Studentische Abschlussarbeiten

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.

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.

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.

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.

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.

Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung verschiedener Messmethoden, um steile Verlaufsfilter mit vorhandenen Spektralphotometern zu messen. Dabei sollen Messgrößen wie Kantensteilheit und OD-Level unter photometrischer Genauigkeit bestimmt werden. Zudem soll die Abhängigkeit der Kantensteilheit von Messfleckgröße, numerischer Apertur der Beleuchtung sowie spektraler Auflösung abgeschätzt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden Messprinzipien erstellt, die darauf zielen, die Ausdehnung des Messflecks zu verkleinern, um die Probleme bei der spektralen Qualitätskontrolle zu lösen, die durch die nicht konstante Schichtdicke der Verlaufsfilter hervorgerufen werden. Zu den beiden Prinzipien wurden jeweils zwei Messverfahren entwickelt. Im Prinzip der Abschattung wurden in einem Spektralphotometer mit den Verfahren des Blenden-Multiarrays und einer einzelnen festen Blende Messungen durchgeführt und evaluiert. In einem Weißlichtlaserspektralphotometer fanden die Tests zum Prinzip der Brechung statt, bei denen afokale Systeme mit sphärischen und zylindrischen Optiken ausprobiert wurden. Zudem wurde zur geometrischen Bestimmung der spektralen Eigenschaften der Verlaufsfilter ein Messkameraaufbau entwickelt und getestet. Eine klare Empfehlung für die Passmessungen kann in Bezug auf die ermittelten Messgrößen für das Verfahren der Einzelblende gegeben werden. Hingegen ermöglichte das afokale System mit sphärischen Linsen im Weißlichtlaserspektralphotometer Blockungsmessungen bis Level OD8.

Direct Laser Writing ist ein maskenloses Verfahren der Photolithografie zur Erzeugung von Binär- und Graustufenstrukturen für die moderne Mikrosystemtechnik in Photolack. Ein UV Laser wird in die Lackschicht fokussiert und löst dort eine photochemische Reaktion aus. Diese erzeugt lokale Löslichkeitsunterschiede. Im folgenden isotropen Entwicklungsschritt werden die löslichen Teile des Lacks entfernt, während die unlöslichen Teile auf dem Substrat verbleiben. Die Intensität im Fokuspunkt des Laser mit endlicher Ausdehnung ist jedoch nicht konstant, sondern folgt dem Airy Beugungsprofil. Außerdem überlappen sich benachbarte Laserspots und addieren sich zur gewünschten Belichtungsdosis. Dies wird jedoch in den Belichtungslayouts nicht berücksichtigt, was vor allem an Kanten, Ecken und bei kleinen Strukturen im Verhältnis zur Spotgröße zu Problemen führt. In dieser Arbeit wird die Überlagerung benachbarter Belichtungspunkte als Faltung eines Airy Spots mit dem Belichtungslayout simuliert. In der Korrektur wird zuerst das Nashold-Projektionsverfahren zur Bildsynthese als Vorbehandlung des Layouts verwendet. Das gewünschte Belichtungsprofil wird dadurch besser mit dem Intensitätsprofil des Spots darstellbar. Anschließend wird mit der inversen Faltungsoperation nach Richardson und Lucy ein Layout generiert, welches das gewünschte Belichtungsprofil erzeugt. Die Korrektur wird in einem selbstgeschriebenen Programm implementiert. Unter Berücksichtigung der optischen Parameter wird ein Modellaserspot aus einer Intensitätsmessung eines fokussierten Lasers extrahiert. Zusätzlich wird eine Logistikfunktion als Kontrastkurvenmodell mittels Graustufenlithografie an das Entwicklungsverhalten des Lackes angepasst. In der Belichtungskorrektur wird zunächst aus einem angestrebten Lackprofil mit der inversen Kontrastkurve ein Belichtungsprofil abgeleitet. An diesem wird die Layoutoptimierung durchgeführt, das Ergebnis gespeichert, und schließlich ein Lithografieprozess simuliert. Trotz auftretender Nebeneffekte im Belichtungsschritt zeigt der Vergleich der im Programm realisierten Lithografiesimulation mit realen Prozessen eine gute Übereinstimmung. Die Belichtungsoptimierung bewirkt deutliche Verbesserungen bei der Entwicklung kleiner Strukturen, jedoch keine Reduktion der Eckenverrundung. Auch Graustufenstrukturen weisen nach der Korrektur eine höhere Designtreue auf.

In dieser Arbeit erfolgt die Etablierung eines soft UV-basierten Nanoimprint-Lithografie Prozesses (soft UV-NIL) zur Erzeugung vollflächiger Nanostrukturen auf 4-Zoll Waferlevel. Dabei werden nanostrukturierte Ein- sowie Zweilagenlacksysteme zur Erzeugung hoher Aspektverhältnisse in Silizium entwickelt. Zur Erzeugung der Nanostrukturen wird ein Elastomerstempel aus PDMS (Sylgard 184) von einem nanostrukturierten Mastersubstrat abgeformt. Unter Einsatz des NIL-Fotolacks mr-NIL 210 200 nm werden durch den soft UV-NIL Prozess Zylinderstrukturen von 300 nm Durchmesser und 370 nm Höhe erzeugt. Durch einen Trockenätzschritt mit einem Sauerstoffplasma (Descumming) wird die störende Restlackschicht (residual layer) zwischen den Zylindern entfernt. Mit einem Cryoätzprozess werden die Lackstrukturen in das Substrat übertragen. Für das Einschichtlacksystem wird ein Aspektverhältnis von 4:1 bei einer Selektivität des Fotolacks von 5,1 ermittelt. Es wird eine Ätztiefe von 1,4 [my]m bei einer Strukturbreite von 340 [my]m erreicht. Aufbauend auf dem etablierten soft UV-NIL Prozess wird ein Zweischichtlacksystem mit einer Lift-off Prozesskette entwickelt. Das System besteht aus dem Grundpolymer LOR1A und dem darüber liegenden NIL-Lack mr-NIL 210 200 nm, welcher mit der soft UV-NIL nanostrukturiert wird. Durch einen nasschemischen Entwicklungsschritt wird die Grundpolymerschicht isotrop geätzt, wodurch unter den NIL-Zylindern eine isotrope Hinterschneidung entsteht. Es wurde ein TMAH-haltiger Entwickler zum Einsatz gebracht. Eine Metallisierung von 40 nm-Aluminium mit anschließendem Lift-off erzeugt eine nanostrukturierte Metallmaske. Durch die hohe Selektivität gegenüber dem Plasmaätzprozess werden Aspektverhältnisse von bis zu 12,2 durch Cryoätzen erreicht. Die Ätztiefe beträgt 5,2 µm bei einer Strukturbreite von 430 nm. Des Weiteren wird ein Zweilagenlacksystem mit dem Grundpolymer UL1 und dem UV-NIL Lack mr-NIL 213 200 nm mit der soft UV-NIL etabliert. Nach der Entfernung der Restlackschicht soll eine trockenchemische Unterätzung des NIL-Lacks für einen erfolgreichen Lift-off erfolgen, sodass der nasschemische Entwicklungsschritt ersetzt und der Gesamtprozess durch eine Effizienzsteigerung profitabler wird. Durch Erprobung dreier verschiedener Ätzrezepte konnte keine isotrope Ätzung der UL1-Schicht mit einem Sauerstoffplasma erzielt werden.

Zoomobjektive gelten zunehmend als wichtige Lösung für die Bilderfassung in der Fotografie sowie in der Machine Vision, in der Unterhaltungselektronik, in der Sicherheitsbranche und anderen Bereichen [LYG20, S. 29098]. Der Effekt, der bei Änderung der Brennweite durch das Objektiv entsteht, wird als Zoom bezeichnet. Er äußert sich in der Änderung der Bildgröße, wodurch das Bild näher heran oder weiter weg zu zoomen scheint [Cla73]. Hierfür finden verschiedene optische Systeme ihre Anwendung. In dieser Arbeit wird der Fokus auf konventionelle fotografische Zoomobjektive und fotografische Zoomobjektive mit verstimmbaren Linsen gelegt. Konventionelle Zoomoptiken regulieren die Brennweite, indem sie mechanische Bauteile bewegen. Für kommerzielle Zwecke wird bisher diese Bauweise genutzt. Bei verstimmbaren Linsen hingegen ist eine solche Bewegung nicht notwendig. Sie passen die Brennweite an, indem sie beispielweise den Oberflächenradius der Linse ändern. Im Rahmen der fotografischen Optik sind außerhalb von Smartphones bisher keine Systeme mit optischem Zoom ohne Bewegung von Systemkompontenten bekannt, da der Öffnungsdurchmesser der Linse zu gering ist. Bei manuell steuerbaren Optotune-Linsen beträgt der freie Durchmesser z.B. 20 mm, bei elektronisch steuerbaren Optotune-Linsen beträgt er 16 mm. Das Interesse und die Herausforderungen dieser Arbeit bestehen demnach darin, ein theoretisch funktionierendes Zoomobjektiv mit verstimmbaren Linsen zu kreieren und dessen Funktionsfähigkeit anhand eines Demonstrationsaufbaus zu testen.

