Studentische Abschlussarbeiten

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Erstellt: Sun, 19 May 2024 15:11:15 +0200 in 0.0697 sec


Köthe, Elisa;
Entwicklung eines Demonstrators mit integrierter holographischer spektraler Detektion. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Ziel dieser Arbeit ist es, ein System mit integrierter spektraler holografischer Detektion zu entwickeln. Es sollen Bilder mit spektraler Information im sichtbaren Wellenlängenbereich zu jedem Pixel aufgenommen werden. Das System soll also wie ein bildaufgelöstes Spektrometer wirken. Dafür wird ein holografisch-optisches Element, bestehend aus zwei Hologrammen zur Lichtein- und -auskopplung und einem Substratglas zur Lichtlenkung, designt und hergestellt. Die Hologramme werden als Volumen-Reflexionshologramme gefertigt und die entstehende Struktur kann als optischen Gitters betrachtet werden. Bei der Lichtbeugung an den Hologrammen wird die Eigenschafft genutzt, dass die effizienten Einfalls- und Beugungswinkel wellenlängenabhängig sind. So kann jeder Einfalls- bzw. Beugungswinkel mit einer bestimmten Wellenlänge verknüpft werden. Wird mit dem System ein einzelnes Bild aufgenommen, so liegt an jedem Bildort lediglich die Information zu einer Wellenlänge vor. Um die spektrale Information für ein gesamtes Bild zu erhalten, muss ein Objekt daher unter verschiedenen Sichtwinkeln abgebildet werden. Für das Design der Hologramme wird ein Simulationsprogramm entwickelt, um damit die geeigneten Belichtungswinkel zu ermitteln. Ein Belichtungsaufbau wird entworfen und aufgebaut. Anschließend werden die Hologramme belichtet und vermessen. Der Belichtungsprozess wird optimiert. Die optimierten Hologramme werden verwendet, um verschiedene Systeme mit integrierter spektraler holografischer Detektion herzustellen. Dabei wird die Anordnung der Hologramme auf dem Substrat optimiert. Für die Systeme wird geeignete Software für die Bildaufnahme sowie die Bildverarbeitung entwickelt. Die beiden hergestellten Systeme können spektrale Bilder für die Wellenlängenbereiche 490 nm bis 620 nm und 530 nm bis 620 nm aufnehmen. Dabei enthält das aufnehmbaren Spektrum des ersten Systems kleine Lücken, während das zweite System das Spektrum lückenlos wiedergeben kann. Im Vergleich mit den Messdaten eines herkömmlichen, nicht-bildaufgelösten Spektrometers konnte die Funktion der entwickelten Systeme nachgewiesen werden. Die aufgenommenen spektralen Bilder enthalten deutlich mehr Information als herkömmliche Farbbilder. Systeme dieser Art können zur Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie, für Gesichtsscans, zB. in der Beauty-Branche, oder in vielen anderen Bereichen angewendet werden.



