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Optik, optische Messtechnik und Optik-Anwendungen

Das Optiklabor wird übergreifend in den Bachelor-Studiengängen Augenoptik, Elektrotechnik, Feinwerktechnik, Laser- und Optotechnologie und Physikalische Technik genutzt. Je nach Studiengang unterscheiden sich Umfang und Inhalte der durchzuführenden Praktika. Das zeigt sich auch in den verschiedenen Einteilungen und Bezeichnungen der entsprechenden Lehrfächer. Während im Studiengang Augenoptik eine Unterteilung in geometrische und physikalische Optik in verschiedenen Lehrveranstaltungen erfolgt, gibt es in der physikalischen Technik ausschließlich die Technische Optik.
Die einzelnen Laborübungen werden i.d.R. in Gruppen zu zwei Studenten durchgeführt, eine Praktikumseinheit umfasst vier akademische Stunden.

Automatische Prüfstation für optische Parameter

Die Prüfstation OPTOMATIC der Firma Trioptics dient zur Vermessung der geometrischen und optischen Parameter von Mittelklasseoptik.
Ein Kollimator mit bekannter Brennweite bildet einen Doppelspalt mit dem Strichabstand 2y ins Unendliche und der Prüfling die Strichmarken in seiner bildseitigen Brennebene ab. Die Halterung des Prüflings kann in einem zentrierten Dreibackenfutter mit einem maximalen freien Durchmesser von 90 mm oder über ein Gewinde M 42x1 erfolgen. Die Bildgröße 2y’ wird mit einem Mikroskop vergrößert und mit einer CCD-Zeilen-Kamera vermessen.
Diese Anordnung gestattet in Verbindung mit der zugehörigen Software die Bestimmung der folgenden optischen Parameter: 

Anlagemäß geeignet für auf einen Musterprüfling bezogene Vergleichsmessungen

  • Keilfehler an Planplatten  im Messbereich bis ca. 1°
  • Zentrierfehler Erfassung der durch Dezentrierung verursachten Bildverschiebung
  • MÜF je nach Vergrößerung bis zur einer maximalen Ortsfrequenz von 30 Linien/mm - 140 Linien/mm (max. Prüflingsbrennweiten von 100 mm)
  • Radien positiv und negativ
  • Farblängsfehler durch Messung der Brennweite mit verschiedenen Filtern

Reflexionsverhalten an Grenzflächen

Beim Auftreffen von Lichtwellen auf eine Grenzfläche zwischen optischen Medien unterschiedlicher Brechzahl treten Reflexion und Brechung in einem Verhältnis auf, das durch die Fresnel’schen Formeln beschrieben wird.

Die energetischen Verhältnisse werden durch das Reflexionsvermögen als Verhältnis der Amplituden der elektrischen Feldstärke des reflektierten Lichtanteils und der auf die Grenzfläche auftreffenden Welle beschrieben. Diese Amplituden nehmen parallel und senkrecht zur Einfallsebene unterschiedliche Werte an. Das bedeutet eine Änderung des Polarisationszustandes.  Den Grenzfall, bei dem das reflektierte Licht linear polarisiert ist, beschreibt das Brewstersche Gesetz.

Bestimmung der Dispersion von Gläsern

Die Änderung der Brechzahl und der Lichtgeschwindigkeit mit der Wellenlänge nennt man Dispersion. Der Differentialquotient dn/dλ wird auch als Materialdispersion bezeichnet.
Für spektrale Messungen ist die Abhängigkeit des Ablenkwinkels d von der Änderung der Wellenlänge von besonderer Bedeutung.

Die Dispersion führt bei der Abbildung durch Linsen zur chromatischen Aberration. Zur Behebung dieses Fehlers werden optische Systeme aus mehreren Linsen unterschiedlicher Materialdispersion zusammengesetzt.

