Dissertationen, Habilitationsschriften

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Hagemann, Malte;
Lichttechnische und elektrooptische Optimierung organischer Leuchtdioden, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: XI, 151 S., 20,25 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
Parallel als Druckausg. erschienen

Diese Arbeit behandelt die lichttechnische sowie elektrooptische Optimierung von organischen Leuchtdioden (OLED) auf Basis löslicher Polymere. Hierfür wird zunächst die Lichtpropagation ausgehend von dem OLED Schichtsystem über die Auskoppeloptik und Strahlformungsoptik bis hin zur anwendungsbezogenen Nutzebene unterteilt. Für jeden Abschnitt erfolgt eine Beschreibung eines effektiven physikalischen Modells zur Berechnung der Lichtausbreitung und die dafür verwendete Softwarelösung. Unter Berücksichtigung der Merkmale für eine hochwertige Beleuchtung erfolgt eine Optimierung der Schichtdickenkonfiguration, Strukturierung der Polymeranode und Design von Primär- sowie Sekundäroptiken. Mit entscheidend für eine gute Optimierung ist die simultane Berücksichtigung der elektrischen Effekte (ohmsche Verluste in der Anode) sowie optischen Effekte (Absorption und Interferenz im Schichtsystem). Durch Anpassungen der Schichtdicken ist es möglich die Leuchtdichte des OLED Musters um den Faktor 1,23 zu erhöhen. Eine geeignete Strukturierung der Polymeranode mit metallischen Leiterbahnen führt zu Bauteilen, welche einen um Faktor 3 größeren Lichtstrom im Verhältnis zu den nicht strukturierten Bauteilen aufweisen. Mittels diffuser Primäroptik kann die Leuchtdichte der OLED um den Faktor 1,2 weiter gesteigert werden. Durch die in dieser Arbeit entwickelten anwendungsspezifischen Sekundäroptiken sowie einem innovativen OLED Treiber konnten erste Anwendungsfelder im Bereich der Beleuchtungstechnik mit organischen Leuchtdioden auf Basis löslicher Polymere realisiert werden.



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Kanka, Mario;
Bildrekonstruktion in der digitalen inline-holografischen Mikroskopie. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: XII, 113 S., 9,47 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
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Ein kohärent beleuchtetes Pinhole erzeugt sphärische Wellenfronten, welche durch ein mikroskopisches Objekt beeinflusst werden. Das hinter dem Objekt entstehende Interferenzmuster heißt Hologramm und wird mit einem 2D-Bild-Detektor aufgezeichnet. In der digitalen inlineholografischen Mikroskopie wird mit einem Computer aus einem solchen Hologramm ein Bild des mikroskopischen Objekts rekonstruiert. Das 1. Rayleigh-Sommerfeld Beugungsintegral beschreibt die Wellenausbreitung in skalarer Näherung und eignet sich zur Rekonstruktion von Inline-Hologrammen für eine linsenlose Mikroskopie. Der numerische Aufwand ist aufgrund einer notwendigen Interpolation des Hologramms direkt abhängig von der optischen Auflösung im Objektbild. Bei Verwendung von 2D-Bild-Sensoren (CCD, CMOS) mit 4 Millionen oder mehr Pixel sowie handelsüblicher Desktop-PCs ist mit Rekonstruktionszeiten von mehreren Minuten und oft auch mit einem die Kapazitäten des Computers übersteigenden Speicherbedarf zu rechnen. In der vorliegenden Arbeit werden zwei neue Rekonstruktionsmethoden für die linsenlose digitale inline-holografische Mikroskopie vorgestellt. Diese Methoden berechnen das 1. Rayleigh-Sommerfeld Integral für sphärische Wellenfronten. Dabei wird das Hologramm ähnlich einem Schachbrett in identisch große Teilhologramme zerlegt. Diese Teilhologramme werden nacheinander phasenmodifiziert, interpoliert und zu einer neuen Wellenfront wieder zusammengefügt. Auf diese Weise sind die Anforderungen an den Speicher des Computers erheblich reduziert. Die Methoden führen die notwendige Interpolation des Hologramms indirekt im Fourier-Raum aus, sodass der numerische Aufwand nicht länger von der optischen Auflösung abhängt. Die erste der Methoden verursacht geringfügige Interpolationsartefakte, welche mit der zweiten, einer um den Faktor 2.5 langsameren Methode vermieden werden. Mit einer weiteren Methode zur Vorfilterung des Hologramms ist es nun auch möglich, einen beliebigen Ausschnitt der Objektebene zu rekonstruieren. Ein Desktop-PC (2.66 GHz) rekonstruiert ein Hologramm mit 4 Millionen Pixel in etwa 6 Sekunden. Spezielle Hardware-Komponenten wie Grafikkarten kamen dabei nicht zum Einsatz. In Experimenten wurden Hologramme von 1 my m großen Polymethylmethacrylat-Kugeln (PMMA) ohne abbildende Optik detektiert und Bilder dieser Kugeln mit einer NA von 0.7 rekonstruiert, wobei das lichtübertragende Medium Luft war (Brechungsindex n = 1). Das dabei rekonstruierte, erweiterte Bildfeld hatte einen Durchmesser von etwa 260 my m. Damit im Zusammenhang wird eine Dimensionierung für ein digitales inline-holografisches Mikroskop vorgeschlagen sowie die sich daraus ergebenden Grenzen und mögliche Erweiterungen diskutiert.