Stamer, Mira;
Neue Spezifikation der Bildqualität von fotografischen Objektiven und Entwicklung geeigneter Messmethoden. - Ilmenau. - 122 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die ästhetischen Qualitäten in Bezug auf die Unschärfe im Bild haben einen großen Einfluss auf die Bildgestaltung in der Fotografie. Die Beschreibung der Unschärfe im Bild, auch bekannt als Bokeh, sagt etwas über den Charakter eines Bildes aus. Die Ausdruckskraft von Bildern kann durch ein gezieltes Beeinflussen des Bokehs gesteigert werden. Eine Untersuchung der Einflüsse und Aspekte der Unschärfe im Bild ist notwendig, um eine objektive Beschreibung abzuleiten. Im Optikdesignprozess wird festgelegt, auf welche Größen ein Objektiv optimiert wird. Aberrationen und deren Korrektur spielen in Bezug auf die optische Leistung eine entscheidende Rolle. Die Bildgebung wird neben dem Optikdesign des Objektivs durch den Einfluss der Kamera bestimmt. Die Identifizierung von Faktoren, die das Bokeh beeinflussen, wird durch die Untersuchung von Referenzobjektiven realisiert. Aus den Beobachtungen zur Unschärfe im Bild, werden Bewertungsgrößen abgeleitet, die das Bokeh spezifizieren und deren Überprüfung und Festlegung erfolgt durch Labortests. Mit einem Laboraufbau werden Referenzbilder aufgenommen, die mit Hilfe einer automatischen Auswertung hinsichtlich der Bewertungsgrößen analysiert werden. Zu den Bewertungsgrößen zählen der Unschärfekreisdurchmesser, der Farbton, die Farbrandbreite und die Form der Unschärfekreise. Die Simulation wird als Werkzeug zur Beschreibung von Abbildungsfehlern eingesetzt. Dadurch ist eine visuelle Darstellung des Bokehs möglich. Die Validierung der Einflussgrößen der Simulation erfolgt durch den Abgleich mit Laboraufnahmen. Durch das Festsetzen der Methode kann die Simulation in der Zukunft zur Bewertung des Optikdesigns genutzt werden. Die Masterarbeit erweitert das Verständnis des Unschärfebereichs von Bildern in der Digitalfotografie. Eine Untersuchung verschiedener Objektive liefert eine Referenzdatenbasis, die die Beschreibung der Einflussgrößen ermöglicht und die Gestaltung der Unschärfe definieren. Die Charakterisierung der Objektive kann künftig im Optikdesignprozess eingesetzt werden, um Rückschlüsse auf die Bokeh-Eigenschaften des neuen Optikdesigns zu ziehen zu können.



May, Johannes;
Aufbau eines Phasenmodulierten Seitenband-Interferometers für die Holografische Schwingungsmessung. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der berührungslosen, optischen Vermessung mechanischer Schwingungen. In diesem Feld ist die punktweise Laser-Doppler-Vibrometrie der aktuelle Industriestandard. Sie zeichnet sich durch vielseitige Einsetzbarkeit und hohe Messgenauigkeit aus, bringt jedoch durch die punktweise Messung eine zum Teil sehr lange Messdauer mit sich. Eine Alternative mit deutlich verkürzter Messzeit stellt das Prinzip der flächig messenden zeitmittelnden digitalen Holografie (Time Averaged Digital Holography bzw. TADH) dar. Dieses Prinzip macht sich zunutze, dass Licht eine Frequenzmodulation erfährt, wenn es von einem im Objektarm des Interferometers mit der Amplitude y schwingenden Messobjekt diffus reflektiert wird. Im Frequenzspektrum entstehen dadurch Seitenbänder, deren Amplituden mit den Besselfunktionen erster Gattung und v-ter Ordnung J_v(y) gewichtet sind. Durch Frequenzverschiebung des Referenzstrahls mittels akustooptischer Modulatoren können ausgewählte Seitenbänder interferometrisch als Hologramme erfasst werden. Nach der praktischen Umsetzung des Messkonzepts in ein holografisches Seitenbandinterferometer und der Entwicklung einer automatisierten Ansteuerungs- und Auswertesoftware wurden verschiedene Messreihen durchgeführt. Sie umfassen neben der normalen Aufnahme von Seitenbändern auch die parallele Aufnahme mehrerer Bänder, die Untersuchung nicht rein harmonischer Schwingungen sowie die Einführung einer zusätzlichen Phasenmodulation in Form einer Referenzschwingung zur Erhöhung der Robustheit gegen Frequenzverschiebungen. Es wurde zudem ein Verfahren entwickelt, um aus den Verläufen der Seitenbänder die Schwingungsamplitude zu rekonstruieren. Eine Evaluierung des Versuchsaufbaus hat ergeben, dass Schwingungsamplituden von 0,4 nm bis über 1000 nm detektierbar sind. Überdies wurde durch die holografische Bildaufnahme eine besondere Robustheit gegenüber Störlicht festgestellt. Zudem verringert die Referenzschwingung die Anfälligkeit gegenüber Vibrationen und anderen Frequenzverschiebungen. Ansatzpunkte für weitere Arbeiten sind unter anderem die Weiterentwicklung des optischen Aufbaus z.B. zur Erhöhung der Lichtausbeute, die Anwendung auf Messungen hochfrequenter Oberflächenschwingungen auf Festkörpern und Fluiden und die Verbesserung der Amplitudenberechnung beispielsweise durch einen globalen Optimierungsalgorithmus.