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung eines volumenholographischen spektralen Filters für die Anwendung in der Lichtlaufzeitmessung. Bei diesem Verfahren wird der Abstand zum Objekt mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit und der gemessenen Zeit bestimmt. Bei Verfahren mit aktiver Beleuchtung kann es aufgrund des Einsatzes unter schwer kontrollierbaren Bedingungen zum Verrauschen oder einer Überdeckung des Effektivsignals durch das Hintergrundlicht kommen. Der aktuelle Entwicklungsstand der Holographie ermöglicht, dieses Problem mittels Erstellung eines holographischen Filters zu beheben. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, mit Hilfe von modernen holographischen Techniken, Lichtquellen und Materialien einen solchen Filter herzustellen. In der Vorbereitungsphase wurde der aktuelle Stand der Volumenholographie analysiert und anhand der durchgeführten Analyse die Aufgabenstellung präzisiert. In der Phase der praktischen Umsetzung wurden notwendige Belichtungsaufbauten erstellt sowie erforderliche Filter aufgenommen. Dabei wurde mittels vorhandener Materialien eine spektrale Bandbreite des Filters erzeugt sowie die gewünschte Abbildungsfunktion in den Filter integriert. Die Arbeit bildet eine Vorlage für die Erstellung eines holographischen Filters für die Anwendung in der Lichtlaufzeitmessung und ermöglicht die Weiterentwicklung dieses Filters.

Optische Mikrokavitäten beschränken Licht auf ein definiertes Volumen. Die Betrachtung optischer Mikrokavitäten findet beispielsweise im Bereich der Flüstergaleriemoden-Resonatoren ein großes Forschungspotential. Dafür werden zirkulare Mikroresonatoren verwendet die das Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion an den Resonatorwänden führen. Bestimmte Deformationen der zirkularen Struktur dieser Resonatoren ermöglichen die Erzeugung stark gerichteter Fernfelder. Zur Anregung der Resonatormoden können optisch aktive Medien genutzt werden. Diese bieten die Möglichkeit, Licht direkt am Resonator durch Fluoreszenz zu erzeugen. Als optisch aktive Medien werden Laserfarbstoffe verwendet, die in Hybridpolymerschichten integriert werden. Die zentrale Frage der vorliegenden Arbeit ist die Integrationsfähigkeit ausgewählter Laserfarbstoffe in optischen Mikroresonatoren mit Hilfe eines Mikrosystem (engl. micro-electro-mechanical systems) (MEMS)-Fertigungsprozesses. Daraus ergeben sich die Teilfragen nach der Auswahl geeigneter Laserfarbstoffe, der Optimierung eines Herstellungsprozesses und der Charakterisierung der hergestellten Mikroresonatoren. Dazu wird die Absorption und Emission unterschiedlicher Laserfarbstoffe in verschiedenen Lösungsmitteln mit Hilfe eines UV-Vis- und Fluoereszenzspektrometers spektral untersucht. Propylenglykolmonomethylacetat (PGMEA) zeigt dabei ähnliche Ergebnisse wie das übli-cherweise verwendete Ethanol. Unter Nutzung der statistischen Versuchsplanung (DoE) wird ein Screening-Versuch zur Bewertung des Einflusses ausgewählter Parameter auf den Herstel-lungsprozess durchgeführt. Im Rahmen dieses Screening-Versuchs werden bereits deformierte optische Mikroresonatoren erzeugt, in welchen eine optische Schicht das Resonatormedium bildet. Die bei einer Dosis von 500 mJ/cm 2 belichteten Strukturen zeigen dabei die höchste Auflösung. Die Ergebnisse des Screening-Versuchs werden zur Beschichtung optischer Mikroresonatoren aus Siliziumdioxid mit einem optisch aktiven Medium angewandt. Das Vorgehen zur Charakterisierung der realisierten Mikrokavitäten wird diskutiert.

Chromatisch-konfokale Systeme ermöglichen präzise und hochauflösende Weg- und Abstandsmessungen. Diese Messungen wurden in vorangegangenen Arbeiten um die Neigung erweitert. Abstands- und Neigungsmessung basieren dabei auf der üblichen Intensitätsanalyse. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Prinzip entwickelt, in welchem der Abstand durch die Analyse der Halbwertsbreite des Messsignals bestimmt wird. Dadurch ermöglicht das neu entwickelte Prinzip eine simultane Abstands- und Neigungsmessung auf der Basis sowohl der Geometrie- als auch der Intensitätsanalyse des Messsignals. Die Analyse der Halbwertsbreite wird durch Approximationstheorie sowie mathematische Modellierung unterstützt. Um genauere Auswertungsergebnisse zu erreichen wird ein Optimierungsverfahren zur Signalauswertung demonstriert. Dieses Verfahren basiert auf dem bekannten Levenberg-Marquardt-Algorithmus. Zur Realisierung werden im Rahmen dieser Arbeit entsprechende Matlab-Programme entwickelt. Diese Arbeit eröffnet eine neue Möglichkeit zur Analyse, sowie zur Messung und Auswertung auf Basis des chromatisch-konfokalen Messprinzips.

Das Monitoring von Umweltschadstoffen wie Methan und Distickstoffmonoxid bietet ein breites Forschungsfeld hinsichtlich der Detektion und Analyse explosiver oder toxischer Gase. Neben diversen physikalischen und chemischen Messprinzipien wie pyroelektrischer oder chemielumineszenter Sensorik bietet insbesondere das photoakustische Prinzip sehr gute Voraussetzungen, als sensitives und gut miniaturisierbares Sensorsystem ein kostengünstiges Pendant zu den etablierten Sensoren darzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung des Prototyps eines Gassensors, welcher die Detektion eines Gasgemisches anhand einer neuen Anwendungsform des photoakustischen Effektes ermöglicht. Mit der Intention einer inversen Nutzung des photoakustischen Effektes wurde in einem kontinuierlichen Produktenstehungsprozess ein Sensormodul geschaffen, das die Möglichkeit bietet ohne optische Festkörperfilter die Analyse eines Gasgemisches vorzunehmen und dabei Sensorik und Auswertelektronik vereint. In Vorbetrachtungen der Fertigung und der Messungen mit dem photoakustischen Sensormodul wurden im Rahmen dieser Arbeit ergänzend Untersuchungen hinsichtlich des Transmisssionsverhaltens von oberflächenmodifiziertem Silicium im Infrarotbereich (2 [my]m bis 25 [my]m) durchgeführt. Die Oberflächenmodifizierung des Siliciums mit dem Prozess des reaktiven Ionenätzens bewirkte eine Steigerung des Transmissionsgrades auf annähernd 60 %. Die Basis des entwickelten Sensormoduls bildet ein Zweikammersystem, wobei die Detektionskammer mit einem Prüfgas und die Absorptionskammer mit einem Gasgemisch gefüllt wird, was als optischer Filter dient. In Abhängigkeit der Absorptionsbanden der Gasmoleküle in der Absorptionskammer wird die durch einen Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung im mittleren Infrarotbereich durch das Gasgemisch absorbiert. Befindet sich nun ein Gas in der Absorptionskammer, welches ebenfalls als reines Prüfgas in der Detektionskammer vorliegt, werden die von einem an die Detektionskammer angekoppelten Mikrofon gemessenen, durch den photoakustischen Effekt erzeugten Schallwellen umso lauter, je geringer dessen Anteil am Gasgemisch ist. Experimentelle Untersuchungen mit dem entwickelten photoakustischen Sensormodul belegen diesen angenommenen Filtereffekt der Reduzierung des photoakutischen Signals durch die Dilution von Stickstoff mit einem Prüfgas wie Distickstoffmonoxid (N2O) oder Methan (CH4). Es konnte eine Reduktion des durch den photoakustischen Effekt erzeugten Schalldruckpegels von 12 dB bei einem qualitativ zusammengestellten Gemisch aus Stickstoff (N2) und Distickstoffmonoxid gegenüber der Befüllung der Absorptionskammer alleine mit Stickstoff dokumentiert werden. Weitere Messungen mit Methan als Prüfgas bestätigen das beobachtete Verhalten. Es konnte mit demselben Sensormodul und bei gleicher Versuchsabfolge eine Reduzierung des Messsignals von 3 dB erreicht werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit polarisationsoptischen Strahlteilern, welche auf Gitterstrukturen beruhen. Es werden Kombinationen von nicht-beugenden Subwellenlängenstrukturen (Zero-order-Gitter) und beugenden Gitterstrukturen untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit am Institut für Angewandte Physik (IAP) Jena gefertigten metallischen Polarisationsfilterarrays. Diese Hybrid-Amplitudengitter können als multifunktionales diffraktives optisches Element (DOE) wirken. Ein Simulationsmodell basierend auf dem Malus'schen Gesetz wird vorgestellt sowie weitere Ansätze zur Beschreibung der polarisationsabhängigen Beugung an dieser Struktur (Müller-Stokes- und Jones-Formalismus) behandelt. Die Beugungsbilder werden simuliert und qualitativ mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Es sind, abhängig vom Polarisationswinkel, ein- und zweidimensionale Beugungsbilder zu erkennen und es besteht die Möglichkeit, die 0. Ordnung zu filtern. Der zweite Teil befasst sich mit dem Design eines dielektrischen Hybrid-Phasengitters, welches maximale Beugungseffizienz für TM-Polarisation und minimale Beugungseffizienz für TE aufweist. Dies ist beispielsweise interessant für die Trennung von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang im Sinne einer On-Axis-Oberflächenmesstechnik. Das Gitter soll unter senkrechtem Lichteinfall arbeiten und möglichst tolerant gegenüber Verkippung sein, damit es sich einfach in ein Messsystem integrieren lässt. Vorgestellt werden verschiedene Designansätze zur Kombination von Subwellenlängen- und beugenden Strukturen. Ein Startsystem wird über den Ansatz der Effektive-Medien-Theorie gefunden und Parametervariationen und Toleranzberechnungen über RCWA-Simulationen durchgeführt. Das Gitter zeigt ein symmetrisches Beugungsbild und eine große Differenz der Beugungseffizienzen für die beiden Polarisationsrichtungen. Es ist innerhalb eines sehr großen Winkelbereiches nutzbar. Für das gewählte Design wird ein Prozessablaufplan für die Fertigung entworfen. Eine Photomaske zur Herstellung des Masters für die Nanoimprint-Lithographie (NIL) wird in Auftrag gegeben.

