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Optomechatronik

Modellierung, Simulation, Regelung und Optimierung von Systemen an der Schnittstelle von Mechatronik und Optik.

Die Optomechatronik-Gruppe des ISYS beschäftigt sich mit der Modellierung, Simulation, Regelung und Optimierung von Systemen an der Schnittstelle von Mechatronik und Optik. Dazu arbeiten wir mit verschiedenen universitären und außeruniversitären Partnern zusammen.

Bedingt durch die Fortschritte in der Fertigung optischer Komponenten werden auch an moderne optische Systeme sehr hohe Anforderungen an die Abbildungsgüte und die Minimierung von Abbildungsfehlern gestellt. Um diese zu erreichen, müssen aber neben den Optiken auch deren Halterungen und Verbindungen konstruktiv hochwertig sein. Trotzdem kommt es in komplexen optischen Systemen zu Abbildungsfehlern, die vielfältige Ursachen haben können. Dazu zählen vor allem Störgrößen, die von außen auf die Systeme wirken, und die selbst nicht oder nur gering beeinflussbar sind. Mittels entsprechender Messtechnik sowie aktiver und adaptiver Optiken können diese Störungen jedoch gemessen und ausgeglichen werden. Die Grundlagen für diese Funktionen bildet die Systemdynamik und die Regelungstechnik. Dazu werden am ISYS diese optomechatronischen Systeme modelliert und geeignete Regleralgorithmen entworfen. Die Störgrößen werden aus vorhandenen Messsignalen geschätzt und der aktuierten Optik zur Kompensation zugeführt. Somit trägt das ISYS dazu bei, die Potenziale heutiger Optiken in integrierten optischen Systemen besser auszunutzen und die Gesamtperformance dieser Systeme zu verbessern.

Forschungsprojekte

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  • Entwurf von modellbasierten und nicht modellbasierten Filtern zur Strögrößenschätzung
  • Regelung optomechatronischer Kompensationselemente (Spiegel)
  • Integrierte Gesamtsimulation zur Quantifizierung des Einflusses einzelner Komponenten auf die Abbildungsgüte
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Hauptstruktur des Extremely Large Telescope
  • Verwendung von adaptiven Optiken zur Kompensation resonatorinterner Störungen, welche Strahlqualität und Effizienz beeinflussen
  • Zwei Bauformen deformierbarer Spiegel: pneumatische & optisch adressierte deformierbare Spiegel
  • Hauptursache der Störungen sind thermische Effektive im laseraktive Medium
  • Zusätzlich sollen gezielt gewünschte Strahlformen eingestellt und stabilisiert werden
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Strahlformung und Störgrößenkompensation in Laserresonatoren
  • Modellierung und Kompensation von dynamischen Fehlern auf Grund von höheren Geschwindigkeiten/Beschleunigungen
  • Multiraten Multisensor Fusion (optischer Sensor und Achsencoder)
  • Modellbasierte Trajektorienaufteilung bei redundanten Antriebsachsen
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Mahr MFU 100
  • Verteiltparametrische Modellierung
  • Modale Profilregelung
  • Erhöhung der Bandbreite adaptiver Optik
  • Hauptanwendung in der Astronomie, aber auch in der Medizintechnik, Mikroskopie oder Kommunikationstechnik
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Spiegelmoden

Studentische Arbeiten

Wir suchen ständig motivierte Studierende, die sich im Rahmen einer Studien-, Diplom-, Bachelor- oder Masterarbeit an einem unserer Projekte beteiligen wollen. Die Aufgaben-stellungen liegen dabei typischerweise in den folgenden Bereichen:

  • Verteilt-parametrische und konzentriert-parametrische Modellierung (opto-)mechatronischer Bauteile
  • Methoden der Signalverarbeitung
  • Methoden der Parameter und Zustandsschätzung
  • Entwurf und Vergleich von Regelstrategien für (opto-)mechatronische Systeme

Interessierte Studierende wenden sich bitte direkt an die Mitglieder der Optomechatronik-Gruppe um sich persönlich über mögliche Themen zu informieren.

