Dissertations, Habilitations

Insbesondere für Sensorik- oder Abbildungsanwendungen werden neben mikro-elektronischen, -mechanischen und -fluidischen Bauteilen immer kleinere und leistungsfähigere optische Komponenten und System benötigt. Die optische System- und Funktionsintegration stellt die dafür erforderlichen Werkzeuge in Form von Konzept- und Optikdesignansätzen sowie Fertigungsprozessen zur Verfügung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung innovativer Methoden zur Realisierung hoch-funktionsintegrierter, miniaturisierter und robuster optischer Freistrahlsysteme. Durch Faltung des Strahlenganges kann ein für viele Anwendungen interessanter Kompromiss aus Systemgröße und -funktionalität erreicht werden. Als eine der zentralen Herausforderungen beim Optikdesign solcher Systeme, wird in der vorliegenden Arbeit sowohl auf etablierte als auch innovative Methoden zur Startsystemfindung im Detail eingegangen. Aus theoretischen Betrachtungen wird deutlich, dass eine optimale Leistungsfähigkeit gefalteter optischer Systeme häufig nur mit komplexen, von der Rotationssymmetrie abweichenden Oberflächenprofilen erreicht werden kann. Durch die ebenfalls eingehend untersuchte Integration zusätzlicher optischer Funktionalitäten wird die Oberflächenkomplexität weiter erhöht. Um den damit einhergehenden steigenden technologischen Anforderungen gerecht werden zu können, steht ein neuartiger integrierter Fertigungsprozess zur Verfügung. Durch sukzessive Anwendung unterschiedlicher Fertigungsverfahren innerhalb eines Bearbeitungs-, Mess- und Positioniersystems werden eine hohe Flexibilität und Präzision bei der Fertigung einzelner Oberflächen und kompletter optischer Systeme erreicht. Ausgehend von den theoretischen und technologischen Grundlagen wird die Integration optischer Funktionen am Beispiel zweier komplexer optischer Strahlformungskomponenten und die optische Systemintegration eines Gasdetektors vorgestellt. An den profilometrischen und optischen Charakterisierungsergebnissen werden die Möglichkeiten und Grenzen der optischen System- und Funktionsintegration diskutiert.

Diese Dissertation befasst sich mit der Fragestellung einer optimalen Nutzung verstimmbarer mikrooptischer Bauelemente für den Einsatz in abbildenden Optiksystemen. Neue Ansätze zur Miniaturisierung abbildender Systeme beruhen auf Komponenten mit variablen optischen Eigenschaften wie der Linsenbrennweite oder dem Blendendurchmesser. Diese können auf die jeweiligen Abbildungsbedingungen angepasst werden und so eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig kleinem Bauraum erzielen. Eingeschränkt wird der Verstimmbereich jedoch meist durch die verwendeten Materialen und Aktuierungskonzepte. Dies erfordert neue Wege in der Konzeptionierung solcher Systeme, welche neben den zahlreichen Vorzügen eines variablen Bauelementes auch die Schwachstellen dieser einbeziehen müssen. Im Folgenden werden flüssigkeitsgefüllte Linsen mit Membranen aus Aluminiumnitrid untersucht, welche über einen angelegten Druck verstimmt werden können. Es erfolgen eine Untersuchung der Einzelkomponenten sowie Design, Aufbau und Charakterisierung eines scannenden Systems und eines Zoomobjektives, welche ohne bewegliche Teile auskommen. Aufgrund der hohen mechanischen Stabilität der verwendeten Membranen ist auch eine Realisierung von Linsen mit zylindrischem Oberflächenprofil möglich. Hiermit wird ein anamorphotisches System, mit in horizontaler und vertikaler Bildrichtung individuell einstellbaren Abbildungsmaßstäben, demonstriert. Die thermomechanischen Eigenschaften des Aluminiumnitrids ermöglichen auch die Umsetzung eines Prismas zur variablen Strahlablenkung in Transmission. Es wird gezeigt, dass dessen Ausrichtung einen wesentlichen Einfluss auf die Stärke der Ablenkung und die Abbildungsqualität hat. Neue Konzepte für verstimmbare Blenden ermöglichen die Anpassung der Öffnung ohne bewegliche Teile. Beispielsweise lässt sich von elektrochromen Materialien die Transmission elektrisch gesteuert beeinflussen. Ein Nachteil dieses Materialsystems ist die nicht ideale Absorption im Randbereich der Blende. Welche Leistungsfähigkeit von diesen Blenden zu erwarten ist und welcher Einstellbereich gewählt werden sollte, zeigen Untersuchungen hinsichtlich einer maximalen Abbildungstiefe. Ausgehend von konkreten Bauelementen, erbringt diese Arbeit allgemeingültige Designstrategien für die Auslegung verstimmbarer Linsen, Prismen und Blenden.