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Egloff, Thomas;
Ortsauflösendes Nah-Infrarot-Spektrometer basierend auf einem Mikro-Opto-Elektro-Mechanischem-System (MOEMS)
1. Aufl.. - München : Dr. Hut, 2011. - II, 139 S.. - (Optik) Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2011

Die vorliegende Arbeit stellt Grundlagen, spezifische Effekte, das Design und die Realisierung von ortsauflösenden Gitterspektrographen (OGS) am Beispiel eines Systems mit einem mikromechanischen scannenden Gitter dar. Im Rahmen der geometrischen Optik lässt sich die Abbildung des OGS beschreiben. Die paraxialen Abbildungseigenschaften sind daraus ableitbar. Aus der Beschreibung der Abbildung folgt die gitter-induzierte Verzerrung, die mit der Charakteristik von realen Systemen übereinstimmt. Aus der theoretischen Analyse lassen sich Möglichkeiten zur Minimierung ableiten. Das Verständnis für das inkohärente Abbildungsverhalten und die paraxialen Abbildungseigenschaften sind wichtig für das Design von OGS. Ein Ansatz für einen neuartigen ortsauflösenden MOEMS-Spektrograph (OMS) wird untersucht. In diesem System wird ein mikro-opto-elektro-mechanisches Bauelement verwendet. Dieses besteht aus einem Reflexionsgitter, das in die Oberfläche eines mikromechanischen Scanners strukturiert wurde. Die Strahlung eines linienförmigen Objektbereichs wird durch das Gitter spektral aufgespalten und durch Drehung örtlich gescannt. Die Abbildung mit dem Gitter und die Drehung desselben rufen eine komplexe Verzerrung hervor. Diese ist in eine örtliche und eine spektrale Komponente separierbar und gut im Winkelraum zu analysieren. Der Inklinationswinkel des Gitters kann für die Minimierung der Verzerrung genutzt werden. Die örtliche Auflösung des scannenden Systemansatzes wird durch die minimale Scannfrequenz des Gitters und die maximale Detektor-Ausleserate begrenzt. Ebenso sind der Lichtleitwert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis limitiert und hängen von der spektralen Auflösung, der Gitterkonstante und der Gitterfläche ab. Die Systementwicklung beginnt beim mikromechanischen scannenden Gitter. Im anschließenden Optikdesign werden die Auswahl und die Dimensionierung eines optischen Designansatzes gezeigt. Mit Nebenbedingungen wird das Startsystem bezüglich der Zielspezifikationen optimiert. Die spektral breitbandige Abbildung der quasi-eindimensionalen Felder wird mit abschattungsfreien Schiefspieglern realisiert. Die paarweise kollinear angeordneten Spiegel werden mit Abstandshaltern, die auf den optischen Funktionsflächen aufliegen, positioniert. Die Charakterisierung der Abbildungsqualität von OGS wurde am Beispiel des OMS gezeigt. Die geringe Ausdehnung des Objektfeldes in einer Richtung muss bei der Auswahl der Messmethode für die Modulationsübertragungsfunktion berücksichtigt werden. Die Überlagerung der örtlichen Abbildung und der Aufspaltung des Spektrums sind bei der Charakterisierung ebenfalls zu beachten. Die Ermittlung der Abbildungsqualität lässt sich einfach über die Linienbildfunktion umsetzen. Diese ist abhängig von der Wellenlänge, dem Objektfeld und der Hauptrichtung des OMS. Das ortsauflösende MOEMS-Spektrometer erfasst die Spektren in irregulären örtlichen Abständen. Mit einem Algorithmus werden diese Daten in eine äquidistante spektrale Bildmatrix gewandelt. Aus der Analyse des Messprozesses wird eine effiziente Spektrenvorverarbeitung abgeleitet. Die Datenverarbeitung und die Funktion werden am Beispiel eines Demonstrationssystems zur Identifizierung von Kunststoffsorten gezeigt.



