINSENFOKUS ............................................................................................ 75 4.5.6 AUFLOESUNGSVERMOEGEN DES AUGES UND PIXELBILDER ................................. 75 4.5.7 AIRY-SCHEIBCHEN ..................................................................................... 4.5.8 DOPPELSPALT ............................................................................................ 76 4.5.9 AUFLOESUNG EINES GITTERS ......................................................................... 76 4.5.10 SPEKTROMETER MIT REFLEXIONSGITTER ........................................................ 77 4.5.11 LINEARE DISPERSION ................................................................................. 77 4.6 GAUSS SCHE STRAHLEN ............................................................................................ 77 4.6.1 STRAHLRADIUS ........................................................................................... 77 4.6.2 LUNAR LASER RANGING ............................................................................ 77 4.6.3 GAUSSSTRAHL ............................................................................................. 78 4.6.4 LASERFOKUSSIERUNG ................................................................................ 78 4.6.5 LASER MIT GERINGER DIVERGENZ .............................................................. 79 4.7 HOLOGRAFIE .......................................................................................................... 7 9 4.7.1 WEISSLICHTHOLOGRAMM ........................................................................... 7 9 4.7.2 INTENSITAETSVERLAUF BEI HOLOGRAMM-BELICHTUNG ...................................... 80 YY QUANTENOPTIK ..................................................................................... 81 5.1 LICHTQUANTEN ...................................................................................................... 81 5.1.1 AEUSSERER FOTOEFFEKT ............................................................................... 81 5.1.2 INNERER FOTOEFFEKT ................................................................................. 81 5.1.3 LICHTDRUCK ............................................................................................ 81 5.1.4 DRUCK SOLARER PHOTONEN ......................................................................... 82 5.1.5 PHOTONENENERGIEN UND -IMPULSE ............................................................ 83 5.1.6 ELEKTRON-PHOTON-STOSS ............................................................................. 83 5.2 WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS ................................................................................. 83 5.2.1 ANTREFFWAHRSCHEINLICHKEIT GEBEUGTER PHOTONEN ................................... 83 5.3 ABSORPTION UND EMISSION VON LICHT .................................................................. 84 5.3.1 PHOTONABSORPTION ................................................................................... 84 5.3.2 IMPULS UND ENERGIEERHALTUNG BEI DER EMISSION .................................... 84 5.3.3 LEBENSDAUER ANGEREGTER ELEKTRONEN UND SPEKTRALE LINIENBREITE .... 85 5.4 LASER .................................................................................................................... 85 5.4.1 VERSTAERKUNG EINES LASERS .................................................................... ... 5.4.2 REFLEXIONSGRAD VON LASERSPIEGELN ......................................................... 85 5.4.3 FREQUENZAENDERUNG INFOLGE VON LAENGENAENDERUNG ................................. 85 5.4.4 MONOMODE-LASER.................................................................................... 85 5.4.5 LASER-PULSE.............................................................................................. 86 5.4.6 FEMTOSEKUNDENLASER .............................................................................. 86 14 INHALT ( OPTOELEKTRONIK ................................................................................ 87 6.1 HALBLEITER-SENDER ............................................................................................. 87 6.1.1 TEMPERATURDRIFT DER LED-FARBE ............................................................. 87 6.1.2 WIRKUNGSGRADE EINER LED ..................................................................... 87 6.1.3 PLASTIK-VERGUSSKOERPER EINER LED ........................................................... 87 6.1.4 MODULATION EINER IRED ........................................................................... 88 6.1.5 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER LASERSCHWELLE ........................................ 