In der Lichtschichtmikroskopie wird die Fluoreszenz ausgenutzt um dreidimensionale Bilder mit einem hohen Kontrast zu erhalten. Dabei wird im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie eine Lichtschicht erzeugt. Dies führt dazu, dass in tieferen Schichten weniger Volumen beleuchtet wird und damit weniger Hintergrundstrahlung entsteht. Dabei spielt die Beleuchtungsverteilung eine entscheidende Rolle. Die meisten Systeme nutzen eine Zylinderlinse oder eine Kombination aus Spiegel und f-Theta Linse um eine Lichtschicht zu erzeugen. In dieser Arbeit wurden neue Konzepte der strukturierten Beleuchtung zur Steigerung von Kontrast und Eindringtiefe bei Lichtschichtmikroskopen erarbeitet. Dazu wird die Eignung des Talbot-Effektes und der selbstheilenden Eigenschaft von Besselstrahlen untersucht. Es wurden Simulationen zur Verwendung beider Ansätze in der Beleuchtung eines Lichschichtmikroskops durchgeführt, welche dann im Experiment umgesetzt wurden. Durch die Kombination aus Axicon und Gitter wurde in der 1. und -1. Beugungsordnung je ein Besselstrahl erzeugt. Eine Bewegung des Gitters entlang der optischen Achse hat es dabei ermöglicht durch ein Volumen zu scannen. Das fokussieren einer Talbot-Ebene zu einem Talbot-Teppich mit Hilfe einer Zylinderlinse konnte genutzt werden um eine in zwei Dimensionen strukturierte Beleuchtung zu realisieren. Dabei konnten die das System beeinflussenden Parameter ermittelt werden.

Das Aufrechterhalten einer konstanten Bildebene bei Veränderung der Brennweite eines Zoomsystems erfordert bei klassischen Zoomsystemen die nichtlineare Bewegung mindestens einer Teiloptik. Die Realisierung dieser Bewegung stellt für die mechanische Umsetzung eine Herausforderung dar. Verstimmbare Optiken bieten die Möglichkeit einer Brennweitenänderung der Teiloptik ohne Bewegung entlang der optischen Achse. Für makroskopische Anwendungen sind bei Verwendung von Membranlinsen allerdings nur geringe Brennweitenänderungen möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Kombination beider Konzepte zur Linearisierung der Bewegungen der Teiloptiken einer makroskopischen Zoomoptik untersucht. Da das kollineare Startsystem der Zoomoptik hierbei entscheidend ist, stehen Berechnungsansätze zur kollinearen Startsystemfindung im Zentrum der Betrachtungen. Dafür wird unter anderem auch auf die Methode der Gaußschen Klammern eingegangen. Anhand konkreter Beispiele klassischer Zoomoptiken wird eine Vorgehensweise zur gezielten kollinearen Startsystemfindung für Zoomsysteme aufgezeigt. Untersuchungen zur Kompensation der Bildauswanderung durch den Einsatz verstimmbarer Optik bei ausschließlich linearer Bewegung der Teiloptiken führen zu Berechnungsansätzen für zwei mögliche Varianten dieser "hybriden Zoomoptiken". In Form konkreter Beispiele erfolgt eine Gegenüberstellung der hybriden- mit klassischen Zoomoptiken, sowie mit Zoomoptiken, die ohne Bewegung ihrer Teiloptiken allein auf dem Einsatz verstimmbarer Optiken beruhen. Zusammen mit einem experimentellen Aufbau einer makroskopischen hybriden Zoomoptik werden dabei Grenzen und Möglichkeiten für den Einsatz verstimmbarer Optik in makroskopischen Zoomsystemen aufgezeigt.

Die Auflösung einer optischen Abbildung wird durch die Größe der Öffnung des Abbildungssystems bestimmt. Sie begrenzt in einem 4f-System den spatialen Frequenzbereich, der durch das System übertragen werden kann und somit die räumliche Auflösung der Abbildung. Dieser spatiale Frequenzbereich kann durch eine sukzessive schräge Beleuchtung und phasenangepasste Kombination der Teilspektren erweitert werden. Diese Methode wird als Fourier Ptychographie bezeichnet. Auf diese Weise kann die räumliche Auflösung der Abbildung erhöht werden. Durch den Einsatz einer verstimmbaren Membranlinse in das Abbildungssystem ist es möglich, einen hoch aufgelösten defokussierten Bildstapel ohne axiale Verschiebung eines Kamerasensors zu gewinnen, der als Datensatz für einen anschließenden Phase Retrieval Algorithmus verwendet wird. In dieser Arbeit wird die Anwendung von Fourier Ptychographie mit anschließendem Phase Retrieval Algorithmus an geeigneten Teststrukturen gezeigt.

Um eine elektromagnetische Welle vollständig zu beschreiben, ist das Wissen um die Amplituden- und Phasenverteilung notwendig. Die Erfassung der Intensität ist mit lichtempfindlicher Sensorik machbar, die Erfassung der Phase ist schwieriger und im Bereich optischer Wellenlängen nur indirekt möglich. Zur Umsetzung der Phasenrückgewinnung gibt es verschiedene Verfahren. Eines davon ist die Phasenberechnung mit der transport of intensity equation (TIE), die die transversale Phasenverteilung mit der longitudinalen Intensitätsänderung verknüpft. Die TIE wurde von Roddier/Roddier in 1993 als Basis für einen Algorithmus für die Wellenfrontrekonstruktion an Spiegelteleskopen genutzt. Dieser Algorithmus wird in dieser Arbeit zur Wellenfrontrekonstruktion an einem Achromat mit wenigen cm Brennweite genutzt. Dafür wird der Algorithmus in Quellcode überführt und die Qualität der Rekonstruktion anhand der Variation verschiedener Parameter überprüft.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine innovative Möglichkeit zur schnellen Nachfokussierung zu finden, die in ein telezentrisches Messobjektiv integriert werden kann. Im ersten Teil werden herkömmliche Methoden analysiert, um eine Referenz zu bekommen, was ein innovatives System überhaupt erfüllen muss. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird dann die beste innovative Möglichkeit ermittelt. Es zeigt sich, dass eine fokusvariable Linse aus einer elastischen Membran zurzeit die beste Lösung darstellt. Die Membran ist mit einer Linsenflüssigkeit gefüllt und "ein kreisförmiger Ring, der auf das Zentrum der Membran drückt, formt die Linse." Diese Flüssiglinse wird in das Optikdesignprogramm Zemax OpticStudioTM überführt, damit es für spätere Entwicklungen zur Verfügung steht.

