Dreidimensionale Objektraumerfassung durch aktive optische Mikrosysteme

Pätz, Daniel GND

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

The idea to transfer the function of the evolutionary masterpiece eye to a technical device can be seen as the starting point of this thesis. The pivotal point behind this is the optimum system design with tunable micro-optical components for imaging applications. The capabilities to adjust optical elements and adapting properties as resolution, magnification, angle of field, or depth of focus with respect to a required imaging quality become more and more important. Thus enables to combine high performance and minimum system size. In many cases, multifunctional elements are based on new materials whose properties are not optimized for optical applications and actuation concepts that are limited in tuning range. Dealing with both sides will be a major challenge to achieve optimum systems. Following fluidic micro-lenses with tunable, pressure controlled membranes of aluminum nitride (AlN) are used to realize imaging systems with scanning and zooming functionality. Due to the outstanding mechanical stability of AlN, it is possible to create lenses with nearly ideal spherical and cylindrical shape. This enables to establish an anamorphic system with separately tunable magnification in horizontal and vertical image direction that works without moving elements. In addition the thermo-mechanical properties of AlN allow to realize a tunable prism. The tilt angle of these prisms is rather limited. Thus it is shown how to increase the deflection by an appropriate positioning whereby the image quality stays nearly constant. To influence intensity, image aberrations and depth of focus of micro-optical systems there are several new concepts of tunable micro-apertures that enable to stop down without moving parts. Many of them are based on opaque fluids or materials whose transmission spectrum can be changed. Due to material characteristics and system design a totally absorbing aperture is hard to achieve. By using a geometric ray-model it is analyzed what is the residual transmission's impact on the depth of focus. A design strategy is developed to perform an optimum aperture geometry. The results are verified by diffractive simulations and experimental measurements. Based on concrete samples, this thesis provides generalized strategies for design and fabrication of tunable elements as lenses, prims and apertures.

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Pätz, Daniel: Dreidimensionale Objektraumerfassung durch aktive optische Mikrosysteme. Ilmenau 2017.

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