Optische Sensorik

Frontmatter

1. Geometrische Optik

Zusammenfassung

Die Lehre vom Licht befasst sich mit Erscheinungen, die wir mit unseren Augen bzw. optischen Apparaturen wahrnehmen können. Es gibt eine lange Tradition und mehrere historische Umwälzungen im Verständnis optischer Phänomene. Die grundlegende Idee über das Wesen des Lichtes und seine Ausbreitung hat sich mehrfach gewandelt zwischen teilweise gegensätzlichen Auffassungen.

Martin Löffler-Mang

2. Elektromagnetische Wellen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel tauchen wir erstmals tiefer ein in die Wellennatur des Lichts. Wir werden sehen, dass elektrische Felder sowohl von elektrischen Ladungen als auch von zeitlich sich ändernden magnetischen Feldern erzeugt werden können. Andererseits können magnetische Felder sowohl von elektrischen Strömen als auch von zeitlich sich ändernden elektrischen Feldern erzeugt werden.

Martin Löffler-Mang

3. Gauß-Strahlen

Zusammenfassung

Wir haben im vorangegangenen Kapitel gesehen, dass die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen durch eine Wellengleichung beschrieben wird, die aus den Maxwell-Gleichungen hergeleitet werden kann:

$$ \frac{{{\partial }^{2}}E}{\partial {{x}^{2}}}=\frac{1}{{{c}^{2}}}\frac{{{\partial }^{2}}E}{\partial {{t}^{2}}}\ $$

(3-1)

Als Lösung für diese Gleichung haben wir die ebene Welle kennen gelernt, die aber einen realen Lichtstrahl und im besonderen einen Laserstrahl schlecht beschreibt.

Martin Löffler-Mang

4. Termschema und Energiebänder

Zusammenfassung

Als Quelle von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren Bereich haben wir im 2. Kapitel Vorgänge in Atomhüllen identifiziert, deshalb folgt nun ein kleiner Ausflug in die Atomphysik. Da Atome zu klein sind, um sie direkt zu beobachten, wurden die wesentlichen Erkenntnisse über den Bau der Atome aus spektroskopischen Untersuchungen und aus Streuexperimenten gewonnen.

Martin Löffler-Mang

5. Quantenoptik

Zusammenfassung

Mit diesem Kapitel vertiefen wir die Beschreibung von Licht im Teilchenbild, wir werden uns also mit Lichtquanten oder Photonen befassen. Im vorangegangenen Kapitel hatten wir gesehen, dass Elektronen beim Übergang von einem höheren zu einem geringeren Energieniveau Lichtquanten mit der Energie E = hν aussenden. Wir hatten das für ein einzelnes Wasserstoffatom ausführlicher betrachtet, es gilt aber auch für Bandübergänge vom Leitungsband ins Valenzband.

Martin Löffler-Mang

6. Beugung und Interferenz

Zusammenfassung

Es ist eine Erfahrung des täglichen Lebens: Licht breitet sich geradlinig aus und hinter beleuchteten Gegenständen gibt es Schatten. Beim genaueren Hinsehen kann man aber auch im Schattenbereich Licht finden. Das hatte bereits Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert entdeckt und es wurde von Grimaldi 1665 erstmals näher beschrieben. Diese Beobachtungen standen im klaren Widerspruch zur damals akzeptierten Korpuskulartheorie des Lichts und führten 1690 schließlich zur Wellentheorie von Huygens mit dem Modell der Elementarwellen, siehe auch erstes Kapitel in diesem Buch. Fresnel verbesserte Anfang des 19. Jahrhunderts die Elementarwellentheorie.

Martin Löffler-Mang

7. Polarisation

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir Licht immer wieder als elektromagnetische Welle betrachtet, die wir durch das elektrische Feld \(\vec{E}\) und den magnetischen Fluss \(\vec{B}\) beschrieben haben. In diesem Kapitel werden wir uns normalerweise auf die Orientierung des elektrischen Feldes zur Charakterisierung der Welle beschränken, da \(\vec{B}\) aber immer senkrecht auf \(\vec{E}\) steht, geht dadurch keine Information verloren.

Martin Löffler-Mang

8. Abbildungsfehler und Auflösung

Zusammenfassung

Wir sprechen in diesem Kapitel nicht von ungenau gefertigten Linsen und Spiegeln oder von mechanisch unpräzise und instabil aufgebauten optischen Systemen. Wenn alle diese Aspekte sorgfältig berücksichtigt worden sind, bleiben immer noch zwei grundsätzliche physikalische Phänomene, die das Licht auf seinem Weg durch eine Optik und eventuell bis hin zu einem Detektor beeinträchtigen können.

Martin Löffler-Mang

9. Photometrie

Zusammenfassung

Zum Abschluss des Grundlagenteils in diesem Buch wird noch ein Thema angesprochen, das früher in der Physik galant ignoriert wurde und auch heute noch oft in physikalischen Lehrbüchern fehlt. Licht und Beleuchtung sind aber allgegenwärtig in unserer Welt, deshalb darf man die Photometrie bei der technischen Betrachtung von Licht und dem Einsatz von Lichtquellen in optischen Sensoren nicht unter den Tisch fallen lassen. Sie behandelt nicht mehr und nicht weniger als die Messung von Licht unter Berücksichtigung der menschlichen Wahrnehmung mit den Augen und dem Gehirn.