In der vorliegen Bachelorarbeit werden die Grundlagen und der Aufbau eines dispersiven Weißlichtinterferometers zur Oberflächenmessung behandelt. Dieses ist eine Kombination aus spektraler Interferometrie und chromatisch-konfokaler Mikroskopie. Die theoretischen Grundlagen dieser Verfahren werden beschrieben und danach die Vorteile der dispersiven Weißlichtinterferometrie gegenüber den beiden grundlegenden Messverfahren erläutert. Anschließend werden die Berechnungen, für die einzelnen nötigen optischen Komponenten, vorgenommen. Außerdem wird die Vorgehensweise zur Montage und Justage des Versuchsaufbau beschrieben. Als nächstes werden die Ergebnisse der Arbeit vorgestellt. Dabei wird über den erreichbaren Messbereich und die Messgenauigkeit des aufgebauten Systems geschrieben. Ein erster Ansatz zur Bildauswertung wird gezeigt. Dabei wird die Symmetrie der Messdaten verwendet, um eine Mittelwertbildung durchzuführen.

In der Mikrobohrtechnik hat sich, aufgrund der gesteigerten Ansprüche an Qualität und Präzision das Verfahren des Wendelbohrens mit dem Ultrakurzpulslaser etabliert. In einigen Fällen, z. B. dem Bohren von Einspritzdüsen, kann nur dieses Verfahren den Anforderungen genügen. Der Präzision steht allerdings der Nachteil einer langen Prozesszeit gegenüber, sodass dieses Verfahren insbesondere für viele Bohrungen in einem Werkstück nicht wirtschaftlich ist. In dieser Arbeit soll daher ein neuer Ansatz einer Wendelbohroptik mit mehreren Teilstrahlen zum parallelen Laserbohren auf dessen Eignung zur Bearbeitung von Metallen mit einem Ultrakurzpulslaser untersucht werden. Die Strahlteilung soll mit einem diffraktiven optischen Element realisiert werden. Zunächst mussten physikalische Zusammenhänge der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit Metallen, die wichtigen Aspekte beim Wendelbohren, sowie der allgemeine Aufbau der nötigen Bohroptik betrachtet werden. Im nächsten Schritt wurde mit Hilfe verschiedener Simulationen zunächst das optische Design einer solchen Multistrahlbohroptik untersucht. Es wurden dabei Einflussgrößen auf die Bohrungsqualität herausgearbeitet und mit den Strahlformungseigenschaften sowie Freiheitsgraden von optischen Elementen der Bohroptik in Bezug gesetzt. Anschließend wurde eine Toleranzbetrachtung durchgeführt um den Einfluss von Positionstoleranzen zueinander, sowie Fertigungstoleranzen an den optischen Elementen auf die ermittelten Einflussgrößen zu bestimmen. Es wurden Kompensationsmöglichkeiten zur Minimierung von Fehlern erarbeitet. Die Strahlverteilung wurde auf der Bearbeitungsebene analysiert, um mögliche Veränderungen der Einflussgrößen zu erkennen. Im zweiten Schritt wurden die Teilkomponenten der zu untersuchenden Multistrahloptik aufgebaut und charakterisiert, um die Simulation zu validieren. Es folgten Bohrexperimente mit dem Gesamtsystem, um die Eignung des experimentellen Aufbaus zum Wendelbohren zu untersuchen. Das Ergebnis zeigte, dass die im Vorfeld erstellten Simulationen eine genaue Abschätzung des Verhaltens der Optik erlauben. Diese Simulationen können daher dafür genutzt werden, Aussagen über Kompensationsmöglichkeiten und mögliche Konstruktive oder designtechnische Verbesserungen an der Optik zu machen.

Die Anwendung von Software beim Optikdesignprozess ist heutzutage ein integraler Bestandteil. Für den kollinearen Entwurf von zweifach optisch abbildenden Systemen wurde Anfang der Neunziger Jahre am Fachgebiet Technische Optik das Programm PARAX entwickelt. Das Programm bietet Analysemöglichkeiten, wie die Darstellung des Strahlengangs, eine Parametervariation/-iteration und eine Darstellung des Systems in einem Delano- oder Aperturdiagramm. In dieser Arbeit werden die Dimensionierungsstrategie des Programms hinterfragt und eine neue Berechnungssystematik, sowie ein neuer Formelkatalog vorgeschlagen. Mit diesen Neuerungen sind bei nicht vollständig bestimmten Systemen mehr Zwischenergebnisse berechenbar. Dies unterstützt den Anwender bei der Eingabe und vermindert versehentliches Überbestimmen. Durch die neue Berechnungssystematik, lässt sich die Methode deutlich einfacher programmtechnisch umsetzen, weil Spezialfallbetrachtungen vereinfacht und reduziert werden konnten. Zusätzlich wurden in dieser Arbeit theoretische Untersuchungen zum Freiheitsgrad kollinearer Systeme durchgeführt und Möglichkeiten für die Erweiterung der Berechnungsstrategie aufgezeigt.

In dieser Arbeit wird die Wirkung von Oberflächendefekten, die nach DIN ISO 10110-7 spezifiziert werden, untersucht. Die Wirkungsweise dieser Defekte wird sowohl durch die Absorption als auch durch eine Umverteilung von Licht beschrieben, was zu Abschattungs- und Streueffekten in der Bildebene führt. Die Defekte werden als 2D-Flächenelemente modelliert und gelten für den Fall der inkohärenten Beleuchtung. Neben der Abschattung werden auch Streuung und Phasenmodulationen diskutiert. Es wird eine neue Methode zur Simulation von Abschattungs- und Streuverteilungen vorgestellt, welche auf einer Vielstrahlrechnung basiert. Einzeldefekte sowie konkrete Toleranzvorgaben eines Gesamtsystems können anhand dieses Software-Tools bewertet und geprüft werden. Ein weiteres Modell beschreibt den Einfluss von Oberflächendefekten auf die Auflösung. Die Modulationsübertragungsfunktion stellt die entsprechende Bewertungsgröße dar. Hierbei werden wellenoptische Betrachtungsweisen herangezogen. Anhand des Vergleiches von Simulationen und Messungen, die an Kameraobjektiven durchgeführt werden, wird die Gültigkeit der Modelle geprüft und diskutiert. Abschließend wird ein Vorschlag für die Tolerierung von Oberflächendefekten erörtert.

In vielen technischen Bereichen (Elektronik, Mechatronik, Optik, usw.) werden bestehende Systeme hinsichtlich Ihrer Effizienz, Leistungsfähigkeit und Größe optimiert womit oft eine Miniaturisierung einzelner Komponenten oder Gruppen einhergeht. Dieser Trend stellt in dem Fertigungsprozess immer größere Herausforderungen an die Mess- und Positioniergenauigkeit. Mit dem allgemeinen Ziel einer hochgenauen Kantendetektion im Submikrometerbereich ist der Schwerpunkt dieser Arbeit die Untersuchung der Beugungseffekte an einer Kante. Es wurde ein Messaufbau entwickelt, der die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit beugenden Strukturen (Kanten, Stufen, Scheiden), deren Höhe im Bereich der Wellenlänge oder kleiner ist, ermöglicht. Ein wichtiger Bestandteil dieses Aufbaus ist eine Superkontinuum Laserquelle, wodurch innerhalb eines breiten Wellenlängenbereiches (VIS-NIR) kohärente Strahlung zur Verfügung steht. Es wurden Beugungsmuster in Abhängigkeit von der Beleuchtungswellenlänge, Kantenhöhe und lateralen Relativposition von Laserfokus zu Kante untersucht. Zusammenhänge in der Abhängigkeit von dem Verhältnis von Wellenlänge zu Stufenhöhe wurden gezeigt und diskutiert. Diese Ergebnisse liefern Aussagen über die Kantengeometrie und -höhe. Mit Hilfe theoretischer Betrachtungen der Fraunhoferschen Beugung unter Anwendung einer Fourier-optischen Simulation ist der Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Erwartungswerten durchgeführt wurden. Diese Ergebnisse stellen eine grundlegende Untersuchung der zu erwartenden Signalmuster für die Weiterentwicklung eines Kantendetektors innerhalb einer Nanopositionier- und Messmaschine dar.

In dieser Bachelorarbeit wurde ein Versuchsaufbau für hyperspektrale Bildgebung mittels computertomographischer Methoden geplant, aufgebaut und evaluiert. Mit diesem Verfahren ist es möglich die Informationen für ein hyperspektrales Bild zeitgleich zu erfassen. Es wurden notwendige optische Bauelemente dimensioniert und ausgewählt. Insbesondere wurde ein Diffraktives optisches Element (DoE) für diesen Versuchsaufbau entworfen. Im Weiteren wurde ein Rekonstruktionsalgorithmus so implementiert, dass aus dem mit dem Sensor aufgezeichneten Bild der hyperspektrale Würfel rekonstruiert werden konnte. Mit dem Versuchsaufbau wurden hyperspektrale Bilder von Proben aufgenommen, um das Verfahren zu evaluieren.

