aus dem Inhalt: „Die im Teilprojekt Mark/Schnell des SPP 1542 erbrachten Entwicklungen an Parabolrinnen (siehe S. 536 ff . des vorliegenden Buches) haben gezeigt, wie aussichtsreich die Verwendung von Feinkornbetonen für die Herstellung hochpräziser, formstabiler Bauteile ist [1], [2]. Die gewonnenen Erkenntnisse und die Nachfrage aus der Solartechnik ermutigen zur Übertragung auf verwandte Anwendungsgebiete, nämlich auf Heliostate [3] unter der Leitidee einer weitgehend industrialisierten Präzisionsfertigung. Wegen der extrem hohen Wiederholungszahl gleicher oder sehr ähnlicher Fertigteile sind Heliostate für den Betonfertigteilbau auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in nahezu idealer Weise geeignet....” / from the content: „Recent developments on parabolic troughs (see p. 536 seq. of this book) in Mark/Schnell’s project of the SPP 1542 have shown that the use of finegrained concrete is a promising alternative for the manufacture of highly precise components with low deformations [1], [2]. Their findings and requests in solar technology have encouraged a transfer to related fields of application, namely to heliostats [3]. The guiding principle is broadly industrialized precision manufacturing. Due to an extremely high number of identical or utmost similar precast elements, heliostats seem to be ideally suited for precast concrete construction from an economic point of view....”

Cette thèse se concentre sur le sujet de la calibration de la camera interne et, en particulier, sur les aspects de haute précision. On suit et examine deux fils principaux: la correction d'une aberration chromatique de lentille et l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra. Pour la problème de l'aberration chromatique, on suit un chemin de post-traitement numérique de l'image, afin de se débarrasser des artefacts de couleur provoqués par le phénomène de dispersion du système d'objectif de la caméra, ce qui produit une désalignement perceptible des canaux couleur. Dans ce contexte, l'idée principale est de trouver un modèle de correction plus général pour réaligner les canaux de couleur que ce qui est couramment utilisé - différentes variantes du polynôme radial. Celui-ci ne peut pas être suffisamment général pour assurer la correction précise pour tous les types de caméras. En combinaison avec une détection précise des points clés, la correction la plus précise de l'aberration chromatique est obtenue en utilisant un modèle polynomial qui est capable de capter la nature physique du décalage des canaux couleur. Notre détection de points clés donne une précision allant jusqu'à 0,05 pixels, et nos expériences montrent sa grande résistance au bruit et au flou. Notre méthode de correction de l’aberration, par opposition aux logiciels existants, montre une géométrique résiduelle inférieure à 0,1 pixels, ce qui est la limite de la perception de la vision humaine. En ce qui concerne l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra, la question est de savoir comment éviter la compensation d'erreur résiduelle qui est inhérent aux méthodes globales d'étalonnage, dont le principe fondamental consiste à estimer tous les paramètres de la caméra ensemble - l'ajustement de faisceaux. Détacher les estimations de la distorsion de la caméra et des paramètres intrinsèques devient possible lorsque la distorsion est compensée séparément. Cela peut se faire au moyen de la harpe d'étalonnage, récemment développée, qui calcule le champ de distorsion en utilisant la mesure de la rectitude de cordes tendues dans différentes orientations. Une autre difficulté, étant donnée une image déjà corrigée de la distorsion, est de savoir comment éliminer un biais perspectif. Ce biais dû à la perspective est présent quand on utilise les centres de cibles circulaires comme points clés, et il s'amplifie avec l'augmentation de l'angle de vue. Afin d'éviter la modélisation de chaque cercle par une fonction conique, nous intégrons plutôt fonction de transformation affine conique dans la procédure de minimisation pour l'estimation de l'homographie. Nos expériences montrent que l'élimination séparée de la distorsion et la correction du biais perspectif sont efficaces et plus stables pour l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra que la méthode d'étalonnage globale / This dissertation focuses on internal camera calibration and, especially, on its high-precision aspects. Two main threads are followed and examined: lens chromatic aberration correction and estimation of camera intrinsic parameters. For the chromatic aberration problem, we follow a path of digital post-processing of the image in order to get rid from the color artefacts caused by dispersion phenomena of the camera lens system, leading to a noticeable color channels misalignment. In this context, the main idea is to search for a more general correction model to realign color channels than what is commonly used - different variations of radial polynomial. The latter may not be general enough to ensure stable correction for all types of cameras. Combined with an accurate detection of pattern keypoints, the most precise chromatic aberration correction is achieved by using a polynomial model, which is able to capture physical nature of color channels misalignment. Our keypoint detection yields an accuracy up to 0.05 pixels, and our experiments show its high resistance to noise and blur. Our aberration correction method, as opposed to existing software, demonstrates a final geometrical residual of less than 0.1 pixels, which is at the limit of perception by human vision. When referring to camera intrinsics calculation, the question is how to avoid residual error compensation which is inherent for global calibration methods, the main principle of which is to estimate all camera parameters simultaneously - the bundle adjustment. Detachment of the lens distortion from camera intrinsics becomes possible when the former is compensated separately, in advance. This can be done by means of the recently developed calibration harp, which captures distortion field by using the straightness measure of tightened strings in different orientations. Another difficulty, given a distortion-compensated calibration image, is how to eliminate a perspective bias. The perspective bias occurs when using centers of circular targets as keypoints, and it gets more amplified with increase of view angle. In order to avoid modelling each circle by a conic function, we rather incorporate conic affine transformation function into the minimization procedure for homography estimation. Our experiments show that separate elimination of distortion and perspective bias is effective and more stable for camera's intrinsics estimation than global calibration method

