FORSCHUNGSPROGRAMM OPTISCHE TECHNOLOGIEN

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1 [Schriftenreihe der Landesstiftung Baden-Württemberg] FORSCHUNGSPROGRAMM OPTISCHE TECHNOLOGIEN der Landesstiftung Baden-Württemberg Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten

2 Wissenschaft & Forschung Impressum Forschungsprogramm Optische Technologien der Landesstiftung Baden-Württemberg Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten Herausgeberin: Landesstiftung Baden-Württemberg ggmbh Richard-Wagner-Straße 51, Stuttgart Internet: Verantwortlich: Rudi Beer Für die Darstellung der einzelnen Forschungsprojekte sind die Projektleiter verantwortlich. Abbildungen: Landesstiftung Baden-Württemberg ggmbh und Projektpartner Gestaltung: BPPA, Stuttgart Druck: Druckerei Mack, Schönaich September 2005, Stuttgart Schriftenreihe der Landesstiftung Baden-Württemberg; 15 ISSN

3 FORSCHUNGSPROGRAMM OPTISCHE TECHNOLOGIEN der Landesstiftung Baden-Württemberg Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten 3

4 Wissenschaft & Forschung Inhalt Forschungsprogramm Optische Technologien der Landesstiftung Baden-Württemberg Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten Vorwort 6 Geleitwort 7 [2001] 9 Ausschreibung 2001:Design optischer Systeme Entwurf und Realisierung hochauflösender fokusinvarianter optischer Systeme mittels Wellenfrontkodierung und Adaptive Phasenplatten für fokusinvariante optische Systeme 10 Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen 12 Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver Membranspiegel-Optik 14 Mikrooptische scannende Laserstrahl-Führungssysteme für endoluminale Anwendungen 16 Mikrooptische Systeme für die lasergestützte minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik 18 Rigorose numerische Simulation in Optik-Design und hochauflösender Messtechnik 20 Ausschreibung 2001:Neue Laserstrahlquellen Halbleiter-Scheibenlaser 22 [2002] 25 Ausschreibung 2002:Aktive Optik Aktive Mikro-Manipulation 26 Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen 28 Erzeugung und Adaptation dynamischer kohärenter Masken für den aktiven optischen Form- und Verformungsvergleich 30 Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung hochpräziser Komponenten durch schnelles Heißprägen anorganischer Gläser für Anwendungen in optischen Übertragungstechnologien und Systemen der aktiven Optik 32 Integrations- und Präzisionstechnologien für aktive optische Spiegelelemente 34 4

5 [2003/2004] 37 Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik FRET in TIRFM: Räumlich und zeitlich hochauflösende Detektion von Protein-Protein-Interaktionen in Zelladhäsionskomplexen 38 Hochauflösende, isotrope Fluoreszenzmikroskopie in extrem streuenden Proben 40 Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen 42 Nicht-invasive Darstellung menschlicher Hirnfunktionen mittels Diffusing-Wave-Spectroscopy (DWS) 44 Visualisierung dynamischer Prozesse bei der Zelldifferenzierung durch kontrastverstärkende Ramanmikroskopie und zeitaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie 46 Ausschreibung 2003/2004: Optische Systeme für den Terahertzbereich Entwicklung eines kompakten Mikrospektrometers für den Terahertzbereich 48 Ausschreibung 2003/2004: Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand 50 Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis von Nanopartikeln 52 Maßgeschneiderte hochdispersive Dünnfilmfilter für Laserscanning-Anwendungen 54 Thermisch aktivierte Bauelemente für die adaptive Optik 56 Mitglieder Photonik-Zentrum der Landesstiftung Baden-Württemberg 58 Gutachter Förderprogramm Forschung Optische Technologien der Landesstiftung Baden-Württemberg 59 5

6 Wissenschaft & Forschung Vorwort Baden-Württemberg ist ein hochentwickelter Standort, der weltweit zu den Spitzenregionen zählt. Die Landesstiftung als eine der größten Stiftungen Deutschlands hat es sich zum Ziel gesetzt, in die Zukunft Baden-Württembergs und seiner Menschen zu investieren und damit zur Zukunftssicherung dieses Standorts beizutragen. Naturgemäß spielt hierbei der Bereich der Forschung eine zentrale Rolle. Erfolgreiche Forschung wirkt gleichsam als Schrittmacher in Richtung Zukunft. Herbert Moser MdL, Geschäftsführer der Landesstiftung Baden-Württemberg Eine im Auftrag der Landesstiftung von der Unternehmensberatung Roland Berger & Partner im Jahr 2000 erstellte Studie zum Thema Zukunftsinvestitionen in Baden-Württemberg belegte u.a. eindrucksvoll die Spitzenpositionen in Wirtschaft und Wissenschaft im Bereich der optischen Technologien im Land. Diese Spitzenposition gilt es nachhaltig zu stärken und auszubauen. Bereits im Jahr 2001 hat die Landesstiftung das Forschungsprogramm Optische Technologien ins Leben gerufen. Im Rahmen dieses Forschungsprogramms wurden in den Jahren 2001, 2002 und 2003/2004 drei wissenschaftlich begutachtete Ausschreibungen durchgeführt, über die 23 wissenschaftlich hochkarätige Forschungsprojekte mit großem Innovationspotenzial mit einem Projektvolumen von rd. 9 Mio. Euro für Baden-Württemberg identifiziert und in Auftrag gegeben wurden. Zur Identifikation der Forschungsthemen hat die Landesstiftung das Photonik-Zentrum eingerichtet, in dem Experten auf dem Gebiet der optischen Technologien aus Industrie und Wissenschaft mitwirken. Durch dieses Gremium war es möglich, strategische Forschungsfelder im Bereich der Photonik unter Berücksichtigung nationaler und internationaler Entwicklungen zu identifizieren und diese unter besonderer Berücksichtigung der baden-württembergischen Struktur in Wissenschaft und Wirtschaft in konkrete Forschungsprogramme umzusetzen. Die Projektträgerschaft für die Ausschreibungen wurde dem Kompetenznetz Photonics BW e.v. übertragen. Die vorliegende Broschüre soll einen Überblick über das Förderprogramm geben und über die Ziele und den Stand der Forschungsprojekte aus den ersten drei Ausschreibungen informieren. Herbert Moser MdL Geschäftsführer 6