Fratz, Markus;
Herstellung polarisationsholografischer optischer Elemente durch Laserbelichtung in Azobenzen-Polymeren, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 143 S., 22,4 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2010

Polarisationshologramme sind optische Elemente, deren Wirkung auf der Beeinflussung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Wellen beruht. Eine Möglichkeit der Herstellung von Polarisationshologrammen besteht darin, mit Hilfe kurzwelligen, linear polarisierten Lichts (Wellenlänge kleiner 550 nm) Anisotropie in Azobenzen-Polymeren zu erzeugen. Die erzeugte Anisotropie ist nach der Belichtung makroskopisch als Doppelbrechung beobachtbar. Durch hochaufgelöste räumliche Variation dieser Doppelbrechung lassen sich Polarisationshologramme herstellen. Die vorliegende Arbeit beschreibt Verfahren der Berechnung und Herstellung von Polarisationshologrammen in Azobenzen-Polymeren. Zur Herstellung der Hologramme werden zwei experimentelle Methoden beschrieben und gegenübergestellt. Bei der Belichtung von Polarisationshologrammen wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Einerseits wurde ein Belichter entwickelt, der darauf basiert, dass die Polarisationseigenschaften des Azobenzen-Polymers mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls Punkt für Punkt manipuliert werden. Mit dieser Belichtungsmethode wird eine laterale Auflösung von 1,2 my erzielt. Es werden Hologramme erzeugt, die für zirkular polarisierte Strahlung wie reine Phasenhologramme wirken. Diese weisen Beugungseffizienzen von rund 80 % für die erste Beugungsordnung auf. Daneben wird erstmals eine Möglichkeit gezeigt, wie mit einem Polarisationshologramm zwei unterschiedliche Beugungsbilder erzeugt werden können, die mit Hilfe von Standardpolarisationoptiken abwechselnd ausgeblendet werden können.Andererseits wird eine Möglichkeit demonstriert, die die Belichtung von Polarisationshologrammen mit Hilfe eines Spatial Light Modulator (SLM) ermöglicht. Der SLM wird dazu mit Hilfe eines Mikroskopobjektivs verkleinert auf eine Polymer-Schicht abgebildet. Mit dieser Methode wird eine laterale Auflösung von 1,6 my erreicht. Bei der Herstellung von Polarisationshologrammen mit dieser Anordnung werden Beugungseffizienzen von 35 % in die erste Beugungsordnung erzielt bzw. 82 %, sofern höhere Beugungsordnungen mitberücksichtigt werden. Daneben werden erstmals Hologramme hergestellt, die in einer einzelnen optischen Schicht Betrag und Phase des gebeugten Strahls unabhängig voneinander manipulieren. Als Beispielanwendung derartiger Hologramme werden verschiedene Vortex-Strahlen generiert.



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Amberg, Martin;
Optische Mikrosysteme und Bauelemente für die Optofluidik, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 140 S., 6241 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Parallel als Druckausg. erschienen

Inhalt dieser Arbeit sind Aspekte der Integration optischer Funktionen in die Optofluidik. Dies geschieht durch den Einsatz dynamischer hybrider planar integrierter freiraumoptischer (PIFSO) Systeme und integrierter diffraktiver Bauelemente für eine parallele Mikromanipulation mit einer optischen Pinzette.Für die optische Systemintegration wird der Ansatz der planar integrierten freiraumoptischen Systeme weiterentwickelt. Bei einer vollständigen diffraktive Implementierung stellt die Strukturgröße die Grenze für die Effizienz dar. Aufgrund der begrenzten minimalen Strukturgröße der Maskenlithographie ist die Effizienz dieser Systeme gering. Die Integration von hocheffizienten konventionellen Bauelementen stellt hohe Anforderungen an alternative Fertigungstechnologien. In dieser Arbeit wird als erweiterter Ansatz die Integration preiswerter "off-the-shelf" Komponenten wie Prismen oder rückverspiegelter sphärischer Linsen zur Effizienzsteigerung untersucht. Anhand unterschiedlicher Systemdesigns, einer Toleranzanalyse und Demonstratoren wird dieser Optimierungsansatz bewertet. In dieser Arbeit wird weiter die Integration von dynamischen modalen LC-Elementen in die PIFSO-Plattform diskutiert. Diese werden, wie die PIFSO-Systeme, mit planaren Fertigungstechnologien hergestellt, und sind deshalb für die Integration sehr gut geeignet. Die theoretischen Möglichkeiten des Systemansatzes zur Strahlablenkung und Fokuskorrektur werden untersucht, bewertet und demonstriert. Neben den dynamischen PIFSO-Systemen wurde auch die erweiterte Applikation optischer Pinzetten in der Optofluidik untersucht. Durch die Integration diffraktiver Bauelemente in die Kanalwand von mikrofluidischen Systemen können kompakte Systeme mit zusätzlichem Funktionsumfang zur parallelen Manipulation realisiert werden. Somit ist es z.B. möglich, mehrere Partikel gleichzeitig dreidimensional einzufangen oder im Fluss abzulenken. Dies wird anhand von Funktionsmustern gezeigt, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) realisiert wurden. Ein dritter, in einem Schritt abgeformter Demonstrator enthält sowohl die fluidischen Elemente als auch eine definierte optische Schnittstelle für die optische Pinzette. Aufgrund der neuen Schnittstelle kann der PDMS-Chip mit anderen Analysetools kombiniert werden. Alle diese Teilaspekte ermöglichen es dem Anwender optofluidische Systeme spezifisch zu optimieren.