Fan, Chao;
Rekonstruktion von 3D-Abbildungen in der Lichtschicht-Fluoreszenzmikroskopie mit Deconvolution und Deep-Learning-Algorithmen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Algorithmen zur direkten Dekonvolution von dreidimensionalen Abbildungen, die mit Hilfe der Lichtschicht-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM) aufgenommen wurden. Zunächst wird die Dekonvolution von 3D-Abbildungen mit Hilfe der Maximum Likelihood Estimation (MLE) und dem Blind-Deconvolution-Algorithmus untersucht, die in Open-Source-Software zur dreidimensionalen Darstellung integriert sind. Dabei ist die Point Spread Function (PSF) im LSFM bekannt. Verschiedene PSF-Modelle, wie z.B. das skalare Modell, das Born & Wolf-Modell und das Gibson & Lanni-Modell, kommen zur Anwendung. Anschließend wird die Dekonvolution von 3D-Abbildungen mit dem unüberwachen Deep-Learning-Algorithmus Cycle-Consistent Generative Adversarial Network (CycleGAN) durchgeführt. Das notwendige Training basiert auf originalen 3D-Abbildungen auf dem Server der TU Ilmenau mit der Nvidia A100 Tensor-Core GPU. Die rekonstruierten 3D-Abbildungen werden anhand der Kriterien Full Width at Half Maximum (FWHM), Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) und Structural Similarity Index Measure (SSIM) bewertet. Es zeigt sich, dass sowohl MLE mit dem Blind-Dekonvolution-Algorithmus als auch CycleGAN zur Auflösungsteigerung nützlich sind. Schließlich werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Modelle verglichen und zusammengefasst. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Anwendung einer Lichtschicht basierend auf einem Airy-Strahl mit der eines Gaußschen Strahls anhand gemessener PSFs im System verglichen. Ein Gaußscher Strahl kann durch eine kubische Phasenmodulationsmaske im Raumlichtmodulator (SLM) in einen Airy-Strahl überführt werden. Das Profil der Maske ist ein computergeneriertes Hologramm (CGH) und moduliert das auftreffenden Licht in einen Airy-Strahl mit endlicher Energie und Länge. Die Ausbreitungsprofile eines modulierten Airy-Strahls wurden in MATLAB simuliert und mit dem SLM verifiziert. Für das Experiment wurde eine einfache und kostengünstige Methode zur Erzeugung der Airy-Lichtschicht auf Basis einer verkippten Zylinderlinse gewählt. Die Experimente zeigen, dass die Verwendung einer Airy-Lichtschicht geeignet ist, um das Sichtfeld des LSFM zu vergrößern, allerdings wird gleichzeitig der Kontrast der Abbildung verringert. Daher kommt auch hier eine Dekonvolution der ursprünglichen 3D-Abbildungen zum Einsatz.