7 Geleitwort Photonics BW e.v. ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderter, gemeinnütziger eingetragener Verein zur Förderung der optischen Technologien in Forschung, Entwicklung und Anwendung, Aus- und Weiterbildung sowie Marketing und Öffentlichkeitsarbeit in Baden-Württemberg. Photonics BW e.v. wurde im Juli 2000 gegründet und vereint heute bereits 40 Mitglieder aus der Industrie, KMU und Wissenschaft sowie aus der Finanz- und Beratungsbranche. Photonics BW ist seit 2001 Projektträger im Rahmen des Förderprogramms Forschung Optische Technologien der Landesstiftung Baden-Württemberg ggmbh. Die optischen Technologien haben sich zu den bedeutendsten Technologien unserer heutigen Industrie- und Informationsgesellschaft entwickelt. Die Vielzahl der Entwicklungen und Anwendungen rund um das Licht ließen den Begriff der Photonik in Analogie zur Elektronik entstehen. Entsprechend der Deutschen Agenda Optische Technologien für das 21. Jahrhundert werden hierunter die Gesamtheit aller physikalischen, chemischen und biologischen Naturgesetze und Technologien zur Erzeugung, Verstärkung, Formung, Übertragung, Messung und Nutzbarmachung von Licht vom extremen ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich zusammengefasst. In nahezu allen Bereichen werden Aufgaben zunehmend mit optischen Technologien gelöst, enthalten Produkte mehr und mehr optische Komponenten als Schlüsselbausteine. Darüber hinaus bilden die optischen Technologien vielfach die Grundlage und Voraussetzung für weitere technologische Entwicklungen und Anwendungen. Dem Photon wird deshalb in diesem Jahrhundert eine vergleichbare Bedeutung zugesprochen wie dem Elektron im vergangenen Jahrhundert. In der Kommunikationstechnik beispielsweise haben die optischen Technologien aufgrund ihrer um ein Vielfaches höheren Übertragungsbandbreite auf längeren Verbindungsstrecken die Kupferkabel verdrängt. So werden heute bereits über 90 % des weltweit ständig wachsenden Internet-Datenaufkommens mit Hilfe von Lasern und Glasfasernetzen übertragen. Mit der Wavelength-Division-Multiplexing-Technik werden künftig Datenübertragungsraten von 3,2 Terabit/s über eine einzige Glasfaser möglich das entspricht etwa 40 Millionen Telefonkanälen. In der Fertigungstechnik, z. B. der Automobil- und Maschinenbauindustrie, ist der Laser zu einem unentbehrlichen Werkzeug geworden und hat zahlreiche herkömmliche Verfahren substituiert. Seine Vorzüge liegen in der hohen Bearbeitungsqualität, Produktivität und Flexibilität sowie der guten Automatisierbarkeit. Mit dem Laser können unterschiedlichste Bearbeitungsverfahren, wie das Trennen, Fügen, Bohren, Beschriften, Formen, Oberflächenbehandeln sowie Strukturieren und Abtragen, durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das Remote Welding, mit dem künftig Automobilkarosserien mit höchsten Schweißgeschwindigkeiten und minimalen Positionierzeiten gefertigt werden. Die Entwicklung neuer Strahlquellen mit höherer Leistung, besserer Fokussierbarkeit sowie kürzeren Pulsen bis in den Femtosekunden-Bereich werden auch weiterhin neue Anwendungen sowohl im makroskopischen als auch im mikroskopischen Bereich erschließen. Auch in der Medizin hat sich der Laser als vielseitiges Instrument für chirurgische Anwendungen etabliert und ermöglicht hier minimalinvasive und patientenschonende Eingriffe selbst in sensibelste Bereiche wie z. B. dem Auge. 7

8 Wissenschaft & Forschung So ist die Femto-LASIK zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten ein in den USA seit Jahren bewährtes Verfahren und befindet sich gegenwärtig im europäischen Raum in der Einführung. Optische Technologien helfen auch, neue Erkenntnisse über Entstehung und Heilung von Krankheiten zu gewinnen. In der Pharmaindustrie beschleunigen z. B. optische Screening- Verfahren die Entwicklung von Medikamenten mit verbesserter Wirksamkeit bei gleichzeitiger Senkung der Kosten. Mit der Fluoreszenzmikroskopie werden die Visualisierung komplexer dynamischer Prozesse in lebenden Systemen und die Analyse zugrunde liegenden Mechanismen möglich. Anwendungspotenziale liegen beispielsweise in der Evaluation neuer Therapeutika zur Behandlung von Tumorerkrankungen sowie in der Entwicklung regenerativer Therapien. Die optische Messtechnik trägt maßgeblich zur Qualität und Sicherheit moderner industrieller Fertigungsprozesse in den unterschiedlichsten Branchen bei. In die Fertigungslinie integrierte optische Mess- und Prüfverfahren ermöglichen eine Rückkopplung vielfältigster Prozessdaten in Qualitätsregelkreise in Echtzeit, so dass Abweichungen in der Fertigung rechtzeitig erkannt und Korrekturen vorgenommen werden können. Dadurch können enge Fertigungstoleranzen eingehalten und Ausschuss bzw. Nacharbeit vermieden werden. Oberflächen beispielsweise können mit Hilfe der Laser-Interferometrie berührungslos mit einer Auflösung im Nanometerbereich vermessen werden und ermöglichen so die Herstellung hochpräziser Komponenten oder die hochdynamische Messung von Bauteilschwingungen und -verformungen. In der Elektronikbranche können mit Hilfe der Lithografie Halbleiterstrukturen von derzeit bis zu 55 nm erzeugt werden, wodurch die zunehmende Miniaturisierung von Schaltkreisen und die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computern überhaupt erst ermöglicht wird. Mit der EUV-Lithografie werden künftig sogar Strukturgrößen von unter 35 nm angestrebt. Besondere Aufmerksamkeit erfahren derzeit optische Technologien im Wellenlängenbereich zwischen 30 und 3000 µm, deren sog. Terahertz-Strahlen Materie ähnlich wie Röntgenstrahlen durchdringen, aber als ungefährlich gelten. Damit eröffnet sich der Terahertz-Technologie ein großes und hochinteressantes Anwendungsspektrum, z. B. in der Sicherheitstechnik, der medizinischen Diagnostik und den Materialwissenschaften. biegsame Anzeigeelemente bereits in ersten Produkten wie z. B. Mobiltelefone oder Digitalkameras eingesetzt. In Zukunft werden OLEDs großflächige Displays hoher Brillanz sowie völlig neue Beleuchtungskonzepte ermöglichen. Im Optik-Design können durch die weitere Nutzung von Diffraktions- und Polarisationseffekten, Freiformflächen und mikrostrukturierten Oberflächen neuartige abbildende und nicht-abbildende optische Komponenten mit deutlich besseren Eigenschaften für die jeweilige Applikation entwickelt oder spezielle Funktionen überhaupt erst möglich gemacht werden. Die optischen Technologien besitzen eine hohe wirtschaftliche Bedeutung und große Hebelwirkung. Schon heute lassen sich etwa 15 % der Arbeitsplätze in der verarbeitenden Industrie mittelbar oder unmittelbar den optischen Technologien zuordnen: das sind über eine Million Arbeitsplätze allein in Deutschland. Nach einer Schätzung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) sind in Deutschland derzeit in der Herstellung optischer Technologien etwa Menschen beschäftigt, die einen Jahresumsatz von rund 10 Mrd. Euro erwirtschaften. Optische Technologien aus Deutschland nehmen international vielfach eine Spitzenposition ein. Besonders erfolgreich ist die deutsche Laserbranche, die bei den Laserstrahlquellen einen Weltmarktanteil von rund 40 % und bei Lasersystemen von etwa 25 % vorweisen kann. Als eine der wenigen Branchen konnten die optischen Technologien auch in wirtschaftlich schwierigen Zeiten weiter wachsen und z. T. Wachstumsraten im zweistelligen Prozentbereich erzielen. Und auch für die kommenden Jahre rechnen Experten mit einem jährlichen Wachstum von rund 10 %. Baden-Württemberg verfügt traditionsgemäß über eine herausragende industrielle und wissenschaftliche Infrastruktur insbesondere auch im Bereich der Photonik. Diese Position gilt es auch in Zukunft international zu verteidigen und durch geeignete förderpolitische und strukturelle Maßnahmen nachhaltig zu stärken und auszubauen. Dr. Andreas Ehrhardt Dipl.-Ing. (FH) Boris Stephan Geschäftsführer F+E-Projekt-Controlling Photonics BW e.v. Ein großer Wachstumsmarkt liegt in der Beleuchtungstechnik. Leuchtstarke weiße Leuchtdioden (LEDs) werden Glühlampen zunehmend ablösen und aufgrund des deutlich besseren Wirkungsgrads enorme Einsparungen an elektrischer Energie ermöglichen. Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) werden als sehr energieeffiziente, dünne und sogar 8

