Dissertations

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten für die Stabilisierung der Bildlage handgeführter terrestrischer Doppelfernrohre erläutert. Bevor die Erstellung eines Lösungskonzeptes erfolgt, werden wesentliche Kriterien bestimmt, die für die Auslegung der Bildstabilisierung von Bedeutung sind. Hierfür wird das Frequenzspektrum der Bewegungsunruhe bei Freihandbeobachtung für eine Probandengruppe analysiert, die sich aus Personen unterschiedlichen Alters und Geschlechts zusammensetzt. In einem weiteren Schritt wird eine Auswahl der zur Kompensation der Bewegungsunruhe (Störgröße) verwendeten Optik sowie deren Bewegungsfreiheitsgrade, bezogen auf die Ziellinie, getroffen. Dabei wird das Ziel verfolgt, die durch die Bildstabilisierung verursachten Abbildungsfehler gering zu halten. Auf Basis der erarbeiteten Kriterien werden potentielle Lösungswege für eine passive und aktive Bildstabilisierung sowie die Kombination aus beiden, die als hybride Stabilisierung bezeichnet werden kann, untersucht. Alle Lösungen besitzen eine Knickbrücke, welche die Gehäusehälften zur Anpassung an den Augenabstand des Beobachters drehbar miteinander verbindet. Diese Bauform ist für Doppelfernrohre üblich, jedoch für Doppelfernrohre mit Bildstabilisation bisher nicht umgesetzt. Für die Realisierung der Stabilisierungsfunktion werden bestehende Lösungen geprüft, erweitert und mit neuen Ansätzen kombiniert. Das Vorgehen wird stellvertretend am Beispiel der optischen Komponenten des Doppelfernrohres Zeiss Conquest 15x45 BT* erläutert. Diesem liegen die angestellten Berechnungen und Simulationen sowie die konstruktiven Gestaltungsvorschläge zugrunde. Das Hauptaugenmerk der Betrachtungen liegt auf der passiven Bildstabilisierung, die eine Trägheitsstabilisierung darstellt. Hierfür wird ein analytisches Modell erstellt, welches das Schwingungsverhalten durch einen fremderregten gedämpften Einmassenschwinger beschreibt. Die Anregung erfolgt dabei über eine Fußpunktbewegung, die gleichzeitig über Drehfeder und Dämpfer eingeleitet wird. Eine Bedämpfung des mechanischen Schwingers erfolgt durch eine Wirbelstromdämpfung, die eine Form der viskosen Dämpfung darstellt. Die theoretischen Annahmen werden anhand von Experimenten überprüft, in deren Ergebnis die Richtigkeit der Hypothesen nachgewiesen werden konnte. Eine genaue Vorhersage des Schwingungsverhaltens ist durch Einführen von Korrekturkoeffizienten möglich. Das gefundene "reale Schwingermodell" vereinfacht und verkürzt die Entwicklung zukünftiger Systeme zur Stabilisierung der Bildlage. Des Weiteren wird auf eine Anpassung der Stabilisierungseinrichtung eingegangen, die es ermöglicht, das Verhalten an die Beobachtungssituation anzupassen. Somit ist es denkbar, die Bildstabilisierung bei einer Nachführbewegung zur Objektverfolgung zu unterdrücken. Umfassende Überlegungen werden zur prinzipiellen Anordnung der Stabilisatorbaugruppe und zu deren fehlerarmer Montage und Justage angestellt. Für die Umsetzung in einem Funktionsdemonstrator wird die Ausführungsform des Duostabilisators gewählt, bei dem zwei voneinander unabhängige identische Stabilisatorbaugruppen in einem Fernrohrgehäuse erbaut sind. Dabei kann ein synchrones Schwingungsverhalten beider Stabilisatorbaugruppen nachgewiesen werden, wodurch sich ein geringer dynamischer binokularer Gerätefehler einstellt. Die bestehenden Erfahrungen im Fernrohrbau werden mit den neu gewonnenen Erkenntnissen dieser Arbeit kombiniert und fließen in die Entwicklung eines Konzeptes für ein die Bildlage stabilisierendes Doppelfernrohr mit klassischer Knickbrücke ein. Das Grundkonzept lässt sich sowohl auf eine passive wie auch eine aktive Bildstabilisierung übertragen und ermöglicht eine wirtschaftliche und zielgerichtete Entwicklung zukünftiger Produkte mit vorhersagbaren Resultaten. Aus dem vorgestellten Konzept gehen Richtlinien für die Konstruktion hervor, die auf ähnlich gelagerte Anwendungen, wie beispielsweise die Schwingungsdämpfung taktiler Messköpfe, übertragen werden können. Infolgedessen ist der Wissenszuwachs in weiteren technischen Gebieten nutzbar.

