Posenidentifikation optischer Systeme zur automatisierten, modellbasierten Justage am Beispiel eines externen Fabry-Perot-Resonators

Autor: Nils Frederik Melchert

ISBN: 978-3-95900-839-6

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2023

Herausgeber der Reihe: Eduard Reithmeier

Band-Nr.: IMR 03/2023

Umfang: 192 Seiten, 64 Abbildungen

Schlagworte: optische Justage, Systemidentifikation, automatisierte Montage

Kurzfassung: Die Montage und insbesondere die Feinjustage optischer Systeme ist im industriellen Kontext oft ein zeit- und damit kostenintensiver Prozess, bei dem viele Arbeitsschritte nur teilweise automatisiert sind und noch manuell von geschultem Personal mit passiven oder aktiven Justiereinrichtungen durchgeführt werden. Mit den stetig steigenden Anforderungen an die Qualität optischer Systeme steigen auch die Toleranzanforderungen und damit die Notwendigkeit, die einzelnen optischen Komponenten mit hoher Genauigkeit zueinander auszurichten. Insbesondere die Feinjustage positionssensitiver optischer Systeme ist fehleranfällig und stellt daher eine Herausforderung für die Automatisierung dar. So entstehen bei manueller Handhabung oft lange Durchlaufzeiten einzelner Montageschritte und somit hohe Montagekosten. Im Rahmen dieser Dissertation wird das Ziel einer automatisierten Justage optischer Systeme verfolgt. Dieser Prozess wird durch Mehrdeutigkeiten in den zur Justage verwendeten Messdaten erschwert. Übergeordnetes Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines modellbasierten Ansatzes, der die räumliche Lageinformation optischer Komponenten während des Justageprozesses identifiziert und dieses Wissen für nachfolgende Justageschritte zur Verfügung stellt. Hierbei sollen sowohl die inhärenten Mehrdeutigkeiten, die sich aus der Geometrie der optischen Komponenten ergeben, als auch die Konvergenz des Justageprozesses sichergestellt werden. Obwohl der Anspruch erhoben wird, die entwickelten Algorithmen auf beliebige optische Systeme anwenden zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit exemplarisch das Problem der Einkopplung in einen externen Fabry-Perot-Resonator hoher Finesse betrachtet. Dabei handelt es sich um ein sensitives optisches System mit hohen Anforderungen an die Positionierungsgüte. Als Messgröße zur Posenidentifikation wird dazu erstmals die Lagekorrelation einzelner transmittierter Leistungsmaxima im freien Spektralbereich von Resonatoren genutzt. Das optische System wird in einer Simulationsumgebung ausgelegt und im Rahmen einer Dimensionsreduktion auf die für die Justage notwendigen beweglichen Freiheitsgrade unter Berücksichtigung der Genauigkeitsanforderungen des optischen Designs reduziert. Um diese Anforderungen auch in der Realität umzusetzen, werden darauf aufbauend zwei unterschiedliche mechanische Konzepte des optischen Designs entwickelt und anschließend verglichen. Durch Aufzeigen der Grenzen klassischer Identifikations- und Filterverfahren zur Posenidentifikation in einer Simulationsumgebung wird die Entwicklung eines neuartigen hybriden Filteransatzes zur Feinjustage optischer Systeme motiviert. Dieser baut auf klassischen Ansätzen Bayesscher Filter auf und beruht zudem implizit auf Methoden der Triangulation, um das Problem der Mehrdeutigkeit zu adressieren. Die experimentelle Validierung des entwickelten Verfahrens erfolgt schließlich am realen Versuchsaufbau.