Blenden in optischen Systemen

Nicht jeder Strahl, der von einem Objektpunkt ausgeht und in ein optisches System eintritt, trägt zur Bildentstehung bei. Abhängig vom Ort des Objektpunktes und dem Neigungswinkel des Strahls bezüglich der optischen Achse kann der Strahl aufgrund des Durchmessers der optischen Bauelemente (Linsen, Spiegel, Blenden) blockiert werden. Der Öffnungswinkel des abbildenden Lichtbündels wird also durch optische Bauelemente begrenzt.
Blenden setzt man ein, um beispielsweise das Bild scharf zu begrenzen oder um störende Lichtstreuungen abzuschirmen. Ein weiterer Einsatz ist die Verbesserung der Abbildung durch Verringerung von Aberrationen durch Abblenden, wobei jedoch die Bildhelligkeit nachlässt.
Blenden sind in optischen Systemen immer vorhanden, da jede Linse einen endlichen Durchmesser hat und deshalb bündelbegrenzend wirkt.

Beugung des Lichtes

Trifft eine Welle auf ein Hindernis, dringt sie auch in dessen Schattenraum ein. Diesen Effekt bezeichnet man als Beugung. Ein beugendes Bauelement ist z.B. das Beugungsgitter, das in Spektrografen und Monochromatoren zur Trennung der spektralen Anteile des Lichtes verwendet wird. Andererseits wird durch die Beugung die optische Abbildung gestört und das Auflösungsvermögen begrenzt.
 Die Realisierung beugungsbegrenzter Optik wird mit wachsendem Öffnungsverhältnis der Optik immer aufwendiger, da im gleichen Maße die Korrektur der geometrisch-optischen Aberrationen erfolgen muss.

Optischer Spektrumsanalysator

Das spektrale Verhalten eines optischen Systems ist nicht nur im Zusammenwirken mit dem menschlichen Auge bedeutungsvoll, weil es den Farbreiz als einen durch optische Strahlung vermittelten Sinneseindruck bestimmt, sondern auch im Zusammenwirken von Strahlungsquellen, optischen Medien (Bauelemente) und Strahlungsempfängern in rein technischem Sinne.
Hierfür ist die Kenntnis des spektralen Verhaltens aller drei genannten Komponenten Voraussetzung.
Neben der spektralen Verteilung der von einer Lichtquelle abgegebenen Strahlung bestimmen also der spektrale Transmissionsgrad bzw. Reflexionsgrad der die Strahlung übertragenden optischen Bauelemente entweder die farbrichtige Wiedergabe eines Abbildes oder aber das optimale Zusammenwirken aller beteiligten Elemente.

Optisches Antasten

Reale optische Systeme sind in der Fassung immer dezentriert und haben demzufolge statt einer gemeinsamen optischen Achse für jede Linse eine eigene, im allgemeinen windschief zu den optischen Achsen der übrigen Bauelemente verlaufende, optische Achse. Es entstehen daraus bereits im paraxialen Bereich Astigmatismus, asymmetrische Verzeichnung und Dezentrierungskoma mit völlig symmetrieloser Zerstreuungsfigur. Entsprechend weicht auch die Abbildung durch außeraxiale Strahlen erheblich von der rotationssymmetrischer Systeme ab. Besonders störend ist die dezentrierungsbedingte Asymmetrie aller Aberrationen. Das Hauptproblem bei der Zentrierung optischer Systeme ist die messtechnische Reproduktion einer als optische Achse dienende Bezugsachse mit der erforderlichen Genauigkeit.

Kontakt

Leitung: Prof. Dr. Burkhard Fleck
Mitarbeiter: Jürgen Bischoff

Im Labor für Optikbearbeitung besteht die Möglichkeit der Bearbeitung von silikatischen Werkstoffen. In diesem Labor erlernen Studenten ingenieurwissenschaftlicher Studiengänge (insbesondere die der Augenoptik und der Laser- und Optiktechnologien) die Grundlagen des Schleifens, Läppens und Polierens von optischen Komponenten.

Kontakt

  • Leitung: Prof. Dr. Jens Bliedtner
  • Mitarbeiter: Volker Heineck

In der praktischen Optikdesign-Ausbildung erlernen die Studenten den Umgang mit entsprechender Raytracing-Software. Nach einer Einführung in die Benutzung der Programme sind eigenständig Optiken zu entwerfen und zu optimieren.

OpticStudio

Die Software OpticStudio® der Firma Zemax LLC dient zur Berechnung und Analyse optischer Systeme.

