Optische Systeme (5. Vorlesung)

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1 5.1 Optische Systeme (5. Vorlesung) Yousef Nazirizadeh Universität Karlsruhe (TH) Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 2.1 Lupe / Mikroskop 2.2 Blenden / Aperturen 2.3 Aberrationen 2.4 Bekannte Mikroskope Optische Messtechnik 4. Biomedizinische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitung 6. Optische Datenspeicherung 7. Optische Informationstechnik 8. Mikro- und Nanooptische Systeme

2 Vergrößerung 5.3 Ein Objekt erscheint groß, wenn wir es unter einem großen, und klein, wenn wir es unter einem kleinen Sehwinkel α sehen α α ο a s Eine Vergrößerung kann durch näher holen erreicht werden, allerdings nur bis zu einer gewissen Grenze Nahpunkt im Durchschnitt 25 cm Zur weiteren Vergrößerung wird ein optisches Gerät benötigt, das den Sehwinkel vergrößert, z.b. eine Lupe Lupe 5.4 Objekt liegt innerhalb der einfachen Brennweite Erzeugung eines virtuellen, vergrößerten Bildes, das mit dem Auge betrachtet wird Linse α Α Virtuelles Bild Objekt f f M = α Α αο Bezugssehweite 25 cm

3 Mehrstufige Abbildung 5.5 Die zweite Linse L2 bildet das von der ersten Linse erzeugte Bild (Zwischenbild) auf das endgültige Bild ab Das Zwischenbild kann je nach Lage der Brennpunkte und des Objekts auch virtuell sein L 1 L 2 Objekt Zwischenbild Bild f 1 f 2 L 1 wird Objektiv, L 2 Okular genannt Grundprinzip Mikroskop 5.6 Ziel: Vergrößerung eines nahe gelegenen Gegenstandes, d.h Erhöhung des Sehwinkels Das reelle Bild des Objektivs wird durch das Okular betrachtet, das als Lupe wirkt - Der Gegenstand liegt knapp außerhalb der Brennweite des Objektivs Objekt f Objektiv Virtuelles Bild Zwischenbild f Okular a t ( Tubuslänge )

4 Grundprinzip Mikroskop 5.7 Das Mikroskop liefert ein umgekehrtes, vergrößertes Bild von sehr nahegelegenen Gegenständen Die Vergrößerung hängt vom Abstand a des Gegenstandes zum Objektiv und der Tubuslänge t ab Deshalb werden auf Objektiven und Okularen die Vergrößerung M Objektiv, M Okular für feste Werte von a und t angegeben Für die Vergrößerung des Mikroskop ergibt sich mit der Bezugssehweite a s = 25 cm (siehe Definition der Vergrößerung) M = M M = Objektiv Okular f Objektiv ta S f Okular Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 2.1 Lupe / Mikroskop 2.2 Blenden / Aperturen 2.3 Aberrationen 2.4 Bekannte Mikroskope Optische Messtechnik 4. Biomedizinische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitung 6. Optische Datenspeicherung 7. Optische Informationstechnik 8. Mikro- und Nanooptische Systeme

5 Blenden 5.9 Man unterscheidet zwischen zwei Blendengruppen: Gesichtsfeldblenden (Feldblende) Aperturblenden (Öffnungsblenden) Beeinflussen Auflösung, Helligkeit, Schärfentiefe, Bildausschnitt Quelle: Gesichtsfeldblende 5.10 Liegt in Objektebene, Zwischenebene oder Bildebene Bestimmt den Bildausschnitt Objekt Zwischenbild

6 Aperturblende 5.11 Liegt abseits von Bildebene, Objektebene und Zwischenebene Bestimmt die Helligkeit, Auflösung und Schärfentiefe Objektiv Okular Auflösungsvermögen 5.12 Die Auflösung wird durch Beugung an der Apertur bestimmt Punktförmige Lichtquellen werden als Beugungsfiguren dargestellt Überlagern sich die hellen Bereiche (Airy-Scheibchen) zwei solcher Beugungsfiguren zu sehr, können die Punkte nicht unterschieden werden

7 Auflösungsvermögen 5.13 Minimale Strukturgröße y min und Winkel φ min, die in einem Mikroskop noch aufgelöst werden können, sind gegeben durch λ y min = 1.22 φ min = 1.22 λ 2 n sin α D Definition für numerische Apertur NA = n sin(α) Apertur Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 2.1 Lupe / Mikroskop 2.2 Blenden / Aperturen 2.3 Aberrationen 2.4 Bekannte Mikroskope Optische Messtechnik 4. Biomedizinische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitung 6. Optische Datenspeicherung 7. Optische Informationstechnik 8. Mikro- und Nanooptische Systeme