This mémoire presents my current research interests in micro and nano-mechanics in a comprehensive manuscript. Our experimental device is first presented: this atomic force microscope, designed and realized in the Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon, is based on a quadrature phase differential interferometer. It features a very high resolution (down to 10 fm/rtHz) in the measurement of deflexion, down to low frequencies and on a huge input range. The dual output of the interferometer implies a specific handling to interface common scanning probe microscope controllers. We developed analog circuitries to tackle static (contact mode) and dynamic (tapping mode) operations, and we demonstrate their performance by imaging a simple calibration sample. As a first application, we used the high sensitivity of our interferometer to study the mechanical behavior of micro-cantilevers from their fluctuations. The keystone of the analysis is the Fluctuation-Dissipation Theorem (FDT), relating the thermal noise spectrum to the dissipative part of the response. We apply this strategy to confront Sader's model for viscous dissipation with measurements on raw silicon cantilevers in air, demonstrating an excellent agreement. When a gold coating is added, the thermal noise is strongly modified, presenting a 1/f like trend at low frequencies: we show that this behavior is due to a viscoelastic damping, and we provide a quantitative phenomenological model. We also characterize the mechanical properties of cantilevers (stiffness and Elastic Moduli) from a mapping of the thermal noise on their surface. This analysis validates the description of the system in term of its normal modes of oscillations in an Euler-Bernoulli framework for flexion and in Saint-Venant approach for torsion, but points toward a refined model for the dispersion relation of torsional modes. Finally, we present peeling experiments on a single wall carbon nanotube attached to the cantilever tip. It is pushed against a flat substrate, and we measure the quasi-static force as well as the dynamic stiffness using an analysis of the thermal noise during this process. The most striking feature of these two observables is a plateau curve for a large range of compression, the values of which are substrate dependent. We use the Elastica to describe the shape of the nanotube, and a simple energy of adhesion per unit length Ea to describe the interaction with the substrate. We analytically derive a complete description of the expected behavior in the limit of long nanotubes. The analysis of the experimental data within this simple framework naturally leads to every quantity of interest in the problem: the force plateau is a direct measurement of the energy of adhesion Ea for each substrate, and we easily determine the mechanical properties of the nanotube itself.

Precise measurements of both absolute frequencies and small frequency differences of atomic energy levels have played an important role in the development of physics. For example, high precision measurements of absolute frequencies of the 2S½ → 2P ½ transition (D1 line) of alkali atoms form an important link in the measurement of the fine structure constant, α. Similarly, precise interferometric measurements of the local gravitational acceleration (g) rely on the knowledge of the absolute frequencies of the 2S½ → 2P 3/2 transition (D2line) in alkali atoms. Difference frequency measurements of hyperfine structure and isotope shifts of atomic energy levels provide valuable information about the structure of the nucleus, which in turn helps in fine tuning the atomic wave functions used in theoretical calculations. The work reported in this thesis starts with the development and refinement of high precision measurement of absolute frequencies using a ring-cavity resonator. The measurement technique is relatively simple and cost-effective, but the accuracy is comparable to that achieved with the frequency comb technique (10¯11) when the accuracy is limited by the natural linewidth of the transition being measured. The technique combines the advantages of using tunable diode lasers to access atomic transitions with the fact that the absolute frequency of the D2 line in87Rb is known with an accuracy of 6 kHz. A frequency-stabilized diode laser locked to this line is used as a frequency reference, along with a ring-cavity resonator whose length is locked to the reference laser. For a given cavity length, an unknown laser locked to an atomic transition has a small frequency offset from the nearest cavity resonance. We use an acousto-optic modulator (AOM) to compensate for this frequency offset. The measured offset is combined with the cavity mode number to obtain a precise value for the frequency of The unknown laser. We have used this technique for absolute frequency measurements Of the D lines in133Cs and 6,7Li, and the 398.8nm line in Yb. We have also developed a technique to measure the ‘difference frequency’ of atomic energy levels using a single diode laser and an AOM. In this technique, the laser is first locked to a given hyperfine transition. The laser frequency is