Brandau, Tobias;
Strahlformer für die holographische Belichtung. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Hologramme gelangen aufgrund der Möglichkeit die Phase und die Intensitätsverteilung des Lichts zu beeinflussen, zu immer größerer Bedeutung. In der Optik können sie konventionelle Bauteile wie Linsen und Spiegel ersetzen, dabei sind sie leichter, weil weniger Material benötigt wird. Außerdem ist es möglich, Intensitätsverteilungen zu erzeugen, welche auf konventionellem Weg nicht, oder nur mit sehr hohem Aufwand, bzw. sehr genauer Fertigung der Elemente, erzeugt werden können. Bei der Herstellung von Hologrammen muss im Bereich des Aufnahmemediums eine Interferenz erzeugt werden, hierfür werden kohärente Lichtquellen und damit Laser gebraucht. Problematisch ist jedoch, dass Laser eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweisen. Das bedeutet, die Intensität nimmt zum Rand hin ab, was zu Hologrammen mit inhomogenen Eigenschaften führt, weil das gesamte Hologramm mit einer konstanten Zeit belichtet und dadurch unterschiedlich viel Energie eingebracht wird. Um dies zu verhindern, erzeugt eine Kombination aus Expander und Blende eine nahezu homogene Intensitätsverteilung. Dabei wird der Gauß „beschnitten“ und es geht viel Energie verloren. Hier soll die Arbeit ansetzen, denn in ihr werden verschiedene Beam Shaper Prinzipe vorgestellt, welche gaußförmige Intensitätsverteilungen verlustfrei in homogene Flat-Top-Verteilungen umwandeln. Außerdem wird die Phase des Lichts durch diese Homogenisierung nicht zerstört, wie es z. B. mit einem Diffusor der Fall wäre. Nach der Analyse dieser Prinzipien wird die Funktionalität eines refraktiven Beam Shapers getestet. Hier liegt das Hauptaugenmerk der Arbeit. Zum Testen wird unter anderem eine Kaustikmessung durchgeführt und die Wellenfront mit einem Shack Hartmann Sensor vermessen. Außerdem erfolgt eine Analyse der Wellenfront durch die Überlagerung des originalen Profils mit der Verteilung nach dem Beam Shaper. Als letzten Punkt der Arbeit wurden Hologramme mit und ohne Beam Shaper geschrieben, die ebenfalls vorgestellt werden sollen.



Feng, Yuchao;
Holographic Pattern Projection Beyond Fraunhofer Approximation and Evaluation of Applications. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die Technologie des computergenerierten Hologramms (CGH) wird für eine Weitwinkelprojektion unter Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) angewandt, der auf der Flüssigkristall-auf-Silizium-Technik (LCoS) basiert. Der Pixelabstand des SLM begrenzt jedoch den maximal möglichen Beugungswinkel und seine strukturellen Eigenschaften führen zu einem Strahl nullter Ordnung im zentralen Bereich des projizierten Bildes. In dieser Arbeit wird ein 4k-SLM verwendet, um eine Weitwinkelprojektion ohne die Störung des Strahls nullter Ordnung zu erforschen, indem diffraktive Optik und konventionelle Optik kombiniert werden. Zunächst wird der klassische iterative Fourier-Transformationsalgorithmus (IFTA) für eine Weitwinkelprojektion modifiziert, wobei das mehrstufige CGH entsprechend der spezifischen Systemkonfiguration erzeugt wird. Um die Berechnung der Lichtfeldausbreitung in Algorithmen zu implementieren, wird die Winkelspektrummethode (AS) mit einem Zoomfaktor gewählt, der die Größe des Simulationsfensters flexibel steuern kann. Darüber hinaus wird die Idee der Abbildung jenseits der Beugungsgrenze des SLM eingeführt, um das projizierte Bild weiter zu vergrößern. Anschließend werden zwei Projektionssysteme vorgeschlagen: das Einlinsensystem und das Teleskopsystem. In die Aufbauten wird eine Apertur eingefügt, um das Licht der nullten Ordnung zu eliminieren. Die Projektionsabbildung dieser Aufbauten innerhalb/außerhalb der Beugungsgrenze des SLM wird im Labor analysiert und durchgeführt. Der durch die Apertur verursachte Schatten wird ebenfalls analysiert und kompensiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die beiden Aufbauten das projizierte Bild auf ein Mehrfaches des ursprünglichen Projektionsumfangs des SLM vergrößern können, ohne dass es zu Störungen durch Licht nullter Ordnung oder Schatten kommt, aber die Bildqualität nimmt ab. Die Einflussfaktoren auf die Bildqualität werden ebenfalls erörtert, die für weitere Optimierungen untersucht werden können.