8 Aberrationen 5.15 Maximales Auflösungsvermögen wird nur für ideale Abbildung erreicht Für achsferne Strahlen sowie für polychromatisches Licht, treten prinzipielle Abbildungsfehler (Aberrationen) auf Zwei Gruppen von Aberrationen: Monochromatische Aberrationen: (bei Linsen und Spiegeln) sphärische Aberration Astigmatismus Koma Chromatische Aberrationen: (nur bei Linsen) Sphärische Aberration 5.16 Wegen kugelförmiger Oberfläche gängiger Linsen werden Strahlen am Rand der Linse nicht im Fokus fokussiert Korrektur: durch Asphärische Linsenform Quelle:

9 Astigmatismus 5.17 Linsen mit verschiedenen Krümmungsradien in verschiedene Ebenen fokussieren das Licht in verschiedenen Punkte Quelle: Koma 5.18 Lichtstrahlen, die von abseits der optischen Achse kommen, werden auch abseits dieser Achse gebündelt verschärfte Form der sphärischen Aberration Quelle:

10 Chromatische Aberrationen 5.19 Wegen Dispersion in Glas werden Lichtstrahlen verschiedener Wellenlänge in verschiedenen Punkten fokussiert Korrektur: durch so genannte Achromaten Quellen: Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 2.1 Lupe / Mikroskop 2.2 Blenden / Aperturen 2.3 Aberrationen 2.4 Bekannte Mikroskope Lichtmikroskop Stereomikroskop Phasenkontrastmikroskopie Fluoreszenzmikroskopie Konfokalmikroskopie Nahfeldmikroskopie Optische Messtechnik 4. Biomedizinische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitung 6. Optische Datenspeicherung 7. Optische Informationstechnik 8. Mikro- und Nanooptische Systeme

11 Lichtmikroskop Unterscheidung zwischen Durchlichtmikroskopie und Auflichtmikroskopie Auflichtmikroskopie für undurchsichtige Objekte 5.21 Aperturblenden Gesichtsfeldblenden Objektive 5.22 Mikroskopobjektive gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen Spezielle Objektive: Immersionsobjektiv, Öl zwischen Objektiv und Objekt (hohe Auflösung, helles Bild) Objektive mit Deckglaskorrektur

12 Beleuchtungsmethoden 5.23 Hellfeld (linkes Beispiel) Objekt wird durchstrahlt, direktes Licht trifft ins Objektiv Dunkelfeld (rechtes Beispiel) Objekt wird durchstrahlt, direktes Licht trifft aber nicht ins Objektiv. Deshalb sind nur diejenigen Punkte im Bild zu sehen, die Streuung oder Beugung verursachen Stereomikroskop 5.24 Geräteklasse der Auflichtmikroskope Stereomikroskope arbeiten mit zwei getrennt verlaufenden Strahlengängen

13 Phasenkontrastmikroskopie 5.25 Prinzip: Manche Objekte verändern die Amplitude des Lichtes kaum: Schlechter Kontrast Dafür ändern solche Objekte oft die Phase des Lichts ( Phasenobjekte ) Abschwächen des direkten Lichtes und Phasenänderung um π/2 ergibt destruktive Interferenz mit gebeugtem Licht vom Objekt Fluoreszenzmikroskopie 5.26 Prinzip: Objekt wird mit Licht einer bestimmten spektralen Verteilung beleuchtet (meist im Blauen oder UV) Fluoreszierende Stoffe leuchten auf Mit einem geeigneten Filtersatz wird die viel hellere Anregungswellenlänge geblockt

14 Konfokalmikroskopie 5.27 Prinzip: Anregungslicht in die Probe hineinfokussiert (meist Laser) Licht aus diesem Fokus wird durch das gleiche Objektiv auf eine Lochblende abgebildet und gelangt von dort auf einen Detektor Durch konfokalen Aufbau und Lochblenden z-auflösung hoch xy-auflösung identisch einem Lichtmikroskop Nahfeldmikroskopie 5.28 Prinzip: Objektausschnitt wird durch eine sehr kleine Öffnung (kleiner als die Wellenlänge) und aus einer sehr kurzen Entfernung beleuchtet Detektion im Fernfeld Objekt muss abgescannt werden (Rastermikroskop) Erlaubt 100 mal bessere xy-auflösung als mit einem Lichtmikroskop Kohlenstoff-Nanoröhren A. Lichtmikroskop B. Nahfeldmikroskop Quellen:

15 Am LTI 5.29 Lichtmikroskop (Hell- und Dunkelfeldbeleuchtung) Phasenkontrastmikroskopie Fluoreszenzmikroskopie Konfokalmikroskopie µm Fragensammlung 5.30 Was ist Vergrößerung? Wie funktioniert eine Lupe? Wie funktioniert ein Mikroskop? Welche Auswirkungen haben Blenden auf ein optisches System? Wie kann man das Auflösungsvermögen eines Mikroskops verbessern? Welche Abbildungsfehler treten bei Spiegeln auf? Welche Abbildungsfehler treten bei Linsen auf und wie korrigiert man diese? Nenne die zwei gängigen Belichtungsmethoden bei der Lichtmikroskopie! Zähle die wichtigsten Mikroskope, die auf Licht basieren, auf!