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Teschke, Marcel;
Das interferometrische Phasenkontrastverfahren und seine Anwendung zur Herstellung diffraktiver optischer Elemente. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIII, 190 S., 6,07 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Parallel als Druckausg. erschienen

Zur flexiblen und günstigen Fertigung analoger Mikrooptik wurde ein interferometrisches Belichtungskonzept entworfen, welches als interferometrisches Phasenkontrastverfahren bezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit beschreibt das interferometrische Phasenkontrastverfahren analytisch und mathematisch. Aus dem interferometrischen Phasenkontrast werden zusätzlich zwei Modelle entwickelt, mit denen auf Fourierfilterung basierende Phasenkontrastverfahren berechnet werden können. Mit Hilfe eines dieser Modelle wird die Phasenkontrastabbildung mittels Phasenverzögerung des gebeugten Lichtes abgeleitet. Bei der Optimierung des interferometrischen Belichtungsaufbaus wird ein neuer Typ von Halbtonmaske für die analoge Lithographie gewonnen. Aus dem physikalischen Wirkungsprinzip dieser neuen Halbtonmaske werden vier weitere Halbtonmasken abgeleitet, welche allesamt die günstige Fertigung analoger Mikrooptik ermöglichen.



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Hofbauer, Engelbert;
Optisches Verfahren zur zweidimensionalen Messung von Winkeln und Winkeländerungen bei großen Messabständen, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: 141 S., 18,7 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2008
Parallel als Druckausg. erschienen

