Das Extremely Large Telescope (ELT) wird u.a. mit dem Instrument Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) ausgestattet. In Kooperation mit METIS realisiert das ELT ein sogenanntes single conjugate adaptive optics(SCAO)-System, um die eintreffenden Wellenfrontstörungen bestmöglich zu kompensieren und dadurch scharfe astronomische Beobachtungen zu ermöglichen. Dieses SCAO-System ist ein Regelkreis zur Störgrößenunterdrückung, wobei die Wellenfrontmessung mithilfe des METIS-Pyramiden-Wellenfrontsensors und die Wellenfrontkorrektur mit dem deformierbaren Spiegel M4 sowie dem Kippspiegel M5 des ELT erfolgt.
Im Rahmen dieser Dissertation wird eine modale sowie modulare Regelung inklusive Störgrößenaufschaltung für das METIS-SCAO-System entwickelt. Um den Regelungsentwurf und die Simulation des SCAO-Systems vorzubereiten, erfolgt zuerst eine eingehende Modellierung dieses Systems. Für M4 wird ein reduziertes modales Modell und für M5 ein Starrkörper-Modell aufgestellt. Zusätzlich werden mehrere Sensormodelle für den Pyramiden-Wellenfrontsensor entwickelt und eine simulative Repräsentation des gesamten SCAO-Systems erstellt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, erfolgt im Anschluss der Regelungsentwurf für das SCAO-System. Hierbei werden insbesondere der grundlegende modale SCAO-Regler sowie die folgenden modularen Reglererweiterungen entwickelt: räumlich-zeitlicher Fehler-Governor (spatio-temporal error governor, STEG), model reference adaptive control(MRAC)-basierte Erweiterung sowie modellbasierte Störgrößenaufschaltungen für Vibrationen und Erdatmosphäre. Zusätzlich werden alle Komponenten der SCAO-Regelung in Simulationen charakterisiert und erfolgreich getestet.
Aktualisiert: 2022-12-07
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In modernen Mikroskopen werden zum dreidimensionalen Scannen einer Probe häufig Translationstische oder eine Kombination aus verfahrbaren Linsen und Scanspiegeln verwendet. Aufgrund der mechanischen Trägheit der Tische und der Linsen ist die Geschwindigkeit solcher Aufbauten begrenzt. Weiterhin ist aufgrund der reflektierenden Eigenschaften der Scanspiegel eine Realisierung auf kleinstem Raum als linearer Strahlengang nicht möglich. Soll darüber hinaus die Abbildungsqualität durch die Korrektur von Proben-induzierten Abbildungsfehlern (Aberrationen) verbessert werden, sind zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise ein deformierbarer Spiegel oder ein räumlicher Lichtmodulator (SLM), notwendig, die das Gesamtsystem größer, komplexer und teurer machen. Adaptive optische Elemente haben das Potential, die zuvor genannten Aufgaben mit hoher Geschwindigkeit und auf kleinstem Raum zu realisieren.
Zu diesem Zwecke wurden in dieser Arbeit zwei solcher Elemente entwickelt: Dies sind eine schnelle adaptive Linse zur Brechkraftmodulation und gleichzeitiger Aberrationskorrektur sowie ein biaxial scannendes Prisma. Es wird hierbei u.a. das mechanische Funktionsprinzip inklusive der nötigen physikalischen Grundlagen dargestellt sowie eine ausführliche Charakterisierung dieser optischen Elemente durchgeführt. Neben dem Funktionsnachweis und einem speziell entwickelten Ansteuerungskonzept wird die Anwendung dieser adaptiven Elemente in einem 3-dimensional scannenden Konfokalmikroskop erläutert.