89 6.1.6 ABSTAND LONGITUDINALER MODEN ............................................................. 89 6.1.7 MODENSPRUENGE ...................................................................................... 89 6.1.8 MODULATION EINES HALBLEITERLASERS .......................................................... 90 6.1.9 LASERSCHWELLE ....................................................................................... 90 6.1.10 DFB-LASER .............................................................................................. 90 6.2 HALBLEITER-DETEKTOREN ......................................................................................... 6.2.1 EINDRINGTIEFE VON PHOTONEN .................................................................. 90 6.2.2 QUANTENAUSBEUTE UND EMPFINDLICHKEIT ............................................... 91 6.2.3 DETEKTIVITAET VON PIN-FOTODIODEN ............................................................ 91 6.2.4 LAWINENFOTODIODE ................................................................................. 91 6.2.5 SILICIUM-FOTODIODE ................................................................................. 91 Q FUEHRUNG VON LICHT IN LICHTWELLENLEITERN ........................................93 7.1 EINLEITUNG ....................................................................................................... 93 7.1.1 EIGENSCHAFTEN VON LICHTWELLENLEITERN ................................................... 93 7.2 SCHICHTWELLENLEITER .......................................................................................... 93 7.2.1 DOPPELHETEROSTRUKTUR ............................................................................ 93 7.3 WELLEN IN ZYLINDRISCHEN FASERN ......................................................................... 93 7.3.1 STUFENINDEX-FASER .................................................................................. 93 7.3.2 MONOMODE-FASER................................................................................... 94 7.3.3 ZUSAMMENSETZUNG DES FASERKERNS ....................................................... 94 7.4 DAEMPFUNG IN LICHTWELLENLEITERN ....................................................................... 94 7.4.1 DAEMPFUNGSKOEFFIZIENT .......................................................................... 94 7.4.2 DAEMPFUNG IN PMMA .............................................................................. 95 7.4.3 ABSCHNEIDEMETHODE .............................................................................. 95 7.4.4 WECHSEL DES SENDELASERS ...................................................................... 95 7.4.5 NACHRICHTENUEBERTRAGUNG AUF POF ......................................................... 95 7.5 DISPERSION IM LICHTWELLENLEITER ....................................................................... 96 7.5.1 BITRATEEINERSTUFENINDEX-FASER ............................................................. 96 7.5.2 BITRATE EINER PLASTIKFASER ...................................................................... 96 7.5.3 KOMBINATION VON DISPERSIONSMECHANISMEN ........................................ 96 7.5.4 DISPERSION EINER MULTIMODEFASER ......................................................... 96 INHALT 15 TEIL II LOESUNGEN EL EINLEITUNG ........................................................................................99 1.1 LICHTWELLENLAENGEN .............................................................................................. 99 1.2 WELLENEIGENSCHAFTEN ........................................................................................ 99 FA GEOMETRISCHE OPTIK ....................................................................... 101 2.1 LICHTSTRAHLEN, OPTISCHE ABBILDUNG ................................................................. 101 2.3 REFLEXION VON LICHTSTRAHLEN ............................................................................. 101 2.3.1 REFLEXIONSGESETZ AUS FERMAT SCHEM PRINZIP ....................................... 101 2.3.2 WINKELSPIEGEL ...................................................................................... 101 2.3.3 ROTIERENDE FLUESSIGKEIT ALS PARABOLSPIEGEL .......................................... 102 2.3.4 KONSTRUKTIVE VERFOLGUNG EINES SCHIEFEN STRAHLS BEI EINEM SPIEGEL . 103 2.3.5 ABBILDUNG EINES WEIT ENTFERNTEN GEGENSTANDS DURCH EINEN HOHLSPIEGEL ......................................................................................... 103 2.3.6 NEWTON SCHE ABBILDUNGSGLEICHUNG BEIM HOHLSPIEGEL ....................... 103 2.3.7 ABBILDUNG DURCH HOHL UND WOELBSPIEGEL ............................................ 104 2.3.8 VERGROESSERUNG EINES KOSMETIKSPIEGELS ............................................... 