Chromatisch-konfokale Systeme fokussieren die spektralen Kompenenten eines polychromatischen Signals auf unterschiedliche räumliche Positionen, an denen sie mit Hilfe von Blenden gefiltert werden. Auf diese Weise können Informationen einerseits in der Spektralverteilung eines optischen Signals gespeichert werden. Anderseits kann auch die Spektralverteilung eines polychromatischen Signals ermittelt werden. Chromatisch-konfokale Systeme werden häufig zur berührungslosen Abstandsmessung und für die ortsaufgelöste Spektroskopie eingesetzt. In dieser Arbeit werden Designstrategien für chromatisch-konfokale Systeme entwickelt. Ein Schwerpunkt liegt auf der systematischen Modellierung der Signalentstehung unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des optischen Systems, der Abbildungsfehler und der Eigenschaften des Detektionssystems. Hierbei werden insbesondere auch inkohärente Lichtquellen und räumlich ausgedehnte Beleuchtungsgeometrien berücksichtigt. Schnelle numerische Implementationen dieser Modelle erlauben in allen Stadien des Designprozesses eine Vorhersage des spektralen Filterverhaltens. Das spektrale Filterverhalten wird als primäres Bewertungskriterium für die Leistungsfähigkeit des optischen Systems verwendet und wird zur Ableitung effektiver Designstrategien herangezogen. Die Designstrategien umfassen sowohl die Entwicklung von Startsystemen als auch den nachfolgenden Optimierungsprozess, bei dem monochromatische Abbildungsfehler berücksichtigt werden. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf der nachträglichen Korrektur der Abbildungsfehler während der Signalverabeitung und auf ihrer automatischen Kompensation durch bestimmte Systemanordnungen. In Kombination mit den neu entwickelten Signalerzeugungsmodellen ermöglicht dieser Ansatz die Entwicklung optimierter, kompakter und günstiger Sensorsysteme, die auf die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebietes zugeschnitten sind und auf kostengünstigen Lichtquellen wie Leuchtdioden basieren. Die vorgestellten Designstrategien werden für die Entwicklung verschiedener Demonstrator- und kommerzieller Sensorsysteme eingesetzt.