Publikationen der Optomechatronik-Gruppe

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  • M. Böhm, J.-U. Pott, M. Kürster, O. Sawodny, D. Defrère & P. Hinz, “Delay Compensation for Real Time Disturbance Estimation at Extremely Large Telescopes”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2016, doi:10.1109/TCST.2016.2601627
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Real Time Vibration Compensation for Large Telescopes”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 442, pp. 2446-2455, 2014, doi:10.1093/mnras/stu1012
  • A. Keck, M. Böhm, K. Knierim, O. Sawodny, M. Gronle, W. Lyda & W. Osten, “Multisensorisches Messsystem zur dreidimensionalen Inspektion technischer Oberflächen”, tm - Technisches Messen, 81, pp. 280-288, 2014, doi:10.1515/teme-2014-0402
  • T. Ruppel, S. Dong, F. Rooms, W. Osten & O. Sawodny, “Feedforward Control of Deformable Membrane Mirrors for Adaptive Optics”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 21, pp. 579-589, 2013, doi:10.1109/TCST.2012.2186813
  • J. Zimmermann, O. Sawodny, W. Lyda & W. Osten, “A Control System for Automated Multiscale Measuring systems”, Mechatronics, 22, pp. 338-348, 2012, doi:10.1016/j.mechatronics.2011.11.003
  • T. Ruppel, W. Osten & O. Sawodny, “Model-based feedforward control of large deformable mirrors”, European Journal of Control, 3, pp. 261-272, 2011, doi:10.3166/ejc.17.261-272
  • A. Burla, W. Lyda, W. Osten, J. Regin, E. Westkämper, J. Zimmermann & O. Sawodny, “Verlässlichkeitsanalayse von Indikatorfunktionen in einem Automatisierten Multiskalen Meßsystem”, tm - Technisches Messen, 77, pp. 493-499, 2010, doi:10.1524/teme.2010.0033
  • M. Böhm, J.-U. Pott, J. Borelli, P. Hinz, D. Defrère, E. Downey, J. Hill, K. Summers, A. Conrad, M. Kürster, T. Herbst & O. Sawodny, “OVMS-plus at the LBT. Disturbance compensation simplified.”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, pp. 99062R, doi:10.1117/12.2231268
  • M. Glück, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Simulation of an Accelerometer-based Feedforward Vibration Suppression in an Adaptive Optics System for MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231852
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of fast telescope vibrations from delayed measurements”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231667
  • A. Keck, O. Sawodny, M. Gronle, T. Haist & W. Osten, “Active Compensation of Dynamic Errors in a Coordinate-Measuring Machine”, 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems & 15th Mechatronics Forum International Conference, Loughborough, UK, 2016
  • M. Böhm & O. Sawodny, “Optimal sensor placement for modal based estimation of deformable mirror shape”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, Australia, 2015, pp. 418-423, doi:10.1109/CCA.2015.7320665
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations from delayed measurements”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, NSW, Australia, 2015, doi:10.1109/CCA.2015.7320666
  • M. Böhm, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Real Time Estimation of Differential Piston at the LBT”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2055833
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based position reconstruction for the feedforward compensation of fast telescope vibrations in the E-ELT/MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2053769
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations in extremely large telescopes”, IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, pp. 7467-7473, doi:10.3182/20140824-6-ZA-1003.00265
  • A. Keck & O. Sawodny, “Automation and control of a multi-sensor measuring system for quality inspection of technical surfaces”, International Conference on Control, Automation, Robotics & Vision (ICARCV), Singapore, 2014, doi:10.1109/ICARCV.2014.7064319
  • A. Keck, J. Zimmermann & O. Sawodny, “Friction parameter identification and compensation using the elastoplastic friction model”, Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering, Boston, MA, USA, 2014
  • M. Böhm, J. Pott, M. Kürster & O. Sawodny, “Modeling and Identification of the Optical Path at ELTs – a Case Study at the LBT”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Hangzhou, China, 2013, pp. 249-255, doi:10.3182/20130410-3-CN-2034.00014
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “An accelerometer based dual loop approach to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes Conference (AO4ELT), Florence, Italy, 2013
  • M. Böhm, T. Ruppel, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Modelling the optical pathway of the Large Binocular Telescope”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.926293
  • A. Keck, J.-U. Pott, T. Ruppel & O. Sawodny, “Development of new concepts to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.927030
  • W. Lyda, A. Burla, T. Haist, J. Zimmermann, W. Osten & O. Sawodny, “Automated Multi-Scale Measurement System for MEMS-Characterization”, SPIE Conference on Optical Micro- and Nanometrology, 2010, doi:10.1117/12.853819
  • T. Ruppel, S. Oliver & O. Wolfgang, “Actuator placement for minimum force modal control of continuous faceplate deformable mirrors”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Yokohama, Japan, 2010, pp. 867-872, doi:10.1109/CCA.2010.5611311
  • J. Zimmermann, S. Oliver, L. Wolfram & O. Wolfgang, “Model-Based Control of a High-Precision Measurement Machine for Multiscale Inspection Tasks: in Preprints of the 5th IFAC Symposium on Mechatronic Systems”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Cambridge, MA, USA, 2010
  • A. Burla, J. Regin, W. Lyda, J. Zimmerman, W. Osten, E. Westkämper & O. Sawodny, “Relibility Analysis of Indicator Functions in an Automated Multiscale Measuring System”, Opto, Nürnberg, Germany, 2009
  • T. Ruppel, M. Lloyd-Hart, D. Zanotti & O. Sawodny, “Modal Trajectory Generation for Adaptive Secondary Mirrors in Astronomical Adpative Optics”, IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Scottsdale, USA, 2007, pp. 430-435, doi:10.1109/COASE.2007.4341799
  • J. Zimmermann & O. Sawodny, “Modeling for Simulation and Control of a X-Y High Precision Positioning Table”, IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Scottsdale, USA, 2007, pp. 1093-1097, doi:10.1109/COASE.2007.4341750
  • J. Zimmermann & O. Sawodny, “Modelling and Control of a X-Y-Fine Positioning Table”, Ilmenauer Wissenschafliches Kolloquium (IWK), 2007
  • J. Zimmermann, O. Sawodny, T. Hausotte & G. Jäger, “Friction Modelling for Control of a Linear High Prescision Actuator”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Heidelberg, Germany, 2006, pp. 461-466, doi:10.3182/20060912-3-DE-2911.00081
  • J. Zimmermann, O. Sawodny, T. Hausotte & G. Jäger, “Friction modelling of a linear high-precision actuator”, IFAC World Congress , Prague, Czech Republic, 2005, pp. 3309-3314, doi:10.3182/20050703-6-CZ-1902.01201
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Störgrößenkompensation im optischen Pfad von Riesenteleskopen mittels aktiver Optik”, 2013

Mitglieder der Optomechatronik-Gruppe