Aktualisiert: 2021-05-12
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Optische Komponenten mit integrierter Durchstimmbarkeit bieten das Potential, Systeme sehr kompakt aufzubauen und ermöglichen durch ihre typischerweise schnellen Ansprechzeiten neue Anwendungen. In dieser Arbeit werden zwei solcher Komponenten entwickelt: durchstimmbare Linsen und effizienzadaptive Gitter. Für beide werden zwei unterschiedliche Konzepte erarbeitet und charakterisiert, wobei für die Aktuation jeweils Piezomaterialien zum Einsatz kommen. Die durchstimmbaren Linsen basieren auf der Fluid-Membran-Bauweise, bei der die Krümmung mit einer flexiblen Membran erzeugt wird und das Fluid darunter als brechendes Medium dient. Als Membranmaterialien werden Silikon und Glas einander gegenübergestellt. Das Schalten der Effizienz eines optischen Gitters wird zum einen mit der Deformation eines Elastomers gezeigt, zum anderen mit zwei Gitterelementen, die eine variable Überlappung aufweisen. Die Gitter werden dabei so übereinander angeordnet, dass eine laterale Verschiebung senkrecht zu den Gitterlinien die effektive Phase bzw. Amplitude variiert.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Optomechatronische Systeme vereinen mechanische, elektrische und optische Komponenten. Beispiele sind Systeme zur optischen Signalverarbeitung, Interferometer oder adaptiv/aktiv geregelte Teleskope. Der Entwurf dieser komplexen Systeme erfordert Softwarewerkzeuge zur rechnergestützten Modellbildung und Simulation. Die objektorientierte Modellierungsumgebung Modelica hat sich in den letzten Jahren zur Modellierung von heterogenen Systemen etabliert. Neben umfangreichen Modellbibliotheken existieren eine Reihe von frei oder kommerziell erhältlichen Softwarewerkzeugen. Bisher fehlt jedoch eine Modellbibliothek zur Simulation von optischen Komponenten und Systemen.
In dieser Arbeit werden diffraktive optische Modelle modular in Modelica integriert. Dafür wird ein Konzept entwickelt, um die notwendige 2D-Signalverarbeitung schnell durchzuführen. Darauf aufbauend werden die optischen Schnittstellen in Form von Ebenen im Raum und die Verhaltensbeschreibung von optischen Komponenten definiert. Die Kopplung der Optik an die Mehrkörpermechanik für transmissive und reflektive optische Komponenten wird in einer Reihe von virtuellen Klassen implementiert. Durch Vererbung wird diese Funktionalität an spezialisierte opti sche Komponenten übergeben und eine diffraktive Optik-Bibliothek entwickelt. Die Funktion wird durch Simulationsmodelle von repräsentativen optomechatronischen Systemen gezeigt. Dazu zählen ein fourieroptisches 4f-System, ein Mikrospiegel in reflektiver Anordnung und ein aktiv stabilisiertes Michelson-Interferometer.
Aktualisiert: 2019-12-16
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Aktualisiert: 2023-04-04
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In der ophthalmologischen Chirurgie werden Femtosekundenlaser als optisches Skalpell für die präzise Modifikation der Strukturen im vorderen Augensegment eingesetzt. Im hinteren Augensegment kann der Laserfokus durch Aberrationen wie z.B. Hornhautverkrümmungen verzerrt werden, so dass die Präzision herabgesetzt wird und potenziell schädigende Auswirkungen auf die Netzhaut zunehmen. In dieser Arbeit wurde ein Femtosekundenlaserskalpell mit adaptiver Optik zur Korrektur von Aberrationen bei der nichtinvasiven Laserchirurgie im hinteren Augensegment entwickelt. Es wurde gezeigt, dass durch eine Korrektur der Aberrationen sowohl die erforderliche Energie für einen laserinduzierten optischen Durchbruch als auch die transmittierte Pulsenergie gesenkt werden. Ebenso wird das Fokusvolumen auf eine beugungsbegrenzte Form optimiert. Die Ergebnisse belegen, dass durch den Einsatz von adaptiver Optik die Präzision der Modifikation gesteigert und das Risiko einer kollateralen Netzhautschädigung bei der vitreo-retinalen Femtosekundenlaserchirurgie gesenkt werden könnten.
Aktualisiert: 2019-10-17
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