Der Inhalt der vorliegenden Arbeit besteht in der Entwicklung und Optimierung einer Sehhilfe für Patienten, die an altersabhängige Makuladegeneration (AMD) erkrankt sind. Im Gegensatz zu den vorhandenen Sehhilfen bei AMD, basieren die zu betrachtenden Prinzipien auf miniaturisierte Systeme, die im Array angeordnet sind. Das erste System, welches betrachtet wird, besteht aus einem Array aus Keilen und einem Array aus Teleskoplinsen. Für dieses System erfolgt die Entwicklung von Optimierungsansätzen für die einzelnen Kanäle des Arrays. Dadurch soll die Abbildungsqualität des vorhandenen Systems verbessert werden. Diesem System wird ein weiteres gegenübergestellt, welches auf dem Prinzip des Prismenanamorphoten basiert. Zunächst werden die optischen Eigenschaften des Prismenanamorphoten untersucht und ein Ansatz zu Minimierung der chromatischen Aberration entwickelt. Danach erfolgt die Anordnung von miniaturisierten Prismenanamorphoten in einem Array. Auch für dieses System werden Optimierungsansätze entwickelt und untersucht. Abschließen beinhaltet die Arbeit einen Vergleich der Vor- und Nachteile der beiden Systeme, sowie eine Zusammenfassung von weiterführenden Aufgaben bezüglich der Entwicklung, Optimierung und Untersuchung der Arrays.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Konzeption eines miniaturisierten Sensors für Röntgenrückstreu-untersuchungen. Dafür wird der Grundaufbau einer Röntgenrückstreu-Kamera sowie deren einzelnen Bestandteile beschrieben. Die Grundlagen der Röntgenoptik also Brechung, Reflexion sowie Totalreflexion werden untersucht. Für die spiegelnde Reflexion von Röntgenstrahlung stellt die Erfüllung des Rayleigh-Kriterium die wichtigste Forderung dar. Die gängigen Verfahren der Röntgenrückstreusicht werden einander verglichen mit dem Ergebnis, dass das Hummer-Augen-Verfahren das effektivste darstellt. Die einzelnen Stationen der Hummer-Augen-Kamera werden analysiert. Ein Schwerpunkt wäre der Compton-Effekt, da dieser die Photonen zurück in Richtung des Detektors streut. Zur Optimierung wurde mittels einer Optiksoftware der optimale Kanalquerschnitt ermittelt. Die Simulation ergab dass ein Gitter mit quadratischen Kanalquerschnitt eine Punktquelle am effektivsten abbilden kann. Für diesen Querschnitt wurden dann Fertigungsverfahren untersucht, bei dem sich das Rippen-Steckverfahren als das geeignetste Verfahren herausstellte. Es wird auf die Detektion von Röntgenstrahlung eingegangen. Dafür wurden Verfahren der direkten und indirekten Detektion aufgelistet und auf die Szintillation eingegangen. Es ergab sich das ein strukturierter Szintillator in einen Kollimator integriert mit nachgeschalteter CCD-Matrix die optimalste Lösung für die Detektion von weicher Röntgenstrahlung darstellt. Für eine miniaturisierte Röntgenkamera, die auch für harte Röntgenstrahlung geeignet ist, wurden als Ausblick drei Funktionsstrukturen erarbeitet. Am Ende wurde versucht mittels Röntgenrückstreutechnologie einen Hohlraumdetektor zu entwickeln. Das Messprinzip sieht vor, das zurückgestreute Signal, welches beim Durchlaufen des Erdbodens aufgrund verschiedenster Wechselwirkungenarten abgeschwächt wurde, kontinuierlich zu messen. Zur Simulation des Messsignales wurde ein Programm in C++ geschrieben, welche Werte des Signales errechnet. Es zeigte sich, dass sich ein charakt. Verlauf des Signales ergab, welcher es erlaubt, einen Hohlraum aus der rein physikalischen Betrachtung zu detektieren. Es ergab sich, dass die Abschwächung zu stark war und keine geeignete Röntgenquelle existiert die diesen Intensitätsverlust ausgleichen kann.

Die Lichtschicht-Fluoreszenz-Mikroskopie ist eine der wichtigsten Techniken, für den Erhalt von dreidimensionalen Modellen von verhältnissmäßig großen biologischen Proben, ohne diese zu zerstören. Das scanning Thin-Sheet-LASER Imaging Microscope (sTSLIM) nutzt im Allgemeinen einen Gaussstrahl für die Abbildung eines Teiles des Innenohrknochens mit dem Namen Cochlear. Dieser Knochen besitzt eine sehr stark und zufällig streuende Struktur. Dadurch ist es nur schwer möglich, mit dem Gaussstrahl hohe Eindringtiefen zu erzielen, da Mehrfachstreuprozesse den Gaussstrahl aufweiten und somit die schmale Strahltaillie verloren geht. Die Aufgabe dieser Abschlussarbeit ist es, eine Bessel-Strahl Beleuchtung in das sTSLIM zu integrieren. Dieser Strahl besitzt nützliche Eigenschaften, wie die Fähigkeit sich selbst zu rekonstruieren, nachdem er gestreut wurde. Somit kann eine höhere Eindringtiefe in die Cochlear erreicht werden. Ein neues optisches System wird berechnet und präsentiert. Die neuen Bauelemente werden in den vorhandenen Aufbau integriert. Eine weitere wichtige Teilaufgabe ist es, eine Lösung für die störende Intensität des Bessel-Ringsystemes zu erarbeiten. Einen Blende wird entwickelt und optimiert, welche Teile des Ringsystemes abblockt. Dieser modifizierte Bessel-Strahl wird sectioned Bessel beam genannt. Verschiedene Experimente werden für eine Charakterisierung der zwei verschiedenen Besselstrahlen durchgeführt. Anschließend werden erste Bilder der biologischen Probe im scan-modus des Systems aufgenommen. Die besten Ergebnisse erreicht man durch eine Kombination von dem sectioned Bessel beam und einer konfokalen Aufnahmemethode.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Thematik der Entwicklung einer innovativen Pinzettenoptik. Dabei wurde begleitend an dem Design, der Optimierung und der Charakterisierung des optischen Pinzettensystems mitgearbeitet. Die experimentelle Umsetzung der Manipulation sphärischer SiO2 Partikel mit einem Durchmesser von 10 [my]m innerhalb eines gasförmigen Umgebungsmediums mit der optischen Pinzette stellt den Schwerpunkt dieser Arbeit dar. - Dabei werden zunächst die theoretischen Grundlagen einer optischen Pinzette beschrieben, um basierend auf diesen Prinzipien ein innovatives Pinzettendesign vorzustellen. Bei diesem Design, standen eine hohe System- und Fangeffizienz sowie ein großer Arbeitsabstand von 2 mm im Vordergrund. Anhand eines Demonstrationsaufbaus wurde nachgewiesen, dass es reproduzierbar möglich ist mit diesem neuartigen Pinzettensystem Partikel optisch zu fangen. Die Partikel haben einen Durchmesser von 10 [my]m, wobei als Fanglaser ein Ytterbium dotierter Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1070 nm genutzt wurde. Die minimale Leistung, mit der Partikel gehalten werden können, beträgt 50 mW.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der optischen Messung des Abstandes und der Wandstärke transparenter Messobjekte an mehreren parallel erfassten Messpunkten. Im Mittelpunkt stehen dabei das Triangulationsverfahren und das chromatisch-konfokale Messprinzip. Es werden zunächst verschiedene Konzepte zur Erzeugung und Detektion mehrerer Messpunkte ausgearbeitet und im Hinblick auf Messfrequenz, Tiefenauflösung und Komplexität bewertet. Zwei ausgewählte Ansätze für das chromatisch-konfokale Prinzip werden als optische Systeme für die Messung an drei Punkten umgesetzt. Dies umfasst zum einen den Entwurf und die Optimierung innerhalb einer raytracing-basierten Software. Um den geforderten Messbereich des Sensors zu erreichen und einen kompakten Aufbau zu gewährleisten, werden diffraktive optische Elemente (DOE) als hyperchromatische und strahlteilende Komponenten verwendet. Zum anderen werden als Vorbereitung für die Fertigung der diffraktiven Phasenelemente die entsprechenden Lithographiemasken pixelweise berechnet. Die realisierten Prototypen bestehen aus den hergestellten Phasenelementen, weiteren optischen Komponenten sowie der Lichtquelle und Detektionseinheit. Sie werden hinsichtlich der axialen Auflösung und des Zusammenhangs zwischen Abstand und Wellenlänge charakterisiert. Als Messobjekt dienen dabei sowohl ein Planspiegel als auch Glasplatten verschiedener Dicken. Hierbei zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen und experimentellen Ergebnissen.