Martin Löffler-Mang

10. Leuchtdiode

Zusammenfassung

Die Lumineszenz- oder Leuchtdiode heißt im Englischen Light Emitting Diode und daraus abgekürzt LED. LEDs sind eine spezielle Form von Halbleiterdioden, die einen pn-Übergang beinhalten, der in Durchlassrichtung (Flussrichtung) betrieben wird. In Schaltungen werden LEDs durch das Symbol dargestellt.

Martin Löffler-Mang

11. Laser

Zusammenfassung

Laser ist ein Kunstwort und steht als Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Es geht also um die Lichtverstärkung durch eine Spezialform der Abstrahlung, nämlich der induzierten Emission. Erstmalig konnte diese auf Einstein zurückgehende Idee im Jahr 1960 in Form eines Rubin-Lasers realisiert werden. Um das Prinzip zu verstehen, werden wir im ersten Unterkapitel zunächst die Grundlagen besprechen. Danach werden die wichtigsten Lasertypen vorgestellt, sowie eine Reihe von Laseranwendungen. Hier konnten zwei Spezialisten für Unterkapitel zu diesem Buch gewonnen werden (Griebsch: Lasermaterialbearbeitung; Möller: Laser in der Medizin). Abgeschlossen wird das Kapitel mit einem Abschnitt über Lasersicherheit.

Martin Löffler-Mang

12. Laserdiode

Zusammenfassung

Laserdioden (LD) oder Diodenlaser oder Halbleiterlaser sind fast so alt wie Laser, aber erst die Entwicklung der Halbleitertechnologie und die Massenproduktion mit geringen Kosten hat sie ihren Siegeszug antreten lassen. In den meisten Konsumartikeln mit Lichtquelle befindet sich in der Zwischenzeit eine LD, in der Nachrichtenübertragung werden LDs als Sender verwendet, in der Messtechnik findet mehr und mehr der Ersatz von Lasern durch LDs statt und selbst für die Materialbearbeitung gibt es heute Lösungen mit LDs.

Martin Löffler-Mang

13. Photodiode

Zusammenfassung

Mit der Photodiode (PD) wird der Abschnitt des Buches über Lichtempfänger eröffnet. In Schaltungen werden PDs durch das Symbol dargestellt.

Martin Löffler-Mang

14. CCD-Chip

Zusammenfassung

Der CCD-Chip ist ein Lichtdetektor, der in fast allen Bereichen den konventionellen Film und das Magnetband verdrängt hat. Mit dem CCD-Chip begann der Siegeszug der Digitalfotografie und der digitalen Videokameras. CCD ist eine Abkürzung und steht für Charge Coupled Device, das bedeutet „ladungsgekoppeltes Gerät“. Das sagt scheinbar noch nicht viel, aber im Prinzip doch schon eine Menge. Das wird bei den physikalischen Grundlagen gleich im Anschluss näher geklärt. Dann folgt ein Unterkapitel mit Problemen von CCD-Chips und deren Lösungsmöglichkeiten. Den Abschluss bildet schließlich ein Überblick über verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von CCD-Chips.

Martin Löffler-Mang

15. Photomultiplier

Zusammenfassung

Photomultiplier (PM) bilden die Gruppe der empfindlichsten Lichtdetektoren, sie erreichen in der Regel noch wesentlich höhere Verstärkungen als die Avalanche-Photodioden (APD). Im Gegensatz zu den PDs basieren PMs auf dem äußeren Photoeffekt (Erläuterungen zum äußeren und inneren Photoeffekt finden sich in Teil 1 dieses Buchs). Ankommende Photonen lösen also zunächst in der Kathode einzelne Elektronen aus, die dann im PM lawinenartig verstärkt werden.

Martin Löffler-Mang

16. Solarzellen

Zusammenfassung

Mit den Solarzellen knüpfen wir nochmals an die Photodioden an, wir beschränken uns auf die bisher wirtschaftlich relevanten Zellen mit pn-Übergang in Halbleitertechnologie. Wir betrachten einen beleuchteten pn-Übergang ohne äußere Spannung, aber mit einem Lastwiderstand. Damit wird der bisher noch nicht behandelte vierte Quadrant der Kennlinie einer pn- Halbleiterdiode relevant, siehe Bild 16-1 (die gesamte Kennlinie ist im Kapitel über die Photodiode gezeigt).