9 ausschreibung

10 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Entwurf und Realisierung hochauflösender fokusinvarianter optischer Systeme mittels Wellenfrontkodierung und Adaptive Phasenplatten für fokusinvariante optische Systeme Hochschule Aalen, Abteilung Optoelektronik Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart Wird ein optisches Abbildungssystem defokussiert, so wird das Bild aufgrund der begrenzten Schärfentiefe unscharf (Abb. 1 links und Mitte). Dies ist besonders in der industriellen Bildverarbeitung nachteilig, da damit eine Einschränkung der Objektlage verbunden ist. Die Schärfentiefe kann zwar durch Abblenden des Objektivs erhöht werden, jedoch muss dann ein entsprechender Lichtverlust in Kauf genommen werden, der bei kurzen Belichtungszeiten in den meisten Anwendungen nicht toleriert wird. kontinuierlich anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden an der Hochschule Aalen zwei verschiedene Ansätze für die Realisierung solcher Phasenmasken verfolgt. Zum einen wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Optik (ITO) an der Universität Stuttgart adaptive Membranspiegel entwickelt und untersucht, die so deformiert werden können, dass die verursachte Wellenfront den gewünschten kubischen Verlauf hat. Zum andern werden gegeneinander verschiebbare Phasenplatten mit speziell geformten Oberflächen untersucht, die Abb. 1 Fokussiertes (links) und defokussiertes Bild (Mitte) eines konventionell aufgenommenen Streifenmusters. Rechts ist das mit Hilfe einer adaptiven, kubischen Phasenmaske aufgenommene und invers gefilterte Bild des defokussierten Streifenmusters dargestellt. Wird eine transparente Platte mit kubischer Oberfläche (kubische Phasenplatte) in die Austrittspupille des Abbildungssystems gesetzt, so bewirkt die Phasenplatte zunächst eine zusätzliche Bildverschlechterung. Durch inverse Filterung des Bildes kann jedoch eine Bildqualität restauriert werden, welche dem fokussierten Bild sehr nahe kommt (Abb. 1 rechts). Mit diesem Verfahren kann eine Verbesserung der Schärfentiefe des optischen Abbildungssystems von mindestens einem Faktor fünf erreicht werden. Je größer der gewünschte Erweiterungsfaktor für den Schärfentiefenbereich ist, umso stärker muss jedoch die Phasenplatte sein. Dadurch werden in das Abbildungssystem zusätzliche Bildfehler eingeführt, die durch den Filterprozess nicht vollständig kompensiert werden können. Diese Bildfehler hängen direkt von der Stärke der verwendeten Phasenplatte ab. Es ist deshalb wünschenswert, für jede Anwendungssituation die passende Phasenplattenstärke zu wählen, um einen optimalen Kompromiss zwischen Schärfentiefenbereich und Restbildfehlern zu erhalten. Adaptive Phasenplatten erlauben es, die Phasenplattenstärke aufeinandergelegt sich in der Grundposition in ihrer Wirkung kompensieren (Abb. 2 oben). Werden (Abb. 2 unten) die Phasenplatten relativ zueinander verschoben, so ist die Wirkung des Phasenplattenpaares die gleiche wie die einer kubischen Phasenplatte. Der effektive kubische Anteil ist dabei umso größer, je stärker die Phasenplatten gegeneinander verschoben sind. Die Verschiebung ist in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern und kann so eingestellt werden, dass die gewünschte kubische Wirkung entsteht. Im Rahmen des Projekts werden im Zentrum für optische Technologien an der HTW Aalen Fertigungsverfahren entwickelt und untersucht, um solche Phasenplatten (Freiformflächen) mit optischer Genauigkeit herzustellen. Das Prinzip der variablen Phasenplatten wurde zum Patent angemeldet. Ein Demonstrator mit entsprechenden Phasenmasken wurde hergestellt, um den praktischen Einsatz mit Herstellern von Barcode-Lesegeräten und Autofokussystemen zur Abstandsmessung zu erproben. Der Technologietransfer erfolgt durch das Technologie-Lizenz-Büro (TLB). 10