104 2.4 BRECHUNG DES LICHTS ........................................................................................ 105 2.4.1 BRECHUNGSGESETZ AUS FERMAT SCHEM PRINZIP ....................................... 105 2.4.2 CODENUMMERN OPTISCHER GLAESER .......................................................... 106 2.4.3 BRECHUNG AN EINEM GLASWUERFEL ............................................................ 106 2.4.4 BRECHUNG UND TOTALREFLEXION AN EINEM PRISMA ................................... 106 2.4.5 BRECHZAHLBESTIMMUNG ......................................................................... 107 2.4.6 NUMERISCHE APERTUR EINER GLASFASER .................................................. 107 2.4.7 MINIMALER ABLENKWINKEL AM PRISMA .................................................. 107 2.4.8 BAUERNFEIND-PRISMA ............................................................................. 109 2.4.9 ABBE-REFRAKTOMETER ............................................................................. 110 2.5 BRECHUNG AN GEKRUEMMTEN FLAECHEN .................................................................. 111 2.5.1 KARTESISCHES OVALOID ............................................................................. 111 2.5.2 VERGLEICH KARTESISCHES OVALOID UND KUGELFLAECHE ............................... 112 2.5.3 STABLINSE MIT ABBE SCHER INVARIANTE .................................................... 112 2.5.4 KUGELLINSE MIT ABBE SCHER INVARIANTE .................................................. 112 2.5.5 KUGELFOERMIGES AQUARIUM ..................................................................... 113 2.6 ABBILDUNG DURCH LINSEN ................................................................................. 113 2.6.1 LINSE AN LUFT UND WASSER ..................................................................... 113 2.6.2 BRENNWEITE IN ABHAENGIGKEIT VOM UMGEBENDEN MEDIUM .................... 114 2.6.3 LINSENSCHLEIFERGLEICHUNG ..................................................................... 114 2.6.4 LINSENSCHLEIFERGLEICHUNG ..................................................................... 115 2.6.5 BESSEL-VERFAHREN ZUR BRENNWEITENBESTIMMUNG ................................. 115 2.6.6 ABBILDUNGSFAELLE BEI EINER SAMMELLINSE ............................................... 116 2.6.7 ABBILDUNGSFAELLE BEI EINER ZERSTREUUNGSLINSE ....................................... 116 2.6.8 ABBILDUNG EINES WEIT ENTFERNTEN GEGENSTANDES .................................. 116 2.6.9 LINSENSYSTEM MIT DREI LINSEN .............................................................. 117 2.6.10 DICKE LINSE, FERMAT SCHES PRINZIP ....................................................... 118 2.6.11 ABBILDUNG DURCH EINE DICKE PLANKONVEXLINSE ..................................... 118 16 INHALT 2.6.12 BRENNWEITE EINER DICKEN PLANKONVEXLINSE .......................................... 119 2.6.13 BRENNWEITE UND HAUPTEBENEN EINER DICKEN MENISKUSLINSE ............. 119 2.6.14 BRECHKRAFT EINER DICKEN BIKONVEXLINSE ............................................... 119 2.6.15 STABLINSE ............................................................................................... 120 2.6.16 ANAMORPHOTISCHE ABBILDUNG ................................................................ 2.6.17 LINSENSYSTEM AUS ZWEI SAMMELLINSEN .............................................. 122 2.6.18 LINSENSYSTEM AUS SAMMEL UND ZERSTREUUNGSLINSE ......................... 123 2.6.19 ACHROMAT ............................................................................................ 123 2.6.20 HAUPTEBENEN DICKER LINSEN ................................................................ 124 2.7 MATRIXMETHODEN DER GAUSS SCHEN OPTIK .......................................................... 126 2.7.1 LASERSCHNEIDKOPF ............................................................................... 126 2.7.2 DREILINSIGES SYSTEM ........................................................................... 127 2.7.3 SYSTEMMATRIX ..................................................................................... 128 2.7.4 KOLLIMATION MIT GRIN-LINSE ................................................................ 129 2.7.5 ABBILDUNG MIT GRIN-LINSE .................................................................. 130 2.7.6 UNTERWASSERLAMPE ............................................................................. 131 2.7.7 DUENNE LINSE IN VERSCHIEDENEN MEDIEN ............................................. 133 2.7.8 KOMBINATION AUS ZERSTREUUNGSLINSE UND HOHLSPIEGEL ...................... 134 2.7.9 KAMERAOBJEKTIV ................................................................................... 135 2.8 STRAHLBEGRENZUNGEN ........................................................................................... 