Martin Löffler-Mang

17. Lichtwellenleiter

Zusammenfassung

Der Einsatz von Glasfasern oder Lichtwellenleitern (LWL) in de vielfältigsten Anwendungen hat in den letzten 10 bis 15 Jahren in großem Umfang begonnen. Man findet sie heute in Bordnetzen von Flugzeugen und KFZ, sowie in modernen LAN (Local Area Networks). Beispielhaft sei hier der Frankfurter Flughafen genannt, an dem bei Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen vor einigen Jahren mehr als 50.000 Endverbraucherstellen für PCs mit einem Glasfasernetz eingerichtet wurden. Aber auch in der Daten- und Nachrichtenübertragung für große Entfernungen bis hin zu interkontinentalen Seekabeln haben LWL in der Zwischenzeit den Vorrang. Außerdem sind LWL aus vielen Laseranwendungen nicht mehr wegzudenken, von der Materialbearbeitung über die Medizintechnik bis zur Messtechnik.

Martin Löffler-Mang

18. Faserkoppler

Zusammenfassung

Nachdem im vorangegangenen Kapitel die Lichtwellenleiter oder Glasfasern selbst betrachtet wurden, beschäftigt sich dieses Kapitel nun zum einen mit der Lichtein- und -auskopplung in LWL, zum anderen mit der Kopplung zwischen Glasfasern.

Martin Löffler-Mang

19. Light Barriers

Zusammenfassung

Allen Lichtschranken gemeinsam ist, dass sie als Sender eine Lichtquelle haben – bevorzugt LEDs und Laserdioden – und als Empfänger meist eine Photodiode. Es gibt drei prinzipielle Bauformen: die Transmissionslichtschranke (a), die Reflexionslichtschranke (b) und die Off- Axis-Lichtschranke (c), siehe Bild 19-1.

Martin Löffler-Mang

20. Triangulation

Zusammenfassung

Die Triangulation ist ein Messverfahren zur Abstandsmessung. Dabei wird mit einem Laser oder einer Laserdiode ein kleiner Fleck auf der Oberfläche erzeugt, deren Entfernung man bestimmen möchte. Unter einem definierten Winkel wird der Fleck auf einen Detektor abgebildet. Je nach Abstand zwischen Sensor und Oberfläche verändert sich die Geometrie des Dreiecks aus Laser, Oberfläche und Detektor. Damit ändert sich auch die Position des abgebildeten Flecks auf dem Detektor. Aus der Position kann schließlich auf den Abstand zurückgerechnet werden.

Martin Löffler-Mang

21. Optical Mice

Zusammenfassung

Optische Mäuse sind Hilfsmittel, um sich auf einem Bildschirm zu bewegen und sich durch die gewünschten Inhalte zu navigieren. Ein solches System kann entweder in eine herkömmliche Maus eingebaut werden, die man mit der Hand über eine Oberfläche schiebt (erster Teil dieses Kapitels), oder auch direkt am Bildschirm integriert sein, wie z. B. in einem Mobiltelefon, und man fährt nur noch mit dem Finger darüber (zweiter Teil dieses Kapitels).

Martin Löffler-Mang

22. Faseroptische Sensoren

Zusammenfassung

Die Glasfaser als modernes Medium der Datenübertragung ist heute aus der IT-Welt nicht mehr wegzudenken. Die Lichtführung in einer Faser kann mit verschiedenen Modellen beschrieben werden (siehe entsprechendes Kapitel im zweiten Teil dieses Buchs). In der Nachrichten- und Datentechnik werden möglichst stabile und von äußeren Einflüssen unabhängige Übertragungseigenschaften gefordert. Hier setzten faseroptische Sensoren an. Beeinflussungen des Lichtwegs und einzelner Parameter sind explizit erwünscht, können gemessen und ausgewertet werden. Damit sind Umgebungseinflüsse auf die Übertragungsgröße Licht erfassbar.

Martin Löffler-Mang

23. Spektrometer

Zusammenfassung

Spektrometer sind Systeme, welche die spektrale Zerlegung von Licht ermöglichen. Man kann damit einerseits die von Lichtquellen ausgesendeten Anteile bei verschiedenen Wellenlängen analysieren (Emissionsspektroskopie) oder andererseits die Abschwächung des Lichts einer bekannten Quelle durch ein Medium untersuchen (Absorptionsspektroskopie).

Martin Löffler-Mang

24. Partikelmesstechnik

Zusammenfassung

Partikelmesstechnik wäre eigentlich ein Thema für ein eigenständiges Buch. Deshalb wird hier nicht eingegangen auf die Darstellung von Partikelgrößenverteilungen, nicht auf die Probennahme und auch nicht auf konventionelle Messmethoden. Diese für die Partikelmesstechnik relevanten Themen können bei Bedarf z. B. in dem Buch von Löffler & Raasch über die „Grundlagen der Mechanischen Verfahrenstechnik“ nachgelesen werden (siehe Hinweise zur weiterführenden Literatur).

Martin Löffler-Mang

25. Teleskope

Zusammenfassung

Wir beginnen dieses Kapitel mit einer Vorüberlegung: Wie groß erscheint uns ein Gegenstand G? Bild 25-1 zeigt dazu den Strahlengang mit einem schematischen Auge, dem Gegenstand G in der Gegenstandsweite g vor dem Auge und dem Bild B auf der Netzhaut in der Bildweite b = 2,5 cm (Augendurchmesser).

Martin Löffler-Mang

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