11 Ferner wird im Projekt untersucht, wie der inverse Filterprozess durch den Kohärenzgrad der Beleuchtung beeinflusst wird. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn das Verfahren in der Mikroskopie eingesetzt wird, wo teilkohärente Beleuchtung vorliegt. Da kommerziell erhältliche Software-Programme für die notwendigen physikalisch-optischen Simulationen nicht oder nur unzureichend einsetzbar sind, wurde im Rahmen des Projekts das Simulationsprogramm PHYOS (physical simulation of optical systems) entwickelt. Das Simulationsprogramm simuliert die Abbildung optischer Systeme wellenoptisch und verarbeitet sowohl Phasen- als auch Amplitudenobjekte. Diese können mathematisch modelliert oder auch als Bilder über eine CCD- Kamera eingelesen werden. Das Programm PHYOS kann als Entwicklungswerkzeug zur Optimierung von Phasenplatten für fokusinvariante optische Systeme eingesetzt werden und umfasst folgende Merkmale: > Simulation realer optischer Systeme mit Abbildungsfehlern > kompatibel mit ZEMAX > kohärente, teilkohärente und inkohärente Abbildung > monochromatische und polychromatische Abbildung > Systeme mit feldabhängigen Bildfehlern > Phasenkontrastabbildung > Berechnung und Darstellung von OTF (optische Transferfunktion) PSF (point spread function) und MTF (modulation transfer function) > inverse Filterung im Frequenzraum > inverse Filterung im Ortsraum > Rauschunterdrückung durch Wienerfilter Abb. 2. Variable Phasenmaske. Oben Phasenmaske in der neutralen Grundstellung. Unten Phasenmaske mit kubischer Wirkung. Die Modellierung des Abbildungssystems selbst erfolgt durch das Optikdesign-Programm ZEMAX. Das Programm PHYOS übernimmt die Systemdaten als Zernike-Koeffizienten formatgerecht in Form von ASCII-Dateien. Experimentelle Ergebnisse können mit den Simulationsmodellen verglichen werden. 11

12 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart Endoskopische Untersuchungen gewinnen sowohl im Maschinenbau, der Fein- und Mikrotechnik als auch in verschiedenen Bereichen der Medizin zunehmend an Bedeutung. Vielversprechende Anwendungen sind u.a. in der zerstörungsfreien Prüfung von Innenräumen technischer Komponenten zu finden, die sich einer konventionellen Beobachtung entziehen. Die Ermittlung geometrischer Eigenschaften an schwer zugänglichen Stellen ist insbesondere im Verkehrsmittelbau von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Durch die Kombination von Endoskopie und holografischer Interferometrie lassen sich zusätzlich festkörpermechanische Daten wie z.b. Dehnungsfelder und Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert. Die holografische Interferometrie ist eine berührungslose und flächenhafte kohärente Messtechnik. Sie wurde in den vergangenen 30 Jahren zur Messung von Formen, statischen und dynamischen Formänderungen, Dehnungen und Dichteverteilungen erfolgreich eingesetzt. Mit holografischer Interferometrie werden zwei oder mehrere Wellenfelder, die zu verschiedenen Zeiten holografisch registriert wurden, miteinander verglichen. Durch die Weiterentwicklung der elektronischen Bildsensoren (CCD, CMOS) und der digitalen Bildverarbeitung konnten sich Verfahren der digitalen Holographie etablieren. Nach der Registrierung und Speicherung der Hologramme auf dem Bildsensor bzw. im Computer erfolgt die Rekonstruktion durch eine digitale Simulation der Propagation des Wellenfeldes. Die Technik erlaubt einen weitaus höheren Grad an Automatisierung und Miniaturisierung als die konventionelle Holografie. Pulslaser erlauben es, die Messzeit drastisch zu verkürzen (z.b. auf wenige Nanosekunden) und unerwünschte Störungen zu eliminieren, so dass dynamische Prozesse messbar sind. Bei der gepulsten digitalen Holografie werden in kurzem zeitlichem Abstand zwei oder mehrere Hologramme eines Objektes auf einem CCD-Chip registriert. Durch den interferometrischen Vergleich dieser Wellenfronten kann auf eine lokale Veränderung des Objektes infolge von dynamischen Verschiebungen geschlossen werden. Daher kann die gepulste digitale Holografie neben der flächenhaften Messung von Verformungen, vorteilhaft für die Schwingungsanalyse an mechanischen Bauteilen eingesetzt werden. Zur Untersuchungen des dreidimensionalen Schwingungsverhaltens von Objekten ist es notwendig, die Form des zu messenden Objekts zu kennen, was ebenfalls mit einer auf digitaler Holographie basierenden Methode erreicht wird. Die in dem Projekt Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen entwickelten Methoden erlauben es, das Anwendungsfeld endoskopischer Techniken im Hinblick auf dynamische Verformungen (z.b. Schwingungen) an schwer zugängliche Stellen zu erweitern. Durch die drastisch verringerte Messzeit von wenigen Nanosekunden (Einzelimpuls) bzw. Mikrosekunden (Pulsabstand) erscheinen Untersuchungen im industriellen Umfeld realistisch. Im ersten Teil wurde die bereits am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart entwickelte Aufnahmetechnik für den endoskopischen Einsatz erweitert und optimiert. Es wurde die Pulsholografie mit kommerziell erhältlichen starren und flexiblen Endoskopen proximal untersucht. Um die Fähigkeit des endoskopischen Systems zu prüfen, wurden Messungen an verschiedenen Teilen durchgeführt. Als starres Endoskop wurde ein Swing Prism Borescope der Fa. Karl Storz mit einer Länge von 0,5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet. Weitere Untersuchungen wurden mit einem flexiblen Endoskop angestellt. Zu diesem Zweck erfolgte die Integration eines Gerätes der Fa. Schölly in eine Anordnung für gepulste digitale Holografie. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn der holografische Sensor distal angekoppelt wird und direkt in das Objekt eingeführt wird. Damit ergeben sich eine Reihe von praktischen Vorteilen für die 3D-Form- und Verformungsmessung mittels Endoskopie. Vorraussetzung ist jedoch eine drastische Miniaturisierung des holografischen Messkopfes, um es in entspre- 12