2.8.1 PUPILLEN ............................................................................................. ... 2.8.2 PUPILLENLAGEN UND OEFFNUNGSWINKEL ..................................................... 136 2.8.3 PUPILLEN UND OEFFNUNGSWINKEL EINES SYSTEMS ..................................... 138 2.8.4 LUKEN .................................................................................................... 2.8.5 LUKEN UND PUPILLEN .............................................................................. 139 2.8.6 FERNROHR MIT FELDBLENDE UND FELDLINSE ............................................ 140 2.8.7 BLENDENLAGE ........................................................................................ 142 2.9 ABBILDUNGSFEHLER ............................................................................................. 2.9.1 FEHLERARTEN ........................................................................................ 143 2.9.2 FARBFEHLER ............................................................................................. 2.9.3 LINSENANORDNUNG FUER MINIMALEN OEFFNUNGSFEHLER .............................. 143 2.9.4 LINSE BESTER FORM .............................................................................. 143 2.9.5 REDUKTION DER KOMA .......................................................................... 144 2.9.6 BESEITIGUNG DES ASTIGMATISMUS ......................................................... 144 2.9.7 ACHROMATISCHES DUBLETT ..................................................................... 144 2.10 OPTISCHE INSTRUMENTE ....................................................................................... 145 2.10.1 AUGENMODELL MIT MATRIZENMETHODEN ................................................. 145 2.10.2 AKKOMODATION DER AUGENLINSE ........................................................... 147 2.10.3 KORREKTUR DER KURZSICHTIGKEIT MIT KONTAKTLINSE ................................ 148 2.10.4 LUPENVERGROESSERUNG .......................................................................... . 2.10.5 HUYGENS-OKULAR ................................................................................... 2.10.6 MIKROSKOPVERGROESSERUNG ........................................................................ 2.10.7 FOERDERLICHE VERGROESSERUNG EINES MIKROSKOPS ...................................... 151 2.10.8 ASTRONOMISCHES FERNROHR .................................................................... 152 2.10.9 GALILEI SCHES FERNROHR ........................................................................ 153 2.10.10 AUFLOESUNGSVERMOEGEN EINER DIGITALKAMERA .......................................... 154 2.10.11 SCHAERFENTIEFE BEI NAHAUFNAHMEN ....................................................... 154 INHALT 17 KL RADIO-UND FOTOMETRIE ................................................................ 157 3.1 STRAHLUNGSPHYSIKALISCHE GROESSEN, RADIOMETRIE ............................................... 157 3.1.1 KOLLIMATIONSAUSBEUTE BEI KUGELSTRAHLER .............................................. 157 3.1.2 KOLLIMATIONSAUSBEUTE BEI LAMBERT-STRAHLER ......................................... 157 3.1.3 ABSTRAHLUNG EINER LED ......................................................................... 158 3.1.4 EBENE FLAECHE STRAHLT AUF DETEKTOR ........................................................ 159 3.1.5 STRAHLDICHTE EINER DIFFUS REFLEKTIERENDEN FLAECHE ................................. 160 3.1.6 WIEN SCHES VERSCHIEBUNGSGESETZ ........................................................ 161 3.1.7 STEFAN-BOLTZMANN-GESETZ ..................................................................... 161 3.1.8 LICHTLEITWERT .......................................................................................... 162 3.2 ERFASSEN UND TRANSFER DER STRAHLUNG VON LAMPEN ........................................... 163 3.2.1 KENNGROESSEN .......................................................................................... 163 3.2.2 ULBRICHTKUGEL ........................................................................................ 164 3.2.3 BESTRAHLUNGSSTAERKE IN DER ULBRICHTKUGEL ............................................ 165 3.3 LICHTTECHNISCHE GROESSEN, FOTOMETRIE ................................................................ 166 3.3.1 LICHTSTROM EINER ROTEN LED ................................................................. 166 3.3.2 LICHTSTROM EINER WOLFRAM-HALOGEN-LAMPE ........................................... 167 3.3.3 HELLEMPFINDLICHKEITSGRAD ..................................................................... 168 3.3.4 ABSTRAHLCHARAKTERISTIK EINER LED ........................................................ 169 3.3.5 STRASSENBELEUCHTUNG ............................................................................. 