In vorliegender Arbeit wird die Thematik der Zwei-Photonen-Polymerisation untersucht. Dabei liegt insbesondere die optische Seite des Prozesses im Fokus der Arbeit. Zu Beginn der Arbeit wird die Theorie der Zwei-Photonen-Polymerisation, welche auf dem nichtlinearen Effekt der Zwei-Photonen-Absorption beruht, vorgestellt. Inhalte sind dabei ebenfalls die speziellen Eigenschaften der Ultrakurzpuls Laser. Die für den Prozess benötigten Energien werden durch ultrakurze Pulse bereitgestellt. Kern dieser Arbeit ist die Fokussierung von Femtosekunden Pulsen. Dabei werden eine sphärische und eine asphärische Linse, sowie ein Mikroskopobjektiv miteinander verglichen. Der Einfluss der optischen Elemente auf das Spektrum des Lasers wird dabei in Simulationen und im Experiment untersucht. Das Spektrum eines Femtosekunden Pulses wird dabei mit einem Superkontinuum-Laser nachgebildet. Nach den Untersuchungen wird eine Aussage über die Leistungsfähigkeit der Optiken getroffen und diese diskutiert.

Diese Masterarbeit zeigt, dass die holographische Schwingungsanalyse mit der Analyse winkelmodulierter Signale eng verbunden ist. Mit einer ausführlichen mathematischen Untersuchung wird gezeigt, dass das Zeitsignal des Interferogramm einer oszillierenden und einer konstanten Wellenfront ein phasenmoduliertes Signal ist. Diese Untersuchung führte zu zwei neuen Methoden für die holographische Schwingungsanalyse im Zeitbereich. Diese neuen Methoden werden zwei ausgewählten Verfahren der Hologramminterferometrie gegenübergestellt.

Es wurde ein Wellenfrontmessplatz nach Shack-Hartmann für das Vermessen von Fresnellinsen erprobt. Hierbei wurden Muster im Spotbild gefunden, die auf fehlerhafte Ergebnisse hindeuten. Der Ursprung der Muster wurde analysiert und anschließend eliminiert. Dafür wurden entsprechende Änderungen am Aufbau vorgenommen. Die Änderungen und Ergebnisse wurden dokumentiert. Schließlich wurde mit dem modifizierten Aufbau eine Messreihe an Fresnellinsen mit verschiedenen Referenzen durchgeführt.

Zur Messung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) von Glasfasern gibt es zahlreiche Methoden. Diese werden in lineare, darunter zeit- und frequenzaufgelöste sowie nichtlineare Messmethoden unterteilt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die zeitaufgelöste Messung der GVD von Glasfasern untersucht. Es werden allgemeine und aufbauspezifische Fragestellungen diskutiert. Der doppelinterferometrische Aufbau, bestehend aus einem Mach-Zehnder- (MZ) und einem Michelson-Interferometer (MI), erlaubt eine präzise zeitliche Zuordnung des Messsignals. Das MZ ist das eigentliche Messinterferometer. Das MI dient der Rekalibration der Verschiebetischposition. Mit Hilfe der Hilberttransformation wird die Verschiebetischposition im Nanometer-Bereich bestimmt. Die Wellenlänge eines frequenzstabilisierten HeNe-Lasers (Lichtquelle des MI) dient als das Längennormal. Die zufällige Unsicherheit des rekalibrierten Signals im Zeitbereich wird indirekt von der Wellenlänge des HeNe-Lasers und der Rauschamplitude des Rekalibrationssignals beeinflusst. Den direkten Einfluss auf das Messsignal bilden das Empfängerrauschen und das Rauschen der Lichtquelle des MZ. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Standardabweichung der gemessenen Phase unter Annahmen, insbesondere eines ausschließlich vom Gleichwert des Messsignals abhängigen Rauschens, indirekt proportional zum Signal-Rausch-Verhältnis ist. Eine Gegenüberstellung des Rauschens der beiden Interferometer zeigt, dass die Varianz des rekalibrierten Signals unter Berücksichtigung des Rauschen des Rekalibrationssignals um weniger als 16 % höher liegt, als unter ausschließlicher Betrachtung des Rauschen des Messsignals. Je niedriger das Verhältnis der Rekalibrationswellenlänge zur Trägerwellenlänge des Messsignals ist, desto geringer ist der Einfluss des Rauschens des Rekalibrationssignals. Eine Mittelung der Phase, welche mit Hilfe der Fouriertransformation des rekalibrierten Messsignals gewonnen wird, reduziert die zufälligen Fehler. Zur Senkung des Rauschens wird die Bestimmung der optimalen Messparameter durchgeführt. Dabei ist neben dem maximalen Signal-Rausch-Verhältnis der Einfluß von nichtlinearen Effekten bei der Propagation durch die Testfaser zu beachten. Eine weitere wichtige Größe ist die Geschwindigkeit des Verschiebetisches. Durch Erhöhung der Geschwindigkeit kommt es zu einer Stauchung des Rauschens im Frequenzbereich. Dadurch gelingt einerseits eine Senkung des Rauschpegels und andererseits die Verhinderung des Einflusses starker Rauschquellen auf den Messbereich. Als Lichtquelle für MZ wird ein Femtosekunden-Laser mit anschließender hoch nichtlinearer Faser (HNLF) verwendet. Dafür wurden die Faserlängen auf eine geeignete HNLF derart abgestimmt, dass durch Variation des Verstärkerstroms des fs-Lasers ein Superkontinuum zwischen etwa 1000 nm und 2000 nm erzeugt wird. Ein größten Teils glattes Spektrum erlaubt eine geringe zufällige Unsicherheit über breitbandige Bereiche. Des Weiteren ist die hohe Ausgangsleistung (teils über 100 mW) hervorzuheben. Die im Rahmen der Arbeit realisierte Lichtquelle bietet daher eine Leistungsreserve, die den Einsatz von leistungsdämpfenden optischen Elementen (Filter, Wellenplatten) erlaubt. Es werden drei systematische Unsicherheiten diskutiert: Die Winkelabweichung der Justage der Strahlen parallel zur Verschiebetisch-Achse führt prinzipiell zu einer Stauchung oder Streckung der Frequenzachse. Dabei führt MI gegenüber MZ zu einer vernachlässigbaren Abweichung. Der Justagefehler des MZ führt zu einer Streckung der Frequenzachse, welche mit einer Referenz-Lichtquelle rekalibriert werden kann. Des Weiteren tritt ein Phasenfehler auf, welcher durch die unbekannte Dispersion der Objekte (außer Testfaser) im Strahlengang zustande kommt. Es wurde gezeigt, dass mit einer Wiederholungsmessung gleicher Faser mit verschiedenen Längen unter derselben Justage-Einstellung die systematische Abweichung berechnet werden kann. Die Abweichung der Längenmessung der Faser hat ebenfalls einen Fehlereinfluss auf die GVD und kann durch die Verwendung längerer Fasern reduziert werden. Die Berechnung der GVD aus den beiden Messsignalen besteht im Wesentlichen aus der Rekalibration des Messsignals, einer diskreten Fouriertransformation und der Berechnung der gewünschten Dispersionsparameter aus der Phase der Fouriertransformierten, wobei im letzten Schritt die zweifache Differentiation eine besondere Herausforderung darstellt. Dazu werden verschiedene Vorgehensweisen vorgestellt: Während die numerische Differentiation die Frequenzauflösung beibehält, führt ein Polynomfit zur Desensibilisierung gegenüber möglichen Schwankungen der Phase. Die Frequenzauflösung wird durch den Messbereich im Zeitraum festgelegt. Eine Senkung der zufälligen Unsicherheiten im Falle des Polynomfits spricht für seine Verwendung, da die GVD einen Verlauf hat, welcher sich qualitativ vorhersagen lässt. Die Messergebnisse und Referenzmessungen in Abschnitt 5 zeigen, dass die zeitaufgelöste GVD-Messung reproduzierbare Ergebnisse liefert. Breitbandige Messungen mit Fasern verschiedenen Typs und verschiedener Längen lieferten nahezu identische Ergebnisse. Die GVD wurde über einen breitbandigen Bereich zwischen 1000 und 1600 nm (bzw. 187 und 300 THz) gemessen. Der Vergleich mit Referenzmessungen und Simulationen belegt die Richtigkeit der Messergebnisse. Mit nur wenigen gemittelten Messungen ließen sich b2 bis b4 im schmalbandigen Bereich (28 THz) ermitteln.