13 chende Kavitäten (z.b. Motoren-, Turbinen- oder Körperhohlräume) einführen zu können. Eine sehr kleine Kamera wurde in einem miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt. Der Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 7 mm (Abb. 1). Faser. Referenz Faser CCD, 752 x 582 Pixel Pixelgröße: 3.2 µm x 3.1 µm Objektsbeleuchtung Apertur Linse Abb. 1: Prototyp eines miniaturisierten holografischen Messkopfs mit Kamera, Durchmesser 7 mm. Als Lichtquelle wurde ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Pulslaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge von 10 ns bei einer Frequenz von 20 Hz verwendet. Es wurden bereits erste Messungen durchgeführt. Ein Beispiel ist in Abb. 2 dargestellt. Es ist auch realistisch, das System noch weiter zu miniaturisieren und die Laserquelle ebenfalls in den Messkopf zu integrieren. Damit gelangt die Entwicklung von sehr kleinen und autonomen Messrobotern, die gezielt an schwer zugänglichen Stellen messen, in Reichweite. Referenzen: [1] S. Schedin, G. Pedrini, H.J. Tiziani, F.M. Santoyo, "All-fibre pulsed digital holography," Opt. Comm. 165, , [2] S. Schedin, G. Pedrini, H. J. Tiziani, "A comparative study of various endoscopes for pulsed digital holographic interferometry", Applied Optics-OT, Volume 40, Issue 16, , June 2001 [3] G. Pedrini, M. Gusev, S. Schedin, H. J. Tiziani, "Pulsed digital holographic interferometry by using a flexible fiber endoscope", Optics and Laser in Engineering 40, S , 2003 [4] G. Pedrini, I. Alexeenko, H. J. Tiziani, "Pulsed endoscopic digital holographic interferometry for investigation of hidden surfaces", Proc. SPIE, Vol 4933, , 2003 [5] G. Pedrini, I. Alexeenko, "Miniaturised optical system based on digital holography", Proc. SPIE, Vol 5503, , [6] G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Osten, Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungen an schwer zugänglichen Oberflächen, Tech. Mess. 3, , 2005 Defekt Abb. 2: Schwingungsmessung eines Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 2350 Hz. Streifenbild (a). Pseudo-3D Darstellung des Schwingungsvorgangs (b). 13

14 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver Membranspiegel-Optik Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart Hochschule Aalen Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung von innovativen Verfahren für die Messtechnik und Bildverbesserung mit Hilfe von adaptiver Optik.Dabei kommen neuartige adaptive Bauteile zum Einsatz, die zum Teil im Rahmen des Projektverbundes neu entwickelt und realisiert wurden. Mit adaptiven Optiken können Wellenfronten gezielt verformt werden.in den letzten Jahren wurden neuartige Membranspiegel entwickelt, die sich durch Schnelligkeit, Robustheit und hohe optische Qualität bei im Vergleich mit den bisherigen, piezogetriebenen adaptiven Optiken günstigem Preis auszeichnen.durch die Integration dieser adaptiven Optiken in den optischen Aufbau werden für aktuelle Probleme in der optischen Messtechnik neue Lösungsansätze entwickelt, die im Folgenden vorgestellt werden. Abb. 1: Membranspiegel mit 50 mm Durchmesser. Der Spiegel wird über 79 elektrostatischen Aktuatoren angesteuert. Flexible Asphärenmesstechnik Ein aktuelles Problem der optischen Industrie ist die flächenhafte Vermessung von asphärischen, d.h. nichtkugelförmigen, Oberflächen.Asphären bieten dem Optik-Designer im Vergleich zu sphärischen Flächen wesentlich mehr Design-Flexibilität, wodurch sich Systeme mit einer geringeren Anzahl von Flächen bei vergleichbaren oder besseren optischen Eigenschaften realisieren lassen. Bei der interferometrischen Vermessung von asphärischen Flächen muss die Wellenfront des Interferometers an den jeweiligen Asphärentyp angepasst werden, um zu hohe Streifendichten im Interferogramm oder gar Vignettierung des Messlichts zu vermeiden.diese Aufgabe übernimmt die sogenannte Nulloptik, die bei idealem Prüfling ein Interferogramm ohne Streifen erzeugt.für Kleinserien ist die Fertigung von individuellen Nulloptiken zu kosten- und zeitaufwändig.ziel ist es daher, im Rahmen des Projektes eine flexible Asphärenmesstechnik auf Basis von Membranspiegeln zu entwickeln. Ein Beispiel für einen solchen Membranspiegel ist der in Abb.1 dargestellte 50 mm-spiegel. Dieser Spiegel erzeugt reproduzierbar die notwendigen asphärischen Wellenfronten und bildet damit die Basis für die entwickelte adaptive Nulloptik.Im Projekt werden verschiedene Konzepte zur Integration des Spiegels in den interferometrischen Aufbau untersucht.dabei spielt die Kalibrierung des Prüfaufbaus eine entscheidende Rolle für eine komplette Prüfung müssen auch Messungen in Nicht-Nulltest-Konfiguration durchgeführt werden.neue Kalibrieransätze mit Hilfe von diffraktiven Optiken werden entwickelt.die maximale Deformation des Spiegels ist prinzipbedingt begrenzt.ein Schwerpunkt des Projekts ist daher auch die Entwicklung von Methoden zur Messbereichserweiterung zur Vermessung von Asphären mit höherer Asphärizität. Konfokalmikroskopie: Messbereichserweiterung und Aberrationskorrektur Ein weiteres Thema des Verbundprojekts ist die Aberrationskorrektur in konfokalen Mikroskopen mit Hilfe von Membranspiegeln.Die zu korrigierenden Aberrationen sind die Folge von Dicken- und Brechungsindexvariationen von Deckglas bzw.probe. 14