Zhang, Zeyu;
Volumenholographische Fabrikation von diffraktiven optischen Bauelementen. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der volumenholgraphischen Herstellung optischer Bauelemente. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Typen von Volumenhologrammen: Transmissions- und Reflexionshologramme, die unterschiedliche Fabrikationsprozesse erfordern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Prozesse für diese beiden Hologrammtypen entwickelt und bezüglich ihrer Reproduzierbarkeit charakterisiert. Die aus den Messungen der Beugungseffizienzen erworbenen Daten wurden statistisch analysiert und interpretiert. Des Weiteren erfolgte eine Diskussion über mögliche Abweichungen sowie Fehlerquellen mit Hinblick auf den Einfluss auf die Qualität der hergestellten Bauelemente. Die Arbeit bildet eine Grundlage für die Weiterentwicklung der Herstellungsprozesse für holographische Bauelemente sowie die Realisierung von Bauelementen mit komplexeren Strukturen.



Bartelmei, Anja;
Spatio-temporales Reservoir Computing am Beispiel von Bewegungserkennung. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Maschinelle Lernverfahren werden in der heutigen Zeit immer wichtiger. Computer sollen in der Lage sein, Aufgaben menschenähnlich zu lösen. Komplexe Problemstellungen wie die Erkennung von Sprache und Bild sind dabei eine Herausforderung. Eine Lösungsmethode bietet das Konzept des Reservoir Computings. Das relativ neue Lernverfahren basiert auf einem rekurrenten neuronalen Netz (das Reservoir), das Eingangsdaten in einem hochdimensionalen Zustandsraum abbildet. Die Idee zeichnet sich dadurch aus, dass kein komplexer Berechnungsansatz verwendet werden muss, sondern ein Substrat für das Reservoir verwendet wird, dessen natürliche nichtlineare Dynamik ausgenutzt werden kann. Das Netz bleibt während des Trainings unverändert, lediglich eine Ausleseschicht wird anhand einer Datenbank trainiert. Diese Vorgehensweise erlaubt einen einfachen Umgang mit einem dem Gehirn nachempfundenen Aufbau des Netzes. Zeitabhängige Signale können verarbeitet und trainiert werden. Die Masterarbeit beschäftigt sich mit einer experimentellen Umsetzung dieses Konzepts. Dabei wird das photonische Reservoir Computing betrachtet, wobei über den Einsatz eines optischen Aufbaus Daten schnell und energieeffizient transformiert werden können. Ein optisches System dient hierbei als Substrat, welches eine nichtlineare Transformation, resultierend durch den Einsatz aus zwei Polarisatoren und eines Spatial Light Modulators, ausführt. Die experimentelle Implementierung des Konzepts soll trainiert werden, um sechs verschiedene menschliche Aktionen aus einer Videodatenbank zu unterscheiden. Dabei handelt es sich um Boxen, Winken, Klatschen, Gehen, Joggen und Rennen. Ebenfalls wird eine rein digitale Implementierung umgesetzt, mit dessen Hilfe der Laboraufbau verglichen und optimiert werden kann.