169 3.3.6 LEUCHTDICHTE DER SONNE ....................................................................... 170 3.4 LICHTTECHNISCHE GROESSEN, FOTOMETRIE ................................................................ 172 3.4.1 FARBWERTANTEILE EINES SCHWARZEN STRAHLERS ......................................... 172 3.4.2 FARBWERTANTEILE EINER LED ................................................................... 172 3.4.3 FARBWERTANTEILE EINER WOLFRAM-HALOGEN-LAMPE ................................. 173 3.4.4 FARBMISCHUNG ...................................................................................... 174 YY WELLENOPTIK .................................................................................. 177 4.1 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN .............................................................................. 177 4.1.1 SICHTBARES SPEKTRUM ........................................................................... 177 4.1.2 WELLENGLEICHUNG IN ABHAENGIGKEIT VON DER LAUFRICHTUNG .................... 177 4.1.3 LAUFRICHTUNG EINER WELLE ..................................................................... 177 4.1.4 KUGELWELLE ............................................................................................ 177 4.1.5 EBENE WELLEN IN VERSCHIEDENEN RICHTUNGEN ....................................... 178 4.1.6 FELDSTAERKEN SOLARER STRAHLUNG .............................................................. 179 4.2 POLARISATION DES LICHTS ..................................................................................... 179 4.2.1 POLARISATIONSFORMEN ............................................................................. 179 4.2.2 JONES-VEKTOREN ...................................................................................... 179 4.2.3 INTERPRETATION VON JONES-VEKTOREN ...................................................... 181 4.2.4 GESETZ VON MALUS ................................................................................. 182 4.2.5 VIERTEL-UND HALBWELLENPLATTE .............................................................. 183 4.2.6 JONES MATRIZEN .................................................................................... 184 4.2.7 POLARISATION DURCH REFLEXION ................................................................ 186 4.2.8 POLARISATIONSFOLIEN ............................................................................... 187 4.2.9 GESETZ VON MALUS MIT REALEN POLARISATOREN ......................................... 187 4.2.10 TRIPEL-POLARISATOR ................................................................................. 188 18 INHALT 4.2.11 INDEXELLIPSOID IN EINACHSIGEN KRISTALLEN ............................................ 189 4.2.12 GLAN-TAYLOR-PRISMA .............................................................................. 190 4.2.13 ROCHON-PRISMA...................................................................................... 190 4.2.14 2/2-PLATTE NULLTER ORDNUNG ................................................................... 191 4.2.15 LICHT-MODULATOR.................................................................................. 192 4.3 LICHTWELLEN AN GRENZFLAECHEN ........................................................................... 194 4.3.1 FRESNEL SCHE GLEICHUNGEN ................................................................. 194 4.3.2 FRESNEL-RHOMBUS ................................................................................ 195 4.3.3 TOTALREFLEXION........................................................................................ 196 4.3.4 REFLEXION AN EINER METALLOBERFLAECHE ................................................... 196 4.4 INTERFERENZ ........................................................................................................ 197 4.4.1 GANGUNTERSCHIED .................................................................................. 197 4.4.2 ZWEISTRAHLINTERFERENZ .......................................................................... 198 4.4.3 LASER-ARRAY ......................................................................................... 198 4.4.4 DOPPELSPALT ......................................................................................... 199 4.4.5 KOHAERENZEIGENSCHAFTEN EINES HALBLEITERLASERS .................................. 200 4.4.6 KOHAERENZEIGENSCHAFTEN EINER SPEKTRALLAMPE .................................... 200 4.4.7 GRUPPENINDEX ..................................................................................... 200 4.4.8 GRUPPENINDEX VON QUARZGLAS ............................................................. 201 4.4.9 HOLOGRAFISCHES GITTER .......................................................................... 