15 Es wurde bereits erfolgreich ein hochdynamisierbares konfokales System demonstriert, das durch den Einsatz von Membranspiegeln ohne mechanischen z-scan auskommt. Der Scan wird durch den Spiegel mit Stellzeiten unter 1 ms realisiert. Für den schnellen Tiefenscan mit adaptiven Spiegeln wurde ein Auswerteverfahren aus der chromatisch-konfokalen Mikroskopie adaptiert. Für die Aberrationskorrektur beim Tiefenscan ins Material wurde die Ansteuer-Software für den adaptiven Spiegel um ein neues Optimierungsmodul basierend auf einem genetischen Algorithmus erweitert. Hierzu wurde ein neuartiges Verfahren zur Ermittlung einer einzelnen skalaren Größe zur Wellenfrontcharakterisierung unter Verwendung der Informationsentropie definiert. Wellenfrontkodierung Die dritte messtechnische Anwendung, die im Rahmen des Verbundprojekts untersucht wird, ist die Wellenfrontkodierung. Diese erlaubt die Erhöhung der Schärfentiefe eines abbildenden Systems durch gezielte Einbringung von bekannten Aberrationen, die in einem zweiten Schritt rechnerisch eliminiert werden (inverse Filterung). Im Rahmen des Projekts wird der Entwurf der dafür benötigten Phasenmasken in Bezug auf spezifische Objektiv-Designs und spezielle Kontrastierungsverfahren sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht und optimiert. Ferner wird der Einfluss des Kohärenzgrads der Beleuchtung auf die Abbildungseigenschaften und die inverse Filterung untersucht. Als flexible Erweiterung zu statischen Phasenmasken werden adaptive optische Systeme untersucht und an einem Mikroskopaufbau erprobt. Hierfür wurde die Optik-Simulationssoftware "PHYOS" entwickelt. Neben speziell für das Problem angepassten Membranspiegeln wird ein neuer, zum Patent angemeldeter Ansatz verfolgt (Abb. 3). Abb. 3: Realisierung einer konkaven (oben) konvexen (unten) Phasenplatte, wie sie zum Patent angemeldet wurden. Die Bearbeitung erfolgt mit Hilfe eines Polierroboters im Zentrum für Optische Technologien an der Hochschule Aalen. Abb. 2: Simulationsergebnisse zur Wellenfrontkodierung. Links: Wellenfrontkodierung mit ideal kubischer Phasenfunktion, rechts zum Vergleich: gleiches Bild ohne Wellenfrontkodierung. Hierfür werden zwei gegeneinander verschiebbare Phasenplatten benötigt, die mit Hilfe eines Polierroboters an der Hochschule Aalen hergestellt wurden. Mit Hilfe der variablen Phasenplatten ist es möglich, die Stärke des Phasenplattensystems an die Erfordernisse der Optik und des Objekts anzupassen. 15

16 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Mikrooptische scannende Laserstrahl- Führungssysteme für endoluminale Anwendungen Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm Motivation und Ziel Für die Inspektion kleiner Hohlräume stehen für die Medizin und Technik heute eine Vielzahl von Endoskopen zur Verfügung. Die kleinsten flexiblen Bildleiter erreichen Durchmesser von unter 0,5 mm, Mini-Endoskope mit Arbeitskanal sind mit Außendurchmessern von etwa 2 mm erhältlich. Die Arbeitskanäle können Lichtleiter aufnehmen, so dass die Hohlräume nicht nur betrachtet, sondern auch z.b. mit Laserstrahlung bearbeitet werden können. Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass a) die zu untersuchenden und zu bearbeiteten Hohlräume immer kleiner werden und b) eine zunehmende Automatisierung die visuelle Inspektion zum Teil ablösen und daher eine vollständige Bildaufnahme unnötig sein wird. Um diesen zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, ist es Ziel des Projekts, ein optisches System zu entwickeln, welches das Vordringen in noch kleinere Dimesionen erlaubt und die automatisierte Bearbeitung unterstützt. Idee und Konzept Die am ILM entwickelte Grundidee ist es, Hohlräume mit nur einem einzelnen Lichtleiter variabel zu bestrahlen und/oder im Hohlraum (re-) emittiertes Licht winkelaufgelöst zu detektieren. Die Detektion des Lichts aus dem Hohlraum, z.b. Fluoreszenzstrahlung oder rückgestreutes Licht, erlaubt eine richtungsselektive Abrasterung des Hohlraums zur Diagnostik. Wenn diese zur Regelung der Bearbeitung bzw. Therapie als Feedback genutzt werden kann, ist eine automatisierte Behandlung ohne visuelle Kontrolle möglich. Durch die Benutzung einer einzigen Faser für die Bestrahlung und die Rückführung optischer Feedback-Signale sind prinzipiell sehr kleine Baugrößen möglich. Die "Faser-Scanner" können sowohl alternativ zu als auch in Verbindung mit Endoskopen zur flexiblen Beleuchtung, Diagnostik oder Bearbeitung eingesetzt werden. Forschung und Realisierung Der gewählte optische Ansatz besteht darin, durch eine gezielte Variation des Einkoppelwinkels in einen Lichtleiter eine Variation des Auskoppelwinkels zu erreichen. Der gewünschte auskoppelseitige Winkelbereich und die Auflösung werden durch den Bereich und die Rasterung des Einkoppelwinkels sowie durch das Lichtleiter-Design bestimmt. Um die Grundlage für möglichst viele Anwendungen zu legen, wurden zunächst alle relevanten Abhängigkeiten der Übertragung quantifiziert. Neben Faktoren wie Länge, Querschnitt und Material des Lichtleiters wurden auch spezielle Modifikationen der Faserenden, wie Anschrägungen oder Taper untersucht. Beispielhaft sind in Abb. 1 Beleuchtungsmuster von zylinderförmigen Fasern zu sehen. Je nach Einkoppelwinkel kann die Abstrahlung zwischen einem wenig divergenten axialen Bündel bis zu ringförmigen Verteilungen variiert werden. Die Abb. 2 zeigt die Konstruktion eines Scan-Handstücks für die Zahnmedizin unter Verwendung einer Faser mit rechteckigem Querschnitt. Die Strahlung eines Er:YAG-Lasers wird über eine Abb. 1: Abstrahlungsmuster, die mit zylinderförmigen Fasern erzeugt werden können. Der Ringdurchmesser steigt mit zunehmendem Einkoppelwinkel an, dünnere Lichtleiter führen zu schmaleren Ringen (oben: = 500 µm Simulation, unten: = 200 µm Messung). 16