OpticStudio ist die weltweit führende Software für das Design von abbildenden optischen, Beleuchtungs- und Lasersystemen. Spitzenunternehmen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Astronomie, Automobilbau, biomedizinische Forschung, Unterhaltungselektronik und industrielle Bildverarbeitung verwenden diese Software als Werkzeug ihrer Wahl. Mit seinem umfassenden Satz an Analyse- und Simulationswerkzeugen ist OpticStudio in seinem Funktionsumfang einzigartig. Keine andere Software bietet heute modernste Optimierungs- und Toleranzwerkzeuge mit einer nahtlosen Integration in CAD-Software, wodurch der Arbeitsablauf rationalisiert wird und vollständig validierte optomechanische Designs auf den Markt gebracht werden können.

OpticStudio ist eine sehr leistungsfähige Software, die alle heutigen Anforderungen an den Entwurf und die Entwicklung optischer Systeme erfüllt. Ergänzend zu den klassischen Möglichkeiten des optischen Designs verfügt das Programm über weitere Strahldurchrechnungsmöglichkeiten, wie z. B. ein sog. Non-Sequential Ray Tracing.
Damit sind realitätsnahe Simulationen möglich, die den Einfluss von Lichtverteilungen, Streulicht, reflexionsmindernden Beschichtungen u.a. aufzeigen.

Integrierter Bestandteil des Programms ist eine Macro-Programmiersprache (ZPL – Zemax Programming Language), die es erlaubt, spezielle Rechenwege selbst zu programmieren. Wenn Rechnungen oder grafische Darstellungen erforderlich sind, die nicht in OpticStudio von Hause aus vorhanden sind, ist es möglich, eigene Macros zu schreiben, um effizienter arbeiten zu können.

OpticStudio ist in drei verschiedenen Stufen erhältlich: Standard, Professional und Premium.
An der Hochschule wird die Professional Version genutzt. Damit sind alle Berechnungen außer einer Fluoreszenz-Analyse möglich.

Um den Einfluss von fertigungsbedingten Abweichungen darstellen zu können, verfügt OpticStudio über ein Toleranzrechnungsmodul. Hiermit lasen sich Einflüsse von Radienabweichungen, Zentrier- und Kippfehlern verdeutlichen.

Weiterhin sind auch Berechnungen von Gauß’schen Bündeln sowie die Einkopplung von Licht in Glasfasern möglich.

Kontakt

  • Leitung: Prof. Dr. Burkhard Fleck
  • Mitarbeiter: Jürgen Bischoff

TracePro - Software für die Modellierung kompletter optisch-mechanischer Systeme

TracePro ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse verschiedener Aspekte von Abbildungssystemen, einschließlich Streulicht und Polarisationseffekten. Eigenschaften wie Absorption, Streuung und Fluoreszenz ermöglichen den Entwurf und die Analyse von Geräten für eine Vielzahl von Anwendungen. Es ist möglich, Designs zu modellieren und zu testen, wodurch Kosten und Zeit für den Bau und den Test einer Reihe von realen Prototypen verringert werden.

TracePro bietet eine Softwareumgebung, mit der fast jede Aufgabe im modernen Beleuchtungsdesign gelöst werden kann. Es ist mehr als ein Raytracing-Programm; es bietet fortgeschrittene Werkzeuge für den Entwurf von medizinischen Geräten, Beleuchtung, Display-Hintergrundbeleuchtungen, Lichtleiter, Automobilbeleuchtung und viele andere Anwendungen.

TracePro ist ein Programm zur Strahldurchrechnung durch Modelle aus optischen und mechanischen Komponenten. Es wird prinzipiell ein nichtsequentieller Strahlengang gerechnet. Demzufolge ist es nicht erforderlich, die Reihenfolge der optischen oder mechanischen Flächen die von Licht getroffen werden, zu beachten. An jedem Schnittpunkt eines einzelnen Strahls mit einer Fläche können Reflexion, Absorption, Brechung, Beugung sowie Streuung auftreten.

Die als “solid modeling“ bekannte Technik dient der Erzeugung computergenerierter Modelle aus virtuellen Materialien. Das entspricht der im Bereich der mechanischen Konstruktion angewendeten Technik (CAD).
Optikdesigns können direkt aus anderen Ray-Tracing-Programmen in TracePro geladen und anschließend mit der entsprechenden mechanischen Bauelementen ergänzt werden. Ebenfalls ist es möglich, mechanische Objekte direkt zu erstellen oder aus CAD-Programmen zu laden. Alle Material- und Flächeneigenschaften sind frei einstellbar.

