Lehrveranstaltung
TO - Technische Optik
PDF Lehrveranstaltungsverzeichnis English Version: TO
Version: 1 | Letzte Änderung: 19.09.2019 15:08 | Entwurf: 0 | Status: vom verantwortlichen Dozent freigegeben
| Langname | Technische Optik |
|---|---|
| Anerkennende LModule | TO_BaET, TO_BaOPT |
| Verantwortlich |
Prof. Dr. Stefan Altmeyer
Professor Fakultät IME |
| Niveau | Bachelor |
| Semester im Jahr | Sommersemester |
| Dauer | Semester |
| Stunden im Selbststudium | 78 |
| ECTS | 5 |
| Dozenten |
Prof. Dr. Stefan Altmeyer
Professor Fakultät IME |
| Voraussetzungen | Mathematik: Differentialrechnung Integralrechnung Physik / Optik: Grundkentnisse geometrische Optik Grundkenntisse Wellenoptik |
| Unterrichtssprache | deutsch |
| separate Abschlussprüfung | Ja |
Literatur
Pedrotti, Pedrotti, Bausch, Schmidt: Optik für Ingenieure. Grundlagen (Springer)
Hecht: Optik (Oldenbourg)
Hecht: Optik (Oldenbourg)
Abschlussprüfung
Details
Regelfall ist die Klausur.So weit die Prüfungszahl nicht zu groß ist, wird eine mündliche Prüfung gegenüber einer schriftlichen Prüfung bevorzugt.
In der Prüfung werden auf unterstem Kompetenzniveau Kenntnisse abgefragt. Das sind beispielsweise die Vorzeichnkonvention, die Form der Abbildungsgleichung bei unterschiedlichen Lichtrichtungen, die Definition des Hauptstrahles oder die normgerechte Kennzeichnung von Optik-Komponenten.
Auf nächster Kompetenzstufe werden Fertigkeiten geprüft. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Skizzen von optischen Strahlengängen gezeichnet werden müssen, wobei die qualitativ richtige Lage von funktionalen Ebenen wichtig ist. Weiterhin können Berechnungen durchgeführt werden, z.B. zum Auflösungsvermögen optischer Systeme, der Bildhebung bei Systemen mit verschiedenen Brechzahlen oder Gesamtbrennweite mehrlinsiger Systeme.
Die höchste prüfbare Kompetenzstufe betrifft die Methodenkompetenz. Deren Ausprägung kann überprüft werden, indem ein Anwendungsfall geschildert wird: Aufgaben können sein, ein Mikroskop mit eigener Lichtquelle auszulegen zu lassen, wobei entweder einige Zielparameter oder Basiskomponenten als gegeben angesehen werden. In einer geführten Diskussion - oder geführten Rechnung im Falle einer Klausur - kann dabei sehr genau festgestellt werden, ob die zugrundeligenden Prinzipien sicher und proaktiv angewandt werden, ob Querschlüsse gezogen werden können und ob in einer Zusammenschau mit hinreichendem Überblick gedacht und agiert wird.
Mindeststandard
Mindestens 50 % der Fragen richtig beantwortetPrüfungstyp
Regelfall ist die Klausur.So weit die Prüfungszahl nicht zu groß ist, wird eine mündliche Prüfung gegenüber einer schriftlichen Prüfung bevorzugt.
In der Prüfung werden auf unterstem Kompetenzniveau Kenntnisse abgefragt. Das sind beispielsweise die Vorzeichnkonvention, die Form der Abbildungsgleichung bei unterschiedlichen Lichtrichtungen, die Definition des Hauptstrahles oder die normgerechte Kennzeichnung von Optik-Komponenten.
Auf nächster Kompetenzstufe werden Fertigkeiten geprüft. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Skizzen von optischen Strahlengängen gezeichnet werden müssen, wobei die qualitativ richtige Lage von funktionalen Ebenen wichtig ist. Weiterhin können Berechnungen durchgeführt werden, z.B. zum Auflösungsvermögen optischer Systeme, der Bildhebung bei Systemen mit verschiedenen Brechzahlen oder Gesamtbrennweite mehrlinsiger Systeme.