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Realisierung eines Demonstratorsystems nach dem chromatisch konfokalen Messprinzip, das auf einen maximalen Messbereich bzw. Farblängsfehler ausgelegt ist. In der Arbeit wird gezeigt, dass bei vergleichbarem Aufwand in Relation zu rein refraktiven Systemen deutlich kompaktere Sensoren entwickelt werden können, die einen größeren Farblängsfehler und eine bessere Korrektur monochromatischer Abbildungsfehler aufweisen. Unter Ausnutzung der besonderen dispersiven Eigenschaften der diffraktiven Elemente und der gleichzeitigen Möglichkeit der asphärischen Phasenkorrektur lassen sich diese Systeme mit guten Abbildungsqualitäten herstellen. Aus der analytischen Farblängsfehlertheorie lässt sich ableiten, dass der Farblängsfehler des Systems den mit einem diffraktiven Element gleicher Gesamtbrechkraft erreichbaren Fehler übersteigt. Die bereits zu großen Teilen in der Bachelorarbeit von Christian Wenzel entwickelten theoretischen Grundlagen werden um Betrachtungen zur Beugungseffizienz sowie um die mechanische Auslegung von Fassungen und Justiermöglichkeiten ergänzt. Beim Design des Sensors muss ein Kompromiss zwischen der Maximierung des Farblängsfehlers, zwischen den fertigbaren Strukturgrößen und der erreichbaren numerischen Apertur gefunden werden. Dementsprechend werden insgesamt zwei unterschiedliche Systeme betrachtet und in ein Optik-Design umgesetzt. Zum einen wird ein System mit möglichst großem Farblängsfehler und zum anderen ein System mit hoher Auflösung und numerischer Apertur optimiert. Die Realisierung eines Demonstratoraufbaus erfolgt für das System mit großem Farblängsfehler. Dieses besteht aus einer Kauflinse und einem am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau gefertigten diffraktiven Element. Unter Anwendung fotolithografischer Verfahren werden diffraktive Linsen mit 4- und 8-stufigen Strukturen in Substratgläser übertragen. Das gefertigte Demonstratorsystem zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Design. Insbesondere die Maximierung des Messbereichs lässt sich mit dem Demonstratorsystem nachweisen.

In dieser Arbeit wird ein TRUMPF TruFlow 5000 CO2-Laser in einen Wellenlängen durchstimmbaren Laserumgebaut. Dazu wird ein Reflexionsgitter in Littrowanordnung in den Resonator integriert. Das System wird im Labor aufgebaut und getestet. Dabei kann der Laser in einem Wellenlängenbereich von 9,210 my m bis 10,787 my m diskret über die einzelnen Laserübergänge durchgestimmt werden. In den Laserübergängen mit der größten Verstärkung wird der Laser mit einer Leistung von 1 kW betrieben.

In vorliegender Arbeit wird eine neuartige Trepanieroptik untersucht und systematisch Charakterisiert. Weiterhin wird das optische System mit anderen Trepanieroptiken verglichen, welche schon erfolgreich in der Industrie eingesetzt werden. Hier sind vor allem die Vorteile eines hohen Anstellwinkels und einer großen Drehzahl zu nennen, die neben der kompakten und leichten Bauweise in den Vordergrund treten. Für anschließende experimentelle Untersuchungen stand ein Picosekunden-Lasersytem zur Verfügung, womit in Bohrversuchen die Vor- und Nachteile der Trepanieroptik aufgezeigt werden. Das Lasersystem erreicht eine mittlere Leistung von über 40 Watt bei hohen Repetitionsraten bis zu einem Megahertz. Weiterhin konnte die zweite Harmonische für die Experimente genutzt werden, sodass ein direkter Vergleich zwischen den Wellenlängen vorgenommen wurde. Folgende Untersuchungen waren für die Charakterisierung der Wendelbohroptik nötig um deren Leistungsfähigkeit zu zeigen, Themen waren hier das Bohren in verschiedenen Materialien wie Isolatoren und Leitern. Ebenfalls wurden Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis angefertigt und alternative Fertigungsmöglichkeiten gezeigt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Partikelcharakterisierung durch Vermessung der Streustrahlung. Dazu wird auf die Theorien der Miestreuung und des Talbot-Effektes zurückgegriffen. Die betrachteten Partikel haben dabei einen Durchmesser von 1 bis 100 Mikrometer. Es wird ein Modell entwickelt, mit welchem die Störung der Selbstabbildung einer periodischen Struktur durch ein sphärisches Streuzentrum simuliert werden kann. Umgesetzt wird die kombinierte Simulation mit den Softwareumgebungen MATLAB® und VirtualLabTM. Im letzten Teil der Arbeit erfolgen ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der Experimente und Simulationen sowie eine Untersuchung der aufgetretenen Diskrepanzen, bevor auf eine mögliche Optimierung des Modells bezüglich einer genaueren Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis eingegangen wird.

Aufgrund immer kürzerer Taktzeiten bei der Herstellung industrieller Güter in großen Stückzahlen und gleichzeitig stetig steigender Anforderungen an Messbereich und Messgenauigkeit gewinnen nicht-scannende Verfahren wie die digitale Holografie zunehmend an Bedeutung. Bei interferometrischen Messungen an rauen Objekten kann anhand der rekonstruierten Phase der Objektwelle keine Aussage über das tatsächliche Höhenprofil getroffen werden, da die Informationen im Specklefeld verloren gegangen sind. Weiterhin ist der eindeutige Messbereich auf die Hälfte der verwendeten Wellenlänge beschränkt. Durch die Erzeugung einer synthetischen Wellenlänge bei der numerischen Rekonstruktion können diese Probleme überwunden werden. Im vorgestellten System wird das Objekt gleichzeitig mit zwei Wellenlängen, die sich nicht kohärent überlagern, beleuchtet. Dadurch werden mit einer Bildaufnahme gleichzeitig zwei Hologramme aufgezeichnet, daher ist das System vergleichsweise unempfindlich gegenüber Vibrationen. Die Trennung der Informationen der beiden Objektwellen erfolgt numerisch durch Filterung im Raumfrequenzspektrum.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Beleuchtungsoptiken für die Infrarotprojektion. Dabei wird neben einem kurzen Überblick über zur Auswahl stehende Lichtquellen auch ein Einblick in die speziell für Infrarotoptik auftretenden optischen Fehler sowie Ansätzen zu deren Vermeidung. Zur Beleuchtung eines Displays werden rein refraktive und rein reflektive Varianten, sowie Mischformen der beiden, betrachtet. Schließlich werden die gefundenen Lösungen anhand Effizienz und Beleuchtungsqualität verglichen und bewertet. Dabei wird auf komplett eigene Ansätze sowie Katalogwaren und Patentlösungen zurückgegriffen.

Axikone wurden 1954 erstmals unter diesem Namen erwähnt, wobei alle Elemente, die Licht auf die optische Achse fokussieren eingeschlossen sind. Der Name "Axikon" ist eine Kombination der griechischen Worte für Achse und Bild. Kegelförmige Linsen werden jetzt üblicherweise als Axikone bezeichnet. Ihr Verhalten und die Gestaltungsmöglichkeiten wurden vielseitig untersucht, wobei hauptsächlich refraktive Elemente betrachtet werden. Durch ihre kegelförmige Gestalt sind sie gut für die Erzeugung von so genannten Besselstrahlen geeignet. Lithographietechniken ermöglichen die Herstellung von beliebigen Phasenprofilen auf ebenen Oberflächen. Mit Hilfe dieser Technologie können auch Mikroaxikone hergestellt werden, wenn die notwendige Phasenfunktion bekannt ist. Deshalb wird ein diffraktiver Ansatz für die Herstellung von Axikonen mittels Laserstrahllithographie vorgeschlagen. Die hergestellte Struktur wird mittels mechanischen und optischen Oberflächenmessungen charakterisiert. Die hauptsächlich festgestellten Herstellungsfehler als auch das ideale Profil werden simuliert. Die simulierte Strahlausbreitung wird mit den experimentellen Beobachtungen verglichen. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit der Simulation überein.

Diese Diplomarbeit soll einen Überblick über die aktuellen Möglichkeiten der Darstellung und Optimierung von Freiformflächen im Optikdesign geben. Dabei werden verschiedene Darstellungsformen solcher Oberflächen betrachtet und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die Möglichkeiten aktueller Optikdesign-Software diese Flächenformen darzustellen und zu optimieren wird analysiert. Anschließend wird ein kurzer Ausblick auf die Tolerierung von Freiformflächen gegeben und der Designprozess wird an einem konkreten Beispiel aufgezeigt.