17 Abb. 2: Konstruktion eines Handstücks mit Faserscanner für die Zahnmedizin. Über eine Optik mit beweglichem Spiegel kann unter verschiedenen Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt werden, wodurch auch die Abstrahlung variiert werden kann. Dadurch lässt es sich vermeiden, dass zur Entfernung unterminierender Karies der darüber liegende gesunde Schmelz abgetragen werden muss. Optik und einen beweglichen Spiegel unter verschiedenen Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt. Über ein Fluoreszenz- Feedback kann kariöses Gewebe automatisch erkannt und dann im Innern des Zahns ohne Sicht entfernt werden. Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten Je nach Fasertyp und Ausgestaltung der Faserenden kann eine Vielfalt verschiedener Abstrahl- oder Detektions-Charakteristika realisiert werden, z.b. auch 2-dimensionale Scans oder axiale Scans entlang der Faser. Da sich zur Lichtleitung auch Quarzoder Saphirfasern eigenen, stehen dem "Faser-Scanner" auch heiße oder chemisch aggressive Umgebungen offen. Der mögliche Spektralbereich für die Bestrahlung oder Detektion erstreckt sich vom UV bis zum infraroten Spektralbereich. Mögliche Anwendungen sind: > Beleuchtung, allein oder in Verbindung mit Endoskopen > Sensoren und Sonden, z.b. Temperatur (Radiometrie) > optische Analyse, z.b. durch (Fluoreszenz-) Spektroskopie > Laserbearbeitung in kleinen Bauteilen, mit und ohne Feedback, selektive Ablation, Reinigung, Trocknung, Oberflächenmodifikation > minimal-invasive medizinische Therapien Durch das nun am ILM vorhandene umfangreiche Datenmaterial und Know-how in der Simulation und Herstellung der Bauteile können für spezielle Anforderungen angepasste Systeme entworfen und realisiert werden. 17

18 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Mikrooptische Systeme für die lasergestützte minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik Physikalisch-Chemisches Institut (PCI) der Universität Heidelberg Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart Zur Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse wie zum Bespiel zur Optimierung moderner Verbrennungsmotoren werden immer öfter laserbasierte optische Messverfahren eingesetzt. Ihr Vorteil liegt in der berührungslosen Messung mit minimalem Einfluss auf den Verbrennungsvorgang. Etablierte Verfahren zur quantitativen Erfassung von Konzentrations- und Temperaturverteilungen sind jedoch auf die Signalbeobachtung und Laserstrahlführung durch ausgedehnte Fenster angewiesen. Die hierfür notwendigen Veränderungen verbieten Untersuchungen in der seriennahen Entwicklung. Für diese Anwendungen sind mikroinvasive Techniken erforderlich. Im Rahmen dieses Projekts werden deshalb vom Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart und dem Physikalisch-Chemischen Institut (PCI) der Universität Heidelberg neue diagnostische Lösungen für die innermotorische, lasergestützte Verbrennungsdiagnostik entwickelt, bei denen der Eingriff in den Motorblock minimiert wird. Während das ITO über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Spezialoptiken durch Kombination refraktiver und diffraktiver Elemente verfügt, ist ein Schwerpunkt des PCI die Entwicklung und Anwendung von laseroptischen Verfahren zur Verbrennungsdiagnostik, so dass sich die Kompetenzen der beiden Projektpartner innerhalb des Projekts ideal ergänzen. Eine wichtige Voraussetzung in modernen, mager betriebenen direkteinspritzenden Motoren ist die Bereitstellung der richtigen Treibstoff-Luft-Zusammensetzung am Ort der Zündung zum Zündzeitpunkt. Ziel des Projektes ist es, zur Untersuchung dieser Aufgabe ein minimalinvasives, auf laserinduzierter Fluoreszenz basierendes Detektionssystem zu entwickeln, das Untersuchungen in seriennahen Motoren ermöglicht. Kommerzielles Benzin enthält viele organische Komponenten, die in einem breiten spektralen Bereich fluoreszieren. Da die Konzentration dieser Komponenten stark variiert, verwendet man für quantitative Messungen nichtfluoreszierende Modelltreibstoffe, die mit Fluoreszenz-Tracern dotiert sind. Nach ihrer Anregung mit UV-Licht emittieren diese Moleküle Licht in einem definierten Spektralbereich. Für Tracer-LIF basierte Messverfahren ist die Charakterisierung des druck- und temperaturabhängen Fluoreszenzspektrums entscheidend [1, 2]. In der späteren Anwendung gibt die Intensität und spektroskopische Analyse des Fluoreszenzsignals dann Auskunft über Tracerkonzentration, Druck, Temperatur oder Gaszusammensetzung. Als Tracer bieten sich hierbei Moleküle an, die auch schon in regulärem Treibstoff vorhanden sind, sich nicht entmischen und ähnliche Siedetemperaturen haben wie der Treibstoff. 3-Pentanon und Toluol sollen hier erwähnt werden, da sie schon oft zur Messung von Treibstoffkonzentrationen eingesetzt wurden [3]. Toluol eignet sich zudem zur Temperaturmessung [4]. Die spektral getrennten Fluoreszenzsignale von Toluol und 3-Pentanon nach Anregung mit dem selben UV-Laser (Abb. 1) ermöglichen außerdem die Messung von Äquivalenzverhältnissen [5]. Abb. 1: Fluoreszenzspektren von Toluol und 3-Pentanon nach Anregung mit einem UV-Laser (266 nm) Zur Anwendung der oben genannten Methoden werden folgende mikrooptische Systeme entwickelt: 1. Ein bildgebendes Verfahren, bei dem Abbildungs- und Laser- Strahlführungsoptik miniaturisiert werden, so dass sie in Bohrungen mit Durchmessern von maximal 1 cm eingesetzt werden können. 2. Ein fasergestütztes System zur Punktmessung in Zündfunkennähe. Die gesamte Optik ist hierbei in einen Zündkerzenkörper intgriert und funktioniert somit ganz ohne weitere Bohrungen im Motorblock. Beide Techniken ermöglichen erstmals, die zugrundeliegenden diagnostischen Verfahren in seriennahen Motoren einzusetzen. 18