Die höchste prüfbare Kompetenzstufe betrifft die Methodenkompetenz. Deren Ausprägung kann überprüft werden, indem ein Anwendungsfall geschildert wird: Aufgaben können sein, ein Mikroskop mit eigener Lichtquelle auszulegen zu lassen, wobei entweder einige Zielparameter oder Basiskomponenten als gegeben angesehen werden. In einer geführten Diskussion - oder geführten Rechnung im Falle einer Klausur - kann dabei sehr genau festgestellt werden, ob die zugrundeligenden Prinzipien sicher und proaktiv angewandt werden, ob Querschlüsse gezogen werden können und ob in einer Zusammenschau mit hinreichendem Überblick gedacht und agiert wird.
Lernziele
Kenntnisse
Vergrößerung
Abbildungsmaßstab
Winkelvergrößerung
Lupenvergrößerung
Axiale Vergrößerung
Kardinalebenen und Punkte
Knotenpunkte und Brennpunkte in optischen Systemen, die unsymmetrisch in der Brechzahl sind
Gezielte Verlagerung von Hauptebenen
Teleobjektiv
Objektiv zur Laser Materialbearbeitung
Mehrlinsige optische Systeme
Analytische Berechnung eines Zweilinsers
Fokusglied einer Kamera
Vorsatzlinsen für Makroaufnahmen
Berechnung durch wiederholte Zusammenfassung von Zweilinsern
Bildhebung
Fotografie unter Wasser
Mikroskopie Spezialobjektive zur Verwendung mit Deckglas
Abbildungsfehler planparalleler Glasplatten
Fermatsches Prinzip
Herleitung des Brechungsgesetzes
Erklärung der Wirkungsweise einer Linse
Herleitung des Sinussatzes
Apertur und Blendenzahl
Apertur
einer Glasfaser
eines abbildenden optischen Systems
Blendenzahl
gravierte Blende
effektive Blende
Zusammenhang von Apertur und (effektiver) Blendenzahl
Gegenstandsseitige und bildseitige Aperturen und Blendenzahlen
Bildhelligkeit und Belichtungszeit
Beugung an der Kreisblende
mathematische Beschreibung
Auflösungskriterien
Rayleigh Kriterium
Sparrow Kriterium
Größe des Airy-Scheibchens
Kleinster auflösbarer Abstand
im Gegenstand und im Bild
ausgedrückt in Blendenzahlen und in Aperturen
Förderliche Vergrößerung und leere Vergrößerung
Anwenungsbeispiele: optische Lithographie, Mikroskop, CD/DVD/blu-ray pickup
Linsen
abbildende Linsen: Glas- und Kunststoff Linsen
Feldlinsen: Eignung von Fresnellinsen, Staubfreiheit
körperliche Blenden und deren Bilder
Aperturblenden und Feldblenden
Pupillen und Luken
Hauptstrahlen
Komplementäre Rolle der Blenden in Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengängen
Konstruktionsprinzipien von optischen Geräten mit eigener Lichtquelle. Bsp: Overheadprojektor, Beamer,
Mikroskop
Mikroskope
einstufig und zweistufig
mit und ohne Feldlinse
Auflicht und Durchlicht
Köhlersche Beleuchtung
Verflochtene Strahlengänge
Falls im Semester genug Zeit ist:
Abbesche Theorie der Bildentstehung
Zerlegung eines Gegenstandes in Gitter (Fourier Zerlegung)
Beugungsordnungen: Anzahl und relative Phasenlage
Grenzauflösung
Kontrast
off-axis Beleuchtung
Realisierung
Auflösungssteigerung
Kontrastminderung
Konstruktionsprinzip einer Lithografieanlage
Abbildungsmaßstab
Winkelvergrößerung
Lupenvergrößerung
Axiale Vergrößerung
Kardinalebenen und Punkte
Knotenpunkte und Brennpunkte in optischen Systemen, die unsymmetrisch in der Brechzahl sind
Gezielte Verlagerung von Hauptebenen
Teleobjektiv
Objektiv zur Laser Materialbearbeitung
Mehrlinsige optische Systeme
Analytische Berechnung eines Zweilinsers
Fokusglied einer Kamera
Vorsatzlinsen für Makroaufnahmen
Berechnung durch wiederholte Zusammenfassung von Zweilinsern
