Grundlagen der Optik

Die Messprinzipien vieler industrieller Sensoren beruhen auf optischen Effekten: Lichtschranken, Abstandssensoren, Laserscanner, Kameras und vielen anderen. Meist legen und entwickeln nur wenige Optikspezialisten die darin verwendeten Optiken aus. Es befassen sich vergleichsweise viele Ingenieure und Techniker mit der Produktentwicklung und Anwendung dieser optoelektronischen Sensoren. Das Seminar richtet sich an diesen Personenkreis. Die Grundlagen der Optik werden nur unter Verwendung von Schulmathematik, aber inhaltlich sehr breit und anschaulich erklärt.

Ziel der Weiterbildung

• Sie erhalten ein grundlegendes Verständnis für die Funktionsweise und die Grenzen von optischen Bauteilen.
• Sie erlernen die Inhalte zu den essenziellen Themen, wie Spektrum, Energie: ,, Brechung, Reflexion, Polarisation & Interferenz: „Reflektoren, Laser, Beschichtungen“.
• Sie verbessern Ihre Kommunikation mit Optikspezialisten.
• Sie erlernen die optischen Aspekte bei der Produktentwicklung sowie der Anwendung optischer Sensoren zu berücksichtigen.
• Sie erhalten über Vorträge zu den Themenblöcken, mit Beispielen aus realen optoelektronischen Sensoren einen fundierten Einblick in die Thematik Optik
• Sie vertiefen Ihr Wissen über Übungsaufgaben zu allen Themen.
• Sie haben die Möglichkeit und ausreichend Zeit für Ihre Fragen aus ihrem Anwendungsumfeld.

Methode:

• Fach- und Impulsvorträge
• Anwendungs-, Praxisbeispiele und Übungen
• Praxisberechnungen
• Diskussionen der Anwendungsfälle aus dem Kreis der Teilnehmenden.

Hinweis:

• Bitte bringen Sie Zeichenutensilien mit (z.B. Lineal, Geodreieck, …)

Voraussetzungen:

Elektrotechnische Grundlagen und/oder ingenieurwissenschaftlicher/technischer Hintergrund

Tag 1 - Spektrum & Energie: „Filter, Reichweite und Remission“:
1.    Einleitung und Konzepte

• Geschichte der Optik
• Teilgebiete: geometrische Optik, Wellen- und Quantenoptik
• Grundbegriffe: Wellenlänge, Energie, Polarisation und Kohärenz

2.    Spektrum, Lichtquellen, Detektoren, Materialien und Filter

• optisches Spektrum
• Lichtquellen: Glühlampe, Leuchtstofflampen, LEDs, Laser
• Licht-Detektoren: Photodioden, menschliches Auge
• Farbwahrnehmung
• optische Werkstoffe: Brechungsindex und Dispersion, Glas und Kunststoff
• spektrale Filter und Lumineszenz
• Beispiel: SICK Color Sensor

3.    Energie

• Größen und Einheiten der Radiometrie
• Abstrahlcharakteristik von Quellen, z. B. Lambert-Strahler
• quadratisches Abstandsgesetz
• Streucharakteristik von Oberflächen, z. B. Remission
• Rechenbeispiele aus der Praxis
• Einheiten der Photometrie
• Übung: Reichweite Lichttaster
   

Tag 2 - Brechung & Reflexion: „Linsen, Spiegel und Objektive“
4.    Brechung, Prismen und Linsen

• Brechungsgesetz
• einfache Plan-Optiken: Planplatte und Prisma
• Totalreflexion
• Brechung an Kugelflächen: Linse und Brennweite, 
• Sammellinse, Zerstreu-Linse, konvex, konkav, Hohlspiegel
• paraxiale Näherung
• optische Abbildung (kurze Vorschau): geometrische Bild-Konstruktion

5.    Optische Abbildung & Abbildungsfehler

• optische Abbildung (in paraxialer Näherung)
  Hauptebenen und Strahlengang
  Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab
  Blenden: Pupillen, Luken, FOV, etc.
• Abbildungsfehler
  sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma
  Verzeichnung
• Farbfehler
• Beispiele typischer Abbildungs-Optiken: Laserkollimator, Empfangsasphäre, Objektiv

6.    Objektive

• Lochkamera & ideales Objektiv
• Objektivtypen: C-Mount, 2/3-Zoll, Makro, Weitwinkel, Retrofokus, Tessar, Vario, telezentrisch, …
• Kenngrößen von Objektiven:
  Vignettierung
  MTF (Modulations-Transfer-Funktion)
  Verzeichnung
  Streulicht
• Schärfentiefe
• Beispiel: Datenblatt eines Objektivs

Tag 3 - Polarisation & Interferenz: „Reflektoren, Laser, Beschichtungen“
7.    Polarisation

• Was ist Polarisation?
• Doppelbrechung (kurz)
• einfache Polarisationsoptiken: Linear-Polarisator, Halbwellenplatte, Viertelwellenplatte, Zirkular-Polarisator
• Rechnen mit polarisiertem Licht
• Streuung und Polarisation
• Reflexion und Brechung: Fresnel Gleichungen
  Fresnel Reflex, Totalreflexion, Brewster-Winkel
  Anwendungsbeispiele: Retroreflektor & Spiegelsicherheit

8. Laser

• Laser
  Wechselwirkungen Licht – Materie
  Laserprinzip und Lasertypen
  Gas-, Festkörper- und Halbleiterlaser
• Laserstrahl
  Gaus-Strahl
  Strahlradius im Fokus
  Strahlparameterprodukt
• Laserschutzklassen