201 4.4.10 STEHENDE WELLEN IM LASER-RESONATOR ................................................. 202 4.4.11 FARBREFLEXE EINER SEIFENLAMELLE ........................................................... 202 4.4.12 FIZEAU-STREIFEN..................................................................................... 203 4.4.13 REFLEXVERMINDERNDE EINFACHSCHICHT ................................................... 203 4.4.14 REFLEXVERMINDERNDE EINFACHSCHICHT FUER UNTERWASSERKAMERA ........... 204 4.4.15 DIELEKTRISCHER SPIEGEL ........................................................................ 204 4.4.16 MICHELSON-INTERFEROMETER .................................................................... 205 4.4.17 WAERMEAUSDEHNUNG MIT MICHELSON-INTERFEROMETER ............................ 205 4.4.18 FABRY-PEROT-INTERFEROMETER ................................................................ 205 4.4.19 FABRY-PEROT-INTERFEROMETER - AUFLOESUNGSVERMOEGEN .......................... 207 4.5 BEUGUNG ........................................................................................................... 208 4.5.1 HUYGENS SCHES PRINZIP ........................................................................ 208 4.5.2 SPALTBEUGUNG ....................................................................................... 209 4.5.3 BEUGUNG AM RECHTECKSPALT ................................................................ 209 4.5.4 INTENSITAETSVERHAELTNISSE BEI DER SPALTBEUGUNG .................................... 210 4.5.5 LINSENFOKUS ......................................................................................... 211 4.5.6 AUFLOESUNGSVERMOEGEN DES AUGES UND PIXELBILDER .............................. 211 4.5.7 AIRY-SCHEIBCHEN ................................................................................. 212 4.5.8 DOPPELSPALT ......................................................................................... 212 4.5.9 AUFLOESUNG EINES GITTERS ...................................................................... 213 4.5.10 SPEKTROMETER MIT REFLEXIONSGITTER ..................................................... 214 4.5.11 LINEARE DISPERSION .............................................................................. 214 4.6 GAUSS SCHE STRAHLEN ......................................................................................... 215 4.6.1 STRAHLRADIUS ......................................................................................... 215 4.6.2 LUNAR LASER RANGING .......................................................................... 215 4.6.3 GAUSSSTRAHL ........................................................................................... 216 4.6.4 LASERFOKUSSIERUNG .............................................................................. 217 INHALT 19 4.6.5 LASER MIT GERINGER DIVERGENZ .............................................................. 217 4.7 HOLOGRAFIE ....................................................................................................... 218 4.7.1 WEISSLICHTHOLOGRAMM .......................................................................... 218 4.7.2 INTENSITAETSVERLAUF BEI HOLOGRAMM-BELICHTUNG .................................... 219 YY QUANTENOPTIK .................................................................................. 221 5.1 LICHTQUANTEN .................................................................................................... 221 5.1.1 AEUSSERER FOTOEFFEKT .............................................................................. 221 5.1.2 INNERER FOTOEFFEKT ................................................................................ 222 5.1.3 LICHTDRUCK ........................................................................................... 222 5.1.4 DRUCK SOLARER PHOTONEN ...................................................................... 222 5.1.5 PHOTONENENERGIEN UND -IMPULSE ......................................................... 223 5.1.6 ELEKTRON-PHOTON-STOSS .......................................................................... 223 5.2 WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS............................................................................... 225 5.2.1 ANTREFFWAHRSCHEINLICHKEIT GEBEUGTER PHOTONEN ................................ 225 5.3 ABSORPTION UND EMISSION VON LICHT ................................................................. 227 5.3.1 PHOTONABSORPTION ................................................................................ 227 5.3.2 IMPULS UND ENERGIEERHALTUNG BEI DER EMISSION ................................. 227 5.3.3 LEBENSDAUER ANGEREGTER ELEKTRONEN UND SPEKTRALE LINIENBREITE ... 