Bildhebung
Fotografie unter Wasser
Mikroskopie Spezialobjektive zur Verwendung mit Deckglas
Abbildungsfehler planparalleler Glasplatten
Fermatsches Prinzip
Herleitung des Brechungsgesetzes
Erklärung der Wirkungsweise einer Linse
Herleitung des Sinussatzes
Apertur und Blendenzahl
Apertur
einer Glasfaser
eines abbildenden optischen Systems
Blendenzahl
gravierte Blende
effektive Blende
Zusammenhang von Apertur und (effektiver) Blendenzahl
Gegenstandsseitige und bildseitige Aperturen und Blendenzahlen
Bildhelligkeit und Belichtungszeit
Beugung an der Kreisblende
mathematische Beschreibung
Auflösungskriterien
Rayleigh Kriterium
Sparrow Kriterium
Größe des Airy-Scheibchens
Kleinster auflösbarer Abstand
im Gegenstand und im Bild
ausgedrückt in Blendenzahlen und in Aperturen
Förderliche Vergrößerung und leere Vergrößerung
Anwenungsbeispiele: optische Lithographie, Mikroskop, CD/DVD/blu-ray pickup
Linsen
abbildende Linsen: Glas- und Kunststoff Linsen
Feldlinsen: Eignung von Fresnellinsen, Staubfreiheit
körperliche Blenden und deren Bilder
Aperturblenden und Feldblenden
Pupillen und Luken
Hauptstrahlen
Komplementäre Rolle der Blenden in Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengängen
Konstruktionsprinzipien von optischen Geräten mit eigener Lichtquelle. Bsp: Overheadprojektor, Beamer,
Mikroskop
Mikroskope
einstufig und zweistufig
mit und ohne Feldlinse
Auflicht und Durchlicht
Köhlersche Beleuchtung
Verflochtene Strahlengänge
Falls im Semester genug Zeit ist:
Abbesche Theorie der Bildentstehung
Zerlegung eines Gegenstandes in Gitter (Fourier Zerlegung)
Beugungsordnungen: Anzahl und relative Phasenlage
Grenzauflösung
Kontrast
off-axis Beleuchtung
Realisierung
Auflösungssteigerung
Kontrastminderung
Konstruktionsprinzip einer Lithografieanlage
Fertigkeiten
Mehrlinsige Optische Systeme analysieren, deren Grundeigenschaften paraxial berechnen
Konstruktionsprinzip zur Verlagerung von Hauptebenen anwenden
Aperturen und Blendenzahlen gegenstands- und bildseitig ineinander umrechnen
Gegenstands- und bildseitiges Auflösungsvermögen optischer Geräte berechnen
Bildhebungen berechnen können.
Auflösungsverminderung durch winkelabhängige Bildhebung an hoch geöffneten Systemen berechnen können.
Strahlengänge für optische Systeme mit eigener Beleuchtung entwerfen
Konstruktionsprinzipien verschiedener Mikroskope auf andere optische Geräte übertragen können
Kontraste für on- und off-axis Systeme berechnen
Konstruktionsprinzip zur Verlagerung von Hauptebenen anwenden
Aperturen und Blendenzahlen gegenstands- und bildseitig ineinander umrechnen
Gegenstands- und bildseitiges Auflösungsvermögen optischer Geräte berechnen
Bildhebungen berechnen können.
Auflösungsverminderung durch winkelabhängige Bildhebung an hoch geöffneten Systemen berechnen können.
Strahlengänge für optische Systeme mit eigener Beleuchtung entwerfen
Konstruktionsprinzipien verschiedener Mikroskope auf andere optische Geräte übertragen können
Kontraste für on- und off-axis Systeme berechnen
Aufwand Präsenzlehre
| Typ | Präsenzzeit (h/Wo.) |
|---|---|
| Vorlesung | 2 |
| Tutorium (freiwillig) | 0 |
Besondere Literatur
keine/none
Besondere Voraussetzungen
keine
Begleitmaterial
Skript als herunterladbare Datei
Separate Prüfung
keine
Lernziele
Fertigkeiten
- Aufbau und Justage eines astronomischen oder terrestrischen Fernrohrs.