Systematische Wellenoptische Untersuchung zur Optimierung von Hybrid DOE-WGMR. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit wird das Phänomen der Wellenausbreitung in Mikroresonatoren, d.h. sog. Flüstergalerie-Moden (engl. Whispering Gallery Modes) untersucht. Whispering Gallery Modes sind Phänomene der Wellenausbreitung in kreisförmigen Strukturen, die in optischen Systemen über die totale interne Reflektion entlang der inneren Berandung des Resonators geführt werden und mit sich selbst konstruktiv interferieren. Für den Mechanismus einer Kopplung zu diesen Eigenfrequenzen über ein DOE (Diffraktives optisches Element), wird in dieser Arbeit der geometrische Einfluss auf die Wellenpropagation der Whispering Gallery Modes untersucht. Ausgangspunkt der Betrachtung ist ein zylinderförmiger Resonator, der in seiner geometrischen Konfiguration verändert wird. Ziel der Untersuchungen ist es, eine Konfiguration des Resonators zu finden, in der die Wellenpropagation die Whispering Gallery Modes weitestgehend aus dem Bereich entfernt, in dem später ein DOE für die Ein-Auskopplung gefertigt werden soll. Zu diesem Zweck wurden Bewertungsgrößen für das elektromagnetische Feld gewonnen, wie z.B.: der effektive Brechungsindex, das effektive Modevolumen, der Q-Faktor und die azimuthale Quantenzahl, die die Bewertung einer Resonator Konfiguration quantifizierbar machen. Über die Modellierung dieser Bewertungsgrößen durch Simulationsreihen in Comsol, wurde eine Resonatorkonfiguration bestimmt, die die Whispering Gallery Modes im Sinne einer Interaktionsminimierung berücksichtigt. Aus der sich ergebenden Konfiguration wurde der Einfluss einer Unterätzung, für den Stützsockel des Resonators bestimmt und mithilfe der Bewertungsgrößen analysiert. In einem abschließenden Schritt wurden im Sinne der einfachen Phasenkopplung an die ausgewerteten Whispering Gallery Modes Anforderungen für ein Phasentransmissionsgitter bestimmt.



Zhang, Qi;
Berechnung und Charakterisierung von opt. Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit werden Ansätze eines zerstörungsfreien Verfahrens zur Charakterisierung von binären Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis vorgestellt. Die geometrische Struktur des Gitters wird aus Messungen der Beugungseffizienz des Gitters und dem Vergleich mit der mithilfe von rigorosen Methoden simulierten Beugungseffizienz abgeleitet. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei der erste Teil die Grundlagen für das Design und die Analyse von binären Phasengittern behandelt; dabei werden die verschiedenen Einflüsse auf die optische Effizienz von Gittern vorgestellt: Ätztiefe, Periode, Tastverhältnis, Flankenwinkel. Die Einflüsse werden mithilfe der skalaren und rigorosen Beugungstheorie analysiert, wobei die RCWA (Rigorous coupled-wave analysis) verwendet wird. Mehrere Gitter mit unterschiedlichen Parametern werden designt und hergestellt. Der zweite Teil befasst sich mit Charakterisierung der Gitter. Die Messungen der Beugungseffizienz werden an einem dafür entwickelten Messaufbau durchgeführt. Ausgehend vom ursprünglichen Design wird mit der Software MC Grating ein Modell erstellt und die Beugungseffizienzen simuliert. Diese werden mit der gemessenen Beugungseffizienz verglichen und die oben genannten Parameter, wie z. B. die Ätztiefe usw. so angepasst, dass die simulierte Beugungseffizienz möglichst nahe an der gemessenen Beugungseffizienz liegt. Die Vorgehensweise bei der Anpassung der Modelle, um sich den Messdaten annähern zu können, wird vorgestellt. Auch die Gitter untereinander werden in ihrer optischen Funktion bei unterschiedlichem Aspektverhältnis und Material miteinander verglichen. In den Simulationen wurde festgestellt, dass verschiedene Gitter mit unterschiedlicher Reihenfolge Variation der Parameter simuliert werden müssen, um sich dem Messergebnis anzunähern. Die für diese Arbeit gefertigten Gitter mit großen Ätztiefen respektive Aspektverhältnissen haben erhebliche Fertigungsfehler und erfordern den Einsatz zusätzlicher Messinstrumente wie Weißlichtinterferometrie, REM und eintaktiles Profilometer (Dektak) in der Simulation, um das Modell der Geometrie erst mal grob annähern zu können, bevor die vorgestellte Parametervariation erfolgt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass auch ein Gitter mit einem großen Aspektverhältnis mit Hilfe zusätzlicher Informationen über weitere Messinstrumente gut simuliert werden kann.