19 1. Punktmessung nahe des Zündfunkens durch einen faseroptischen Sensor [6, 7] Eine modifizierte Zündkerze dient als Sensor. Sie enthält zusätzlich zu der Zündfunktion optische Zugänge für Anregung der Tracer-Substanzen und die anschließende Sammlung des Fluoreszenzlichts. Durch gezielte Definition der Strahlbereiche kann ein Messvolumen optisch eingestellt werden. Es liegt in der Nähe des Zündfunkens und hat ein Volumen von ca. 2 mm 3. Die Optik im Sensorkopf ist speziell für die Verwendung von optischen Lichtleitern ausgelegt, wodurch eine einfache Handhabung des Sensors insbesondere im Hinblick auf Motorbewegungen möglich wird. Der schematische Messaufbau ist in Abb. 2 gezeigt. Abb. 3 zeigt einen Prototypen und seine Anwendung im Motor. Abb. 2: Messaufbau für den Fasersensor Aufgrund der thermischen Anforderungen für den Einsatz im Verbrennungsraum werden Saphirfenster verwendet, die in ein Titangehäuse druckdicht eingebaut sind. Diese gekrümmten Saphirfenster übernehmen zudem die Linsenfunktion der Sensoroptik. Abb. 3: Fasersensor Prototyp 2. Zweidimensionale Messung von Verbrennungsparametern durch refraktivdiffraktive (hybride) Mikrooptiken: Für die Erfassung von Messgrößen innerhalb einer im Motor definierten Ebene werden speziell auf die spektralen Bereiche der ausgewählten Tracer-Substanzen zugeschnittene Mikrooptiken mit einem kleinen Durchmesser entwickelt. Diese können in Bohrungen in der Motorwand eingesetzt werden. Das System besteht aus zwei Komponenten: Eine Optik wandelt den Gauß-Strahl des Anregungslasers in einen Lichtschnitt um und definiert hierdurch die Messebene. Die Verwendung von diffraktiven Komponenten erlaubt hier die Erzeugung eines vorteilhaften Flat-Top-Profils. Das ausgesandte Fluoreszenzlicht wird dann über eine Weitwinkel-Schlüssellochoptik auf eine verstärkte CCD-Kamera abgebildet. Da das Fluoreszenzlicht einen bestimmten Wellenlängenbereich umfasst, ist eine chromatische Korrektur der Abbildungsoptik nötig. Sie wird durch den Einsatz von diffraktiven Elementen realisiert. Diese haben eine negative Dispersion und können somit den refraktiven Linsen hinsichtlich der spektralen Variation der Brechkraft entgegenwirken. Außerdem wird ihre Phasenfunktion asphärisch ausgeführt, wodurch weitere Freiheitsgrade für die Korrektur von Bildfehlern (Aberrationen) genützt werden können. Auch für die Lichtstärke ergibt sich eine positive Auswirkung, weil die die gewünschte Auflösung mit weniger Elementen Abb. 4: Mikroinvasives erreicht werden kann. abbildendes Messverfahren Referenzen: [1] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone under engine-related temperature and pressure conditions," Proc. Combust. Inst. (2004). [2] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Toluene LIF at elevated temperatures: implications for fuel-air ratio measure ments," Appl. Phys. B 80, (2005). [3] J. Fischer, A. Velji, U. Spicher, F. Zimmermann, and C. Schulz, "Measurement of the equivalence ratio in the spark gap region of a gasoline direct injection engine with spark emission spectrosco py and tracer-lif," SAE Technical Paper Series No (2004). [4] W. Koban, M. Luong, and C. Schulz, "Temperature imaging based on toluene laser-induced fluorescence," Appl. Phys. B, in preparation (2005). [5] W. Koban, J. Schorr, and C. Schulz, "Oxygen distribution imaging with a novel two-tracer laser-induced fluorescence technique," Appl. Phys. B 74, (2002). [6] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. Tiziani, F. Zimmermann, and C. Schulz, "Microoptical sensor for integration in a functional spark plug for combustion analysis by UV-laser induced fluores cence spectroscopy," Proc. VDI 4th Conference on Optical Analysis Technology (2004). [7] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. J. Tiziani, F. Zimmermann, and C. Schulz, "Fiber optic spark plug sensor for UV-LIF measurements close to the ignition spark," Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering vol. 5856, (2005). 19

20 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Rigorose numerische Simulation in Optik-Design und hochauflösender Messtechnik Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart Aufgrund der Verbesserung der Abbildungsleistung moderner Objektive und der Integration innovativer Komponenten spielen elektromagnetische Effekte in optischen Systemen eine immer entscheidendere Rolle auch um ihre Leistungsfähigkeit im physikalischen Grenzbereich voll auszuschöpfen. Für das Design und die Auslegung solcher Systeme sind daher skalare Rechnungen nicht mehr ausreichend, sodass rigorosen elektromagnetischen Rechnungen eine essentielle Bedeutung zukommt. Darüber hinaus muss der Einfluss elektromagnetischer Effekte auf die Leistungsfähigkeit optischer Systeme quantifiziert werden, um diese für ein präzises Design berücksichtigen zu können. Dies ist die Grundvoraussetzung für eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit optischer Systeme im Grenzbereich des physikalischen Auflösungsvermögens. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen dieses Projektes drei wesentliche Ziele verfolgt: 1) Schaffung und Vergleich von verschiedener Simulationsmethoden zur rigorosen numerischen Simulation. 2) Kombination von hochauflösender Messtechnik mit rigoroser numerischer Simulation. 3) Rekonstruktion von räumlichen Verteilungen der optischen Anisotropie (Index-Ellipsoid) transparenter Körper, um sie in Optik-Design und Simulation berücksichtigen zu können. In Tabelle 1 sind die implementierten Verfahren zur Berechnung der rigorosen Beugung einander gegenübergestellt und hinsichtlich verschiedener praxisrelevanter Kriterien verglichen. Die detaillierten Untersuchungen [1] zeigten, dass es notwendig ist, eine große Palette an verschiedenen Simulationsmethoden zur Verfügung zu haben, um ein möglichst breites Spektrum anwendungsrelevanter Objekte mit bestmöglicher Präzision simulieren zu können. Es kann so, je nach Fragestellung, das geeignete Rechenverfahren ausgewählt werden. Fernfeldanbindung Rechenzeit Numerischer Aufwand Periodische Strukturen Singuläre Strukturen Flexibilität (Strukturform) Zuverlässigkeit RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) FDTD (Finite Difference Time Domain) FEM (Finite Elemente Methode) Streutheorie (Elektromagnetisch (Kugel, Zylinder)) VKA (Vektorielle Kirchhoff Approximation) Detektor Tabelle 1: Gegenüberstellung von Verfahren zur Berechnung der rigorosen Beugung. Laser Strahlteiler Objekt (Gitter) Polarisationssteller Polarisationsanalysator Detektor Abb. 1: Aufbau eines Polarisationsdiffraktometers. 20