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  • Leitung: Prof. Dr. Burkhard Fleck
  • Mitarbeiter: Jürgen Bischoff

Labor Optische Messtechnik

Das Labor Optische Messtechnik wird übergreifend in den Studiengängen Augenoptik (Master), Laser- und Optotechnologie (Master) und Scientific Instrumentation (Master) genutzt.
Je nach Studiengang unterscheiden sich Umfang und Inhalte der durchzuführenden Praktika.
Die einzelnen Laborübungen werden i.d.R. in Gruppen zu zwei Studenten durchgeführt, eine Praktikumseinheit umfasst vier akademische Stunden.

 

Interferometer zur Prüfung der Formabweichung

Ein Interferometer misst berührungslos die Oberflächenform von optischen Bauelementen.
Es handelt sich hierbei um ein Fizeau-Interferometer mit einem Helium-Neon-Laser als Lichtquelle.
Mit Hilfe einer Software wird die Erfassung, Darstellung und Analyse von Wellenfront-Abweichungen, inklusive der Oberflächenformtoleranzen nach DIN ISO 10110-5, realisiert.

 

Messung der Modulationsübertragungsfunktion

Die Modulationsübertragungsfunktion beschreibt die Fähigkeit eines optischen Systems Objekte in entsprechender Qualität abzubilden. Dabei verringert sich mit zunehmender Feinheit des Objektes der Kontrast im Bild.

Das Verhältnis des Bildkontrastes zum Objektkontrast ergibt die Modulationsübertragungsfunktion.
Diese wird durch Beugung sowie durch Aberrationen beeinflusst.
Weiterhin kann mit dem Gerät auch die Brennweite optischer Systeme gemessen werden.

 

Bestimmung der Wellenfrontdeformation

Eine Anordnung von Mikrolinsen unterteilt die Größe des zu messenden Bündels in kleine Bereiche. Jede Linse erzeugt einen Spot in deren Brennebene.
Bei Deformationen der Wellenfront innerhalb des Bereiches verschiebt sich der Spot in x- und/oder y-Richtung. In erster Näherung ist diese Verschiebung proportional der Verkippung der Wellenfront.
Anwendung findet ein Wellenfrontsensor in der Augenheilkunde oder in der Astronomie.

 

Schlierenmessungen

Eine wichtige Aufgabe der optischen Messtechnik besteht in der Untersuchung der Homogenität fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe.
So dürfen zum Beispiel in der Hochleistungsoptik die verwendeten Gläser keine Abweichungen in ihrer Brechzahl aufweisen, da sonst die geforderte Qualität der Abbildung nicht gewährleistet wird.
Eine Möglichkeit der Detektion solcher Inhomogenitäten bietet das Schlierenprüfverfahren.

 

Streulicht-Messung

Das Messgerät Reflet der Firme Lighttec ist ein kompaktes optisches System zur Streulicht-Charakterisierung von Materialien und Oberflächen.
Auf schnelle und einfache Weise wird die Verteilung der Lichtenergie als sog. Streukeule gemessen.
Mit Hilfe dieser Messwerte kann eine Oberfläche hinsichtlich Rauheit, Defekte oder Beschichtungen charakterisiert werden.

Kontakt

  • Leitung: Prof. Dr. Burkhard Fleck
  • Mitarbeiter: Jürgen Bischoff

Das Labor für Optoelektronik  wird übergreifend in den Bachelor-Studiengängen Elektrotechnik, Photovoltaik- und Halbleitertechnologie sowie in den Masterstudiengängen Laser- und Optotechnologie und Elektrotechnik genutzt.  Je nach Studiengang unterscheiden sich Umfang und Inhalte der durchzuführenden Praktika. Die einzelnen Laborübungen werden in der Regel in Gruppen von zwei Studenten durchgeführt, dabei umfasst eine Praktikumseinheit vier akademische Stunden.

In den Versuchen werden unter anderem folgende Themen behandelt:

  • Fotometrische Charakteristik von optoelektronischen Bauelementen
  • Bestimmung der Kenngrößen unterschiedlicher Solarzellen
  • Optische Eigenschaften von CCD-Zeilen
  • Betriebsverhalten von Laserdioden

Kontakt

  • Leitung: Prof. Dr. Igor Konovalov
  • Mitarbeiter: Jürgen Bischoff