Nanomessmaschinen dienen zur nanometergenauen Messung von geometrischen Gestaltparametern. Sie sind in verschiedenen Bereichen der Nanotechnologie und Nanoelektronik einsetzbar. Oftmals sind die Messbereiche auf einige Mikrometer bis Millimeter begrenzt, jedoch verlangen neue Anwendungen Nanomessmaschinen mit immer größeren Messbereichen und immer kleineren Messunsicherheiten. Ein wichtiger Bestandteil bei deren Entwicklung ist die Konzeption und konstruktive Gestaltung der Messkreiselemente und insbesondere des Messrahmens. Dafür werden dem Entwickler von Nanomessmaschinen eine Vorgehensweise und Richtlinien zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe einer Messkreisstruktur und eines vektoriellen Messkreismodells können Abweichungen der Messkreiselemente analysiert werden. Um diese klein zu halten werden verschiedene Maßnahmen bei der Konzeption und konstruktiven Gestaltung diskutiert. Anhand eines Messrahmens für eine Nanomessmaschine mit kartesisch-horizontaler Messanordnung wird der konstruktive Entwicklungsprozess gezeigt. Ausgehend von einer universell nutzbaren Kombinationstabelle werden Prinzipvarianten erarbeitet. Anschließend erfolgen eine Variantenauswahl und die Umsetzung der gewählten Variante. Eine theoretische Untersuchung des Fehlerverhaltens mit Hilfe des erarbeiteten messkreisbezogenen vektoriellen Modells bestätigt die Tauglichkeit der Lösung. Mit der kartesisch-tetraederförmigen Messanordnung ist es möglich, das Konstruktionsprinzip der Symmetrie auch für den Messrahmen konsequent einzuhalten. Dies ermöglicht die passive Kompensation von Abweichungen. Zunächst werden die Grundlagen zur Abschätzung der Messunsicherheit der Interferometer mit Hilfe einer Koordinatentransformation geschaffen und angewendet. Anschließend erfolgt der Entwurf eines Messrahmens mit kartesisch-tetraederförmiger Messanordnung. Im Ergebnis entsteht ein "Dreibein"-Messrahmen, dessen Fehlerverhalten untersucht wird. Den Abschluss bildet eine Gegenüberstellung der kartesisch-horizontalen und der kartesisch-tetraedrischen Messanordnung für planare und dreidimensionale Messobjekte hinsichtlich funktioneller, metrologischer und konstruktiver Kriterien. Daraufhin werden allgemeine Schlussfolgerungen für die Auswahl der optimalen Messanordnung gezogen.

Die Arbeit präsentiert Ergebnisse theoretischer und experimenteller Grundlagenuntersuchungen an ebenen rotationssymmetrischen Gaslagerelementen, die unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung eingesetzt werden können. Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung hochvakuumtauglicher Gasführungen zu leisten. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Düsenlagerelemente mit Mikroverteilerkanälen und poröse Lagerelemente. In die Lagerelemente integrierte Dichtsysteme führen das zur Ausbildung des tragenden Schmierfilmes benötigte und kontinuierlich einströmende Gas nahezu vollständig wieder ab. Durch die Absaugung des Gases findet im tragenden Gasfilm ein Übergang von der Kontinuumsströmung zur Molekularströmung statt. Zur Dimensionierung der Lagerelemente wird ein einfaches numerisches Modell entwickelt, dass durch die Berücksichtigung dieses Übergangs die Auslegung der Lagerelemente für einen beliebigen Umgebungsdruck ermöglicht. Auch zur Auslegung des Dichtsystems werden umfangreiche Berechnungswerkzeuge bereitgestellt. Es wird gezeigt, inwieweit sich die Charakteristiken beider Lagerelementarten durch das Dichtsystem und die Vakuumumgebung im Vergleich zum Einsatz unter Normalatmosphäre verändern. In einer Gegenüberstellung werden für beide Lagerelementarten im Hochvakuum bei 10^{-7} mbar gute Trageigenschaften und sehr geringe Leckraten <0,3 ælN/min nachgewiesen. Die theoretischen Ergebnisse werden dabei sehr gut durch die experimentellen Untersuchungen bestätigt. Für beide Lagerelementarten werden Möglichkeiten zur Optimierung der statischen Eigenschaften analysiert, die sich aus einer Modifikation der Drosselparameter bzw. durch den Einsatz spezieller Gase ergeben. Experimentell wird gezeigt, dass die an Normalatmosphäre stabil arbeitenden Lagerelemente im Vakuum nach Überschreiten einer Stabilitätsgrenze zu selbsterregten Schwingungen neigen. Das Auftreten der Stabilitätsgrenze wird theoretisch begründet und der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Stabilitätsgrenze analysiert. Ebenso wird in experimentellen Untersuchungen die auf verschiedenen Materialien hervorgerufene Gasabgaberate bestimmt, die bei einer translatorischen Relativbewegung zwischen dem Lagerelement und dem eingesetzten Gegenpart auftritt. Mit der Arbeit gelingt es, die Einsatzmöglichkeit von Gaslagerelementen unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung erfolgreich nachzuweisen. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die zu guten Trageigenschaften, niedrigen Leck- und Gasabgaberaten und einem stabilen Betriebsverhalten der Lagerelemente führen.