Final Student Theses

Abbildende optische Systeme sind in einzigartiger Weise für die Analyse und messtechnische Untersuchung chemischer und physikalischer Prozesse geeignet. Besonderheit ist dabei, dass z.B. durch die Aufnahme der abgestrahlten, elektromagnetischen Strahlung eine berührungslose und damit wechselwirkungsarme Prozessanalyse möglich ist. Zur Erweiterung der messtechnischen Möglichkeiten sind Untersuchungen auch außerhalb des Spektralbereiches des sichtbaren Lichtes wünschenswert. Beispielsweise können, durch die dynamische Erfassung und Visualisierung von Koronaentladungen, im tiefen ultravioletten Bereich, Defekte und Störungen an Freileitungen vorgebeugt werden. Ziel dieser Arbeit ist, die Untersuchung geeigneter Detektions- und Abbildungsstrukturen für die optische Sensorik im UV-Bereich. Aus diesem Grund wird zunächst ein fundamentales Verständnis zu den Möglichkeiten und Grenzen der UV-Detektion, hinsichtlich optischer Materialien, hoch transmittierender Optiken, sowie UV-empfindlicher Sensorik, erarbeitet. Aufbauend auf Grundlagen aus Halbleiterphysik, Licht und Optik werden die spektralen Grenzen, aktueller CCD- und CMOS-Techniken, aufgezeigt. Weiterhin wird die Backside Illuminated Technologie, sowie deren Vorteile für die UV-Detektion, vorgestellt. Der experimentelle Teil dieser Arbeit knüpft an Ergebnisse aus dem Pflichtpraktikum im Multimediazentrum der Friedrich-Schiller-Universität Jena an, welche hier diskutiert und betrachtet werden. Dabei ging es um die Visualisierung von Teilentladungen einer Spitze-Platte-Anordnung in Luft, bei Gleich- und Wechselstrombeanspruchung, in einem Kooperationsprojekt mit dem Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik der Technischen Universität Dresden. Als Detektor wurde hier eine Hochgeschwindigkeitskamera für das UV-Spektrum, mithilfe von Wellenlängenkonversion und einer geeigneten Fluoreszenzschicht, sensorseitig optimiert. Weiterhin sind vergleichende Versuche, mit einer zweiten, UV-empfindlichen Kamera, Bestandteil der Auswertung. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Parameter für die Detektion von UV-emittierenden Quellen zu beachten sind, damit eine Visualisierung in geeigneter Form möglich ist.

Für industrielle und kommerzielle Anwendungen werden volumenholographische Materialien benötigt, die mechanisch, thermisch und chemisch stabil sind. Als klassisches Medium für optische Anwendungen erfüllt insbesondere Glas diese Anforderungen. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der volumenholographischen Funktionalisierung von photo-thermisch-refraktiven Gläsern. Die Aufnahme und Charakterisierung von Volumenhologrammen erfolgt dabei sowohl in Transmission als auch in Reflexion, um die Möglichkeiten und Grenzen dieser noch unzureichend erforschten Gläser aufzuzeigen. Eine zentrale Herausforderung ist es, mit Hilfe von Parameterstudien herauszufinden, mit welchen Belichtungsparametern, Aufnahme- und Rekonstruktionsgeometrien sowie unter welchen Bedingungen Transmissions- und Reflexionsvolumenhologramme in das Material eingebracht werden können. Parameter, die nicht unmittelbar gemessen werden können wie beispielsweise die Brechzahlmodifikation, werden durch einen Abgleich mit Simulationen auf Basis der gekoppelten Wellentheorie von Kogelnik bestimmt. Ursachen für Abweichungen werden in Bezug auf das verwendete PTR-Glas und Grenzen der angewandten Kogelnik-Theorie diskutiert.

Ziel der Arbeit ist es, den Einsatz von verstimmbaren Optiken für Zoomoptiken in Smartphonekameras zu untersuchen. Hierzu wird zunächst die Historie sowie die Funktionsweise konventioneller Zoomoptiken erläutert, bevor diese mit dem Aufbau und dem Funktionsprinzip verstimmbarer Optiken verglichen werden. Dabei ergeben sich sowohl Vorteile als auch Nachteile für beide Varianten, welche anschließend aufgezeigt werden. Die Recherche zu bereits in Smartphones verwendeten Zoomsystemen macht deutlich, dass diese einen optischen Zoom lediglich durch den konventionellen Ansatz erzielen, jedoch auch einige Patente zum Einsatz verstimmbarer Optiken existieren. Ein solches Patentsystem wird mithilfe des Optikdesignprogramms "Zemax" simuliert und analysiert. Die gewonnen Erkenntnisse werden daraufhin für den Aufbau mehrerer kombinierter Zoomsystems aus konventioneller und verstimmbarer Optik genutzt. Abschließend werden die Ergebnisse hinsichtlich eines möglichen Einsatzes in Smartphonekameras abgewogen.

Die Lichtschichtmikroskopie (LSM) ist eine seit einigen Jahren verwendete bildgebende Methode zur zerstörungsfreien Abbildung von Proben in der biologischen und medizinischen Forschung. Im Laufe der letzten Jahre wurden verschiedene statische wie dynamische Methoden zur Lichtschichterzeugung entwickelt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung und dem Aufbau eines experimentellen Systems, welches die Möglichkeit bieten soll, diese Methoden zu testen und miteinander zu vergleichen. Begonnen wird mit Simulationen mithilfe der Programme PARAX und Zemax. Das dabei ausgelegte System wird im Labor aufgebaut und besteht aus drei Teilen: der Laserlichtquelle mit Strahlaufweitung und Strahlaufbereitung, der Lichtschichterzeugung mittels Zylinderlinse und einer verfahrbaren Kamera. Als Bewertungskriterium wird die Kaustik der Lichtschicht herangezogen, welche entscheidend ist für die Leistungsfähigkeit eines LSMs. Zur Vermessung der Kaustik mithilfe der Kamera wird ein eigens geschriebenes LabView-Programm vorgestellt. Erste Messungen erlauben den Vergleich zwischen simulierter und gemessener Lichtschichtdicke.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem strukturierten Aufbau von kompakten, vergrößernden Teleskoparray-Systemen für AMD-Sehhilfen. Einerseits werden die notwendigen Einzelkomponenten analysiert: Es wird eine Marktanalyse für Mikrolinsenarrays präsentiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung von gefertigten Mikrolinsenarrays, im Besonderen deren Formtreue und Toleranzen. Dazu wurden mehrere Messprinzipien verwendet. Um den Bogen von der Messung zur Simulation zu spannen, wurde ein Scilab-Programm geschrieben. Mit diesem lassen sich dreidimensionale Oberflächenmessdaten des Olympus Laserscanning-Mikroskopes durch genäherte Funktionen, etwa in Form von Polynomen, substituieren. Die Grenzen der einzelnen Programmteile und die Erweiterungsmöglichkeiten dieses Programmes werden abschließend unter die Lupe genommen. Andererseits sind die Charakteristika von vergrößernden Array-Optiken beleuchtet: Die notwendigen Anforderungen für vergrößernde AMD-Sehhilfen werden diskutiert, mehrere Kepler-Systeme auf Basis am Markt verfügbarer Linsenarrays entworfen und in Zemax simuliert sowie die Ergebnisse der Simulationen mit einem am Fachgebiet entworfenen galileischen Teleskoparray verglichen. Bei diesen Betrachtungen werden vielfach systembestimmende Verknüpfungspunkte zwischen vergrößernden Array-Optiken mit dem Anwendungsgebiet als AMD-Sehhilfe aufgezeigt.