Die Messung und Analyse von Streulicht hat in den vergangenen Jahren wesentlich an Einfluss gewonnen. Der Mangel an Messsystemen die sowohl flexibel als auch kompakt sind, motivierte diese Arbeit zur Entwicklung eines winkelauflösenden Table-Top Streulichtmesssystems mit dazugehörigen Auswertemethodiken.Das realisierte Table-Top Goniometer weist kompakte Abmaße von <0,8x0,8x0,8 m 3 auf und ermöglicht die Messung von 3D-Streulichtverteilungen bei Beleuchtungwellenlängen von 405 nm, 532 nm und 640 nm. Mit erreichten Sensitivitäten, die nur durch die Luftstreuung begrenzt sind, wurde eine Dynamik von 14 Größenordnungen erzielt. Die kompakte Konstruktion wurde durch ein spezielles Achsdesign und über Faltung der Strahlengänge erreicht. Messunsicherheit und Instrumentesignatur wurden anhand von neu entwickelten Modellen und Simulationen analysiert. Darauf aufbauend erfolgten Optimierungen. Basierend auf dem Frequenzmultiplex-Prinzip wurde ein Konzept zur Ermöglichung paralleler Streulichtmessungen mit hoher Sensitivität und Dynamik entwickelt. Hiermit lässt sich das gestreute Licht unterschiedlicher Beleuchtungswellenlängen und/oder -polarisationen in verschiedenen Messkanälen gleichzeitig detektieren. Es wurde eine streulichtbasierte Analysemethode anisotroper Oberflächen eingeführt, die einen direkten Bezug zu optischen und rauheitsbeschreibenden Eigenschaften aufweist. Hiermit ließen sich erstmals Rauheitskomponenten unterschiedlicher Ursache bei ultrapräzisionsbearbeiteten diamantgedrehten Oberflächen als Funktion der Ortsfrequenz trennen. Der Einfluss von Anisotropie bei unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen wurde untersucht. Über Streulichtanalyse mit mehreren Beleuchtungswellenlängen wurde eine hochrobuste Rauheitscharakterisierung demonstriert. Hiermit ließen sich Kontaminationen auf beschichteten und unbeschichteten Substraten sowie Rauheitswachstum in Dünnschichtfilmen nachweisen. Es wurde gezeigt, dass sich Diamantschliffe über die Auswertung von 3D-Streulichtverteilungen charakterisieren lassen. Es können beispielsweise die Politurgüte einzelner Facetten sowie die optische Performance von Brillanten bewertet und klassifiziert werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Integration opto-fluidischer Messsysteme zur Partikelkonzentrationsmessung und Partikelgrößenanalyse in fließenden Suspensionen aus Wasser und Teststaub. Die untersuchten polydispersen Teststäube gemäß der Norm ISO 12103-1 in den Körnungen fein, mittel und grob bestehen aus Partikeln mit Größen zwischen 0,5 und 150 mym und weisen unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen auf. Durch die Bestimmung des Mittelwertes und der Standardabweichung des Streulichtes und der Transmission wird die Partikelmassekonzentration und der Sauterdurchmesser als mittlerer Durchmesser der Partikelgrößenverteilung ermittelt. Bei ansteigenden mittleren Partikelgrößen verringert sich bei gleicher Partikelmassekonzentration das Signal-Rausch-Verhältnis, da sich der größte Teil des Streulichtes mit dem Anregungslicht überlagert. Um dennoch das Streulicht zur Partikelanalyse heranziehen zu können, wird der Ansatz der Talbotinterferometrie untersucht. Basierend auf dem Modell der Fresnelbeugung wird ein analytischer Simulationsansatz vorgestellt, mit dem das zu erwartende Signal in der Selbstabbildungsebene eines Gitters in Abhängigkeit der Partikelposition im Probenvolumen und dem Verhältnis von Partiklegröße zur Gitterperiode untersucht wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis bei diesem Verfahren zeigt einen anderen Verlauf als bei der Streulicht- und Transmissionsmessung, so dass dieser Ansatz bei Partikelgrößen oberhalb von 10 mym und kurzen Messlängen von einigen hundert m zu besseren Ergebnissen führt. Auf den theoretischen Überlegungen und verschiedenen Simulationsansätzen basierend erfolgt die Konzeption integrierter Messsysteme zur Partikelanalyse nach dem Ansatz der planar integrierten Freiraumoptik. Ein System, das sowohl die Transmission als auch das gestreute Licht misst, wird demonstriert. Es ermöglicht die Bestimmung der Partikelmassekonzentration und des Sauterdurchmessers der drei Teststäube mit einer Nachweisgrenze besser als 1 mg/l. Für eine optimale Integration werden planare Strahler-Empfänger-Baugruppen verwendet, die ein VCSEL bei 850 nm als Lichtquelle und monolithisch integrierte segmentierte Photodioden enthalten. Die Integration des Gesamtsystems erfolgt in transparenten PMMA-Substraten. Der Entwurf eines integrierten Talbotinterferometers zur Partikelanalyse wird vorgestellt und die einzuhaltenden Toleranzen werden diskutiert.