Ein strahlenoptisches Modell wurde entwickelt, um beliebige Beleuchtungssituationen in optischen Pinzetten zu simulieren. Ein dafür entwickeltes Computerprogramm bildet das Modell ab. Im Programm sind beliebige Lichtquellenformen mit beliebigen Intensitätsprofilen definierbar. Das Programm arbeitet nach einem RayTracing Prinzip. Die dreidimensionale Kraft auf eine beleuchtete Kugel kann an einer beliebigen Position im Raum berechnet werden. Variable grafische Darstellungsmöglichkeiten stehen für die Ausgabe der Ergebnisse zur Verfügung. - Im Rahmen dieser Arbeit werden vier verschiedene Intensitätsprofile untersucht und miteinander verglichen. Die Kraft wird in Beiträge des Intensitätsprofils und des Winkelspektrums des Strahlenbündels zerlegt. Es kann somit eine unabhängige Bewertung von Intensitätsverteilung und geometrischen Gesichtspunkten erfolgen. Es kann festgestellt werden, dass ein großer Konvergenzwinkel der Lichtquelle sowie eine hohe Intensität der Randstrahlen zu hohen Fangkräften der optischen Pinzette führen. Ausschließlich intensitätsreiche Randstrahlen genügen nicht, um Partikel stabil zu fixieren. Sie erhöhen aber die Kraft, falls ein ausreichender Konvergenzwinkel vorhanden ist. - Bei einem Konvergenzwinkel von 70&ayn; kann über die qualitative Veränderung des Intensitätsprofils (Erhöhung der Intensität der Randstrahlen) eine Effizienzsteigerung um bis zu 30% im Vergleich zu Pinzetten mit gaußschen Intensitätsprofilen erreicht werden. - Mit Hilfe der Simulationsumgebung können auch unübliche Lichtverteilungen untersucht werden. Ein Vertreter, welcher einen unscharfen Fokusbereich darstellt, wurde zusätzlich analysiert. Eine Effizienzsteigerung für diese Art der Beleuchtungssituation konnte nicht festgestellt werden.

Verfahren zur Kombination mehrerer Laserquellen zur Leistungssteigerung werden häufig eingesetzt, wenn einzelne Laser den Ansprüchen nicht mehr genügen. Um neben der Leistungsaddition eine Zunahme der Komplexität der Wellenfront zu vermeiden, müssen zueinander kohärente Quellen kombiniert und ihre Phasenlage kontrolliert werden. Eine Möglichkeit zur internen Vereinigung zweier Laser ist der 4-Arm-Resonator. Er unterstützt zwei Supermoden, deren Eigenschaften dazu genutzt werden können, die Ausgangsleistung auch ohne Kontrolle der Phasenlage zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde eine Abwandlung eines solchen 4-Arm-Resonators experimentell untersucht, mit dem Ziel, entweder einen spontanen Modenwechsel oder Effekte, die ihn verhindern, nachzuweisen.

Hybride diffraktiv-refraktive optische Systemen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl refraktive als auch diffraktive Elemente enthalten und dadurch die Vorteile dieser unterschiedlichen Elementgruppen vereinen. Besonders für polychromatische Abbildungsaufgaben entwickelte Systeme können von dieser Technologie profitieren, da sie eine besonders einfache Farbfehlerkompensation erlaubt. Die für das Verständnis der speziellen Effekte nötige Theorie wird zunächst für refraktive Systeme entwickelt und anschließend auf diffraktive Elemente übertragen, was einen effektiven Vergleich der unterschiedlichen Farbfehlerursachen und -kompensationsmöglichkeiten beim Einsatz diffraktiver und refraktiver Elemente ermöglicht. Allerdings ist es nicht immer wünschenswert den Farbfehler zu minimieren. Bei hyperchromatischen Systemen wird vielmehr versucht, diesen gezielt zu maximieren, um mit polychromatischem Licht eine zusätzliche räumliche Tiefeninformation zu erhalten. Die theoretische Leistungsfähigkeit refraktiver, diffraktiver und hybrider Hyperchromate wird deshalb ermittelt und in einem Vergleich gegenübergestellt. Beim Einsatz diffraktiver Elemente ist dabei stets die Beugungseffizienz zu berücksichtigen, die einen bedeutenden Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems hat. Die Wirkung der diesbezüglich wichtigsten Parameter wie Wellenlänge, Beugungsordnung sowie die eingesetzte Herstellungstechnologie wird auf Basis der skalaren Beugungstheorie ausführlich erläutert. Losgelöst von den vorherigen Überlegungen bietet die Bearbeitung einer praktischen Laserstrahlformungsaufgabe einen Einblick in verschiedene Aspekte der Synthese optischer Systeme. Nach einer Einführung in die Theorie der Laserstrahlformung und Laserstrahlfokussierung werden optimierte Beleuchtungsvarianten für ein thin sheet laser imaging microscope (TSLIM) entwickelt. Die aus dem Variantenvergleich als Sieger hervorgehende und auf Mikroskopobjektiven basierende Variante wurde am TSLIM-System der University of Minnesota umgesetzt. Messungen zeigen, dass mit diesem optimierten Beleuchtungssystem wesentlich kleinere Lichtschichtdicken erreichbar sind, wodurch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems erheblich verbessert wird.

Bei der metrologischen Untersuchung von Strukturen in der Dimension von Nanometern können sowohl mit taktilen, als auch optischen Verfahren vertikale Abmessungen mit größerer Auflösung als laterale bestimmt werden. Mit Fokussensoren kann eine vertikale Auflösung im Nanometerbereich erzielt werden. Die laterale Auflösung liegt nur im Mikro- bis Submikrometerbereich. Ein Problem bei der Kantendetektion ist, dass sich infolge von Beugungserscheinungen der detektierte Kantenort zum realen verschiebt. In dieser Arbeit wurde an einer Verbesserung der Kantendetektion des an der TU-Ilmenau am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelten Fokussensors gearbeitet. Die Wechselwirkungen der Beugung wurden auf Basis der strengen Beugungstheorie simuliert, um den Einfluss der Beugung auf das Messsignal zu ermitteln. Durch einen Abgleich mit Messungen wurde untersucht, inwiefern sich die Messunsicherheit der Software bei der Kantenbestimmung reduzieren lässt.

In dieser Arbeit wird die Kombination von planar integrierten freiraumoptischen Systemen mit modalen Flüssigkristall-Bauelementen demonstriert. Der Herstellungsprozess dieser Bauelemente wird beschrieben und experimentell nachvollzogen. Dabei wird spezielles Augenmerk auf die Anpassung von funktionalen Widerstandsschichten gelegt. - Im Hauptexperiment werden die Flüssigkristall-Elemente in den Strahlengang eines planar-optischen Systems gebracht und ihre optische Funktionalität getestet. - Mit modalen Flüssigkristall-Linsen wird eine Fokussierung realisiert, die die Bildebene des optischen Systems um mehrere 100æm verschiebt. Mit einem Flüssigkristall-Prisma wird eine Auslenkung des Bildpunktes um über 60 æm realisiert.

Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von unterschiedlichen Deformationszuständen eines Objektes. Dabei wird die benötigte Information interferometrisch gewonnen. Anwendungen sind in der Automobilindustrie zu finden, wo Spannungen, Vibrationen und das Resonanzverhalten von Karosserien untersucht werden. Gegenüber herkömmlichen Tastverfahren bietet es den Vorteil der flächenhaften Vermessung von Oberflächen anstatt der punktförmigen Abtastung mit einer Tastnadel. Dadurch, dass kein mechanischer Kontakt zwischen Messobjekt und Messgerät besteht, kommt es nicht zu ungewollten Verformungen, die das Messergebnis negativ beeinflussen. Ein weiterer positiv anzumerkender Aspekt ist die hohe Messgenauigkeit, die im Sub-æm Bereich liegt. Information über die Veränderung zwischen zwei Zuständen kann mittels Phasenstufentechnik gewonnen werden. Bei der Phasenstufentechnik werden drei Interferenzbilder mit einem bekannten, zusätzlichen Phasenterm ausgewertet. Bei dem realisierten Messaufbau wurde die Phasenverschiebung mit Hilfe von Polarisationsoptik durchgeführt. Anschließend wird die Phasenlage zwischen Referenz- und Objektwelle für beide Zustände berechnet und das somit erhaltene komplexe Hologramm numerisch rekonstruiert. Die Phasendifferenz zwischen der Phase des ersten und zweiten Deformationszustandes kann im Anschluss hieran berechnet werden. Sie ist Mass für die Stärke der Deformation zwischen den beiden unterschiedlichen Deformationszuständen. Dieses Vorgehen wird auch als digitale Doppelbelichtungsholografie bezeichnet.