- Bestimmung der Brennweite eines Objektivs nach Abbe, Bessel oder der Umschlagmethode.
- Bestimmung der Hauptebenen nach Abbe oder nach der Methode der Extrapolation des Abbildungsmaßstabes.
- Bestimmung der Grenzauflösung an einem Mikroskop nach Köhler.
- Quantitative Bestimmung der Bildhelligkeit an einem Mikroskop in Abhängigkeit von Abbildungsmaßstab und Apertur.
- Beobachtung von Objekt und Beugungsbild in einem Diffraktionsapparat. Gezielte Beeinflussung des Bildes durch Eingriff in die Fourier-Ebene, zum Beispiel räumliche Frequenzverdopplung.
- Wissenschaftlichen Bericht verfassen
Aufgabenbestellung beschreiben
Lösungsansatz darstellen
Versuchsaufbau erläutern
Verarbeitung der Messdaten darlegen
Fehlerrechnung durchführen
Ergebnis präsentieren und kritisch diskutieren
- Bestimmung der Brennweite eines Objektivs nach Abbe, Bessel oder der Umschlagmethode.
- Bestimmung der Hauptebenen nach Abbe oder nach der Methode der Extrapolation des Abbildungsmaßstabes.
- Bestimmung der Grenzauflösung an einem Mikroskop nach Köhler.
- Quantitative Bestimmung der Bildhelligkeit an einem Mikroskop in Abhängigkeit von Abbildungsmaßstab und Apertur.
- Beobachtung von Objekt und Beugungsbild in einem Diffraktionsapparat. Gezielte Beeinflussung des Bildes durch Eingriff in die Fourier-Ebene, zum Beispiel räumliche Frequenzverdopplung.
- Wissenschaftlichen Bericht verfassen
Aufgabenbestellung beschreiben
Lösungsansatz darstellen
Versuchsaufbau erläutern
Verarbeitung der Messdaten darlegen
Fehlerrechnung durchführen
Ergebnis präsentieren und kritisch diskutieren
Aufwand Präsenzlehre
| Typ | Präsenzzeit (h/Wo.) |
|---|---|
| Praktikum | 2 |
| Tutorium (freiwillig) | 0 |
Besondere Literatur
keine/none
Besondere Voraussetzungen
keine
Begleitmaterial
Anleitungen zu den Versuchen als herunterladbare Dateien.
Bedienungsanleitungen zu komplexen Geräten als herunterladbare Dateien.
Bedienungsanleitungen zu komplexen Geräten als herunterladbare Dateien.
Separate Prüfung
Prüfungstyp
Projektaufgabe im Team bearbeiten (z.B. im Praktikum)Details
1) Übungsaufgabe mit fachlich / methodisch eigeschränktem Fokus lösen- Vor Antritt des Praktikums sind zu Hause ausgearbeitete Aufgaben vorzulegen.
2) Fachgespräch zu besonderen Fragestellungen
- Die Grundideen zum Versuch werden vor dessen Durchführung im Gespräch erfragt.
3) Projektaufgabe (im Team) bearbeiten
Je nach Studierendenzahl werden die Versuche alleine (bevorzugt) oder zu zweit
durchgeführt.
- Versuchsaufbauten müssen selber aufgebaut und justiert werden
- Mit den selber errichteten Versuchsaufbauten müssen Messdaten gewonnen werden
4) Anfertigung eines Versuchsprotokolls. Geprüft wird auf
- Vollständigkeit
- Wissenschaftlichkeit und Präzision der Sprache
- Richtigkeit
- Verständnis der Zusammenhänge und Interpretation der Ergebnisse
Mindeststandard
Alle schriftlichen Aufgaben müssen bearbeitet sein.Die Grundideen des Experimentes müssen verstanden sein.
Alle Versuche müssen durchgeführt worden sein.
Die Versuchsausarbeitungen müssen frei von systematischen Fehlern sein.
Bei Fehlern, bitte Mitteilung an die
Webredaktion der Fakultät IME
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