228 5.4 LASER ................................................................................................................. 229 5.4.1 VERSTAERKUNG EINES LASERS ..................................................................... 229 5.4.2 REFLEXIONSGRAD VON LASERSPIEGELN ....................................................... 229 5.4.3 FREQUENZAENDERUNG INFOLGE VON LAENGENAENDERUNG ............................... 229 5.4.4 MONOMODE-LASER .................................................................................. 230 5.4.5 LASER-PULSE............................................................................................ 230 5.4.6 FEMTOSEKUNDENLASER ............................................................................ 231 YY OPTOELEKTRONIK ............................................................................. 233 6.1 HALBLEITER-SENDER ............................................................................................. 233 6.1.1 TEMPERATURDRIFT DER LED-FARBE ........................................................... 233 6.1.2 WIRKUNGSGRADE EINER LED ............................................................. 233 6.1.3 PLASTIK-VERGUSSKOERPER EINER LED ......................................................... 234 6.1.4 MODULATION EINER IRED ......................................................................... 234 6.1.5 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER LASERSCHWELLE ...................................... 235 6.1.6 ABSTAND LONGITUDINALER MODEN ........................................................... 235 6.1.7 MODENSPRUENGE ...................................................................................... 236 6.1.8 MODULATION EINES HALBLEITERLASERS ........................................................ 237 6.1.9 LASERSCHWELLE ...................................................................................... 237 6.1.10 DFB-LASER .............................................................................................. 238 6.2 HALBLEITER-DETEKTOREN ....................................................................................... 238 6.2.1 EINDRINGTIEFE VON PHOTONEN ................................................................. 238 6.2.2 QUANTENAUSBEUTE UND EMPFINDLICHKEIT .............................................. 238 6.2.3 DEFEKTIVITAET VON PIN-FOTODIODEN ............................................................ 239 6.2.4 LAWINENFOTODIODE ................................................................................ 239 6.2.5 SILICIUM-FOTODIODE ................................................................................. 239 20 INHALT Q FUEHRUNG VON LICHT IN LICHTWELLENLEITERN ...................................... 241 7.1 EINLEITUNG ........................................................................................................ 241 7.1.1 EIGENSCHAFTEN VON LICHTWELLENLEITERN ................................................. 241 7.2 SCHICHTWELLENLEITER .......................................................................................... 241 7.2.1 DOPPELHETEROSTRUKTUR .......................................................................... 241 7.3 WELLEN IN ZYLINDRISCHEN FASERN ....................................................................... 242 7.3.1 STUFENINDEX-FASER ................................................................................ 242 7.3.2 MONOMODE-FASER.................................................................................. 243 7.3.3 ZUSAMMENSETZUNG DES FASERKERNS ...................................................... 244 7.4 DAEMPFUNG IN LICHTWELLENLEITERN ...................................................................... 245 7.4.1 DAEMPFUNGSKOEFFIZIENT ......................................................................... 245 7.4.2 DAEMPFUNG IN PMMA ............................................................................. 246 7.4.3 ABSCHNEIDEMETHODE ............................................................................ 247 7.4.4 WECHSEL DES SENDELASERS ..................................................................... 247 7.4.5 NACHRICHTENUEBERTRAGUNG AUF POF ........................................................ 248 7.5 DISPERSION IM LICHTWELLENLEITER ...................................................................... 248 7.5.1 BITRATE EINER STUFENINDEX-FASER ............................................................ 248 7.5.2 BITRATE EINER PLASTIKFASER ..................................................................... 249 7.5.3 KOMBINATION VON DISPERSIONSMECHANISMEN ....................................... 249 7.5.4 DISPERSION EINER MULTIMODEFASER ........................................................ 250
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