In der vorliegenden Dissertation wird anhand einer konkreten Aufgabenstellung aus der industriellen Fertigung die Entwicklung eines neuen Messverfahrens und einer neuen Messvorrichtung zur zweidimensionalen Messung von Winkeln und Winkeländerungen vorgestellt. Herkömmliche, bereits im Einsatz befindliche Verfahren sowie alternative Methoden auf Basis weiterer physikalischer Prinzipien werden herangezogen und bewertet. Eine Lösung auf Basis eines so genannten vignettierenden Feldblendenverfahrens wird in seinem prinzipiellen Aufbau und seiner Funktionsweise beschrieben und die Eignung bezüglich der Aufgabenstellung untersucht. Dabei werden die theoretischen Grundlagen zunächst rein geometrisch-optisch dargestellt und darüber hinaus einer lichttechnischen Betrachtung mit natürlicher Vignettierung unterzogen. Die Beleuchtungsstärkeverteilung des sich im wesentlichen durch künstliche Vignettierung ergebenden Lichtflecks in der Bildebene, dem so genannten V-SPOT, wird in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen analytisch hergeleitet.Darüber hinaus werden Intensitäts- und Schwerpunktsverschiebung innerhalb des V-SPOT durch Effekte wie geometrisch-optische Einflüsse, Abstrahlcharakteristik der Objektleuchtfläche in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels sowie Leuchtdichteverteilung in Abhängigkeit des Ortes in der Objektebene durch numerische Simulation untersucht. Auf Basis dieser Grundlagen werden die theoretischen Untersuchungen von möglichem Messbereich, Linearität sowie physikalischer Auflösungsgrenze durchgeführt. Die theoretischen Untersuchungen werden mit experimentell ermittelten Messungen verglichen und Abweichungen diskutiert.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-14867/ilm1-2008000035.pdf
Wippermann, Frank;
Chirped refractive microlens arrays, 2007. - Online-Ressource (PDF-Datei: 118 S., 7106 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
Parallel als Druckausg. erschienen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aspekten des Designs, der Herstellung und der Charakterisierung nichtregulärer Mikrolinsenarrays, für die in Anlehnung an weitere nichtperiodische Strukturen der englischsprachige Begriff "chirped microlens array" (cMLA) eingeführt wurde. Im Gegensatz zu klassischen - regulären - Mikrolinsenarrays, die aus identischen Linsen mit konstantem Abstand zueinander gebildet werden, bestehen cMLAs aus ähnlichen, jedoch nicht identischen Linsen, die mittels parametrischer Beschreibung deniert sind. Die Zelldefinition kann durch analytische Funktionen, numerische Optimierungsverfahren oder eine Kombination aus beiden gewonnen werden. Bei allen gechirpten Arrays hängen die Funktionen von der Position der jeweiligen Zelle im Array ab.insen mit konstantem Abstand zueinander gebildet werden, bestehen cMLAs aus ähnlichen, jedoch nicht identischen Linsen, die mittels parametrischer Beschreibung deniert sind. Die Zelldefinition kann durch analytische Funktionen, numerische Optimierungsverfahren oder eine Kombination aus beiden gewonnen werden. Bei allen gechirpten Arrays hängen die Funktionen von der Position der jeweiligen Zelle im Array ab. Die Loslösung von der starren Geometrie regulärer Arrays führt zu einer Erweiterung des klassischen Arraybegriffes und ermöglicht neue Freiheitsgrade im Design mikrooptischer Systeme. Der Schwerpunkt der Arbeit ist auf das Aufzeigen der neuen Designmöglichkeiten gerichtet, welche anhand von prototypenhaft umgesetzten Beispielsystemen erläutert werden. Anwendungsgebiete sind hierbei unter anderem die Verbesserung der Integrationsmöglichkeiten und die Optimierung der Funktionsparameter optischer Systeme. Exemplarisch werden hierzu optische Designs und Prototypen diskutiert, die unter anderem Anwendungen in der Strahlformung und der miniaturisierten Abbildungsoptik besitzen. Letzteres betrifft ein ultra-dünnes Kamerasystem, welches auf einem Sehprinzip von Insekten basiert und Baulängen kleiner als 250um ermöglicht. Hierbei findet ein cMLA Einsatz, welches die Korrektur außeraxialer Bildfehler und damit die Vergrößerung des Gesichtsfeldes der Kamera ermöglicht. Die das Array beschreibenden Funktionen können hierbei vollständig analytisch abgeleitet werden. Die Nutzung eines cMLA aus individuell angepassten Linsen ermöglicht damit erstmals, das bekannte Abbildungsprinzip von akademischen Prinzipprototypen zu Systemen mit optischen Parametern zu erweitern, die den Einsatzbedingungen industrieller Anwendungen genügen. Weiterhin wird ein Wabenkondensoraufbau auf Basis von cMLAs zur Strahlhomogenisierung behandelt. Im Gegensatz zu den zuvor aufgeführten Anwendungsbereichen von cMLAs steht hierbei die Interaktion der Gesamtheit aller Linsen des Arrays im Mittelpunkt, was im Besonderen zu neuartigen kohärenten Effekten führt. Die Nutzung nichtregulärer Arrays ermöglicht die Vermeidung der ansonsten auftretenden periodischen Intensitätsmaxima und -minima in der Homogenisierungsebene, was mit einer Verbesserung der Homogenität einhergeht. Wabenkondensoren auf Basis von cMLAs sind im Speziellen für Kurzpulsanwendungen in der Sensorik und Materialbearbeitung von Interesse, da andere homogenitätsverbessernde Maßnahmen nicht angewendet werden können. Für die Herstellung der Arraystrukturen werden das Reflow von Fotolack und die Laserlithographie genutzt, die an die Besonderheiten der cMLAs anzupassen waren. Dies betrifft im Speziellen Softwaretools zur Erstellung von Maskendaten für den Reflowprozess und von profilbeschreibenden Daten für die Laserlithographie, die im Vorfeld der Prototypenfertigung entwickelt wurden und als universelle Werkzeuge zur Verfügung stehen.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-14795/ilm1-2007000339.pdf
Baumgart, Jörg;
Die Messung der Mikrogeometrie von rauhen technischen Oberflächen mit Streulicht, 2000. - 70 S Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2000

Bischoff, Jörg;
Beiträge zur theoretischen und experimentellen Untersuchung der Lichtbeugung an mikrostrukturierten Mehrschichtsystemen. - Getr. Zählung Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2000