then shifted using the AOM to another hyperfine transition and the AOM frequency is locked to this difference. Thus the AOM frequency directly gives a measurement of the hyperfine interval. Applying this AOM technique we have measured the hyperfine interval of the D1 lines of all alkali atoms with high precision. We have further developed a technique of coheren-tcontrol spectroscopy (CCS) using co-propagating control and probe beam that is useful for highresolution spectroscopy. In this technique, the probe beam is locked to a transition and its absorption signal is monitored while the control beam is scanned through neighbouring transition. As the control comes into resonance with another transition, the probe absorption is reduced and the signal shows a Doppler free dip. This technique allows us to resolve transitions that are otherwise swamped by crossover resonances in conventional saturated absorption spectroscopy (SAS). We have applied this technique to measure hyperfine intervals in the D2 line of several alkali atoms. Thus, we were able to do high-precision measurements of both absolute and difference frequency of atomic transitions. The precision of the absolute frequency measurement is finally limited by the accuracy of 6 kHz with which the reference frequency is known. The nearby two photon transition in Rb, i.e. the 5S1/2→5D3/2 transition at 778 nm, is known with an accuracy of 1 kHz. In future, we hope to improve the accuracy of our technique using this transition as the reference. This thesis is organized as follows: In Chapter1,we give a brief introduction to our work.. We review the importance of frequency measurements and precision spectroscopy, followed by a comparison of the frequency comb and our ring cavity technique. In Chapter2, we describe measurements of the absolute frequency of the D lines of 133Cs using the ring cavity. We give a detailed discussion of the technique, the Possible sources of errors, and ways to check for the errors. The measurement of the absolute frequency of the D lines of Cs allows a direct comparison to frequency comb measurements, and thus acts as a good check on our technique. In Chapter 3, we describe the absolute frequency and isotope shift measurements in the 398.8 nm line in Yb. We probed this line by frequency doubling the output of a tunable Ti:Sapphire laser. We obtained< 60 kHz precision in our measurements and were able to resolve several discrepancies in previous measurements on this line. In Chapter 4, we describe the measurement of hyperfine structure in the D1 lines of alkali atoms. We used conventional saturated-absorption spectroscopy in a vapor cell to probe different hyperfine transitions and then used our AOM technique to measure the hyperfine interval with high precision. In Chapter 5 we discuss our measurements of hyperfine structure in the D2 lines of several alkali atoms. In the case of 23Na and 39K, the closely-spaced hyperfine transitions are not completely resolved in conventional saturatedabsorption spectroscopy due to the presence of cross over resonances. We have used coherent control spectroscopy to obtain crossover-free spectra and then measured the hyperfine intervals using an AOM. This technique was also used for high resolution spectroscopy in the D2 line of 133Cs. Finally, we describe our measurements of hyperfine structure in the D2 line of Rb using normal saturated absorption spectroscopy. Chapter 6, describes the relative and absolute frequency measurements in the D lines of6,7 Li at 670nm. High-precision measurements in lithium are of special interest because theoretical calculations of atomic properties in this simple three electron system are fairly advanced. Lithium spectroscopy poses an experimental challenge and we describe our efforts in doing highresolution spectroscopy on this system. Chapter 7 describes the hyperfine spectroscopy on the1P 1 state of 173Yb. Measurement of hyperfine structure in 173Yb has a problem because two of the hyperfine transitions overlap with the transition in 172Yb. In our earlier work (described in chapter 4), we had solved this problem by using multipeak fitting to the partially resolved spectrum. Here, we directly resolve the hyperfine transitions by using transverse laser cooling to selectively deflect the 173Yb isotope. In Chapter 8 , we give a broad conclusion to the work reported in this thesis and suggest future avenues of research to continue the work commenced here.

Emerging energy storage applications are driving the demand for Li-ion battery positive electrode materials with higher energy densities and lower costs. The recent production of complete pseudo-ternary phase diagrams of the Li-Mn-Ni-O system generated using combinatorial methods has provided a greater understanding of the impact of initial composition, synthesis temperature, and cooling rate on the phases that form in the final materials. This thesis focuses on the synthesis and characterization of gram-scale positive electrode materials in the Li-Mn-Ni-O system. Structural analysis of these samples has resulted in the production of partial pseudo-ternary phase diagrams focusing on the positive electrode materials region of the Li-Mn-Ni-O system at 800°C and 900°C in air for both quenched and slow cooled compositions. These bulk-scale diagrams support the observations of the combinatorial diagrams, and show similar layered and cubic structures contained within several single- and multi-phase regions. The phases that form at each composition are shown to be dependent on both the reaction temperature and cooling rate used during synthesis. The electrochemical characterization of two composition series near Li2MnO3, one quenched and one slow cooled, is presented. The quenched compositions exhibited reversible cycling at 4.4 V, voltage plateaus and small increases in capacity above 4.6 V, and large first cycle irreversible capacity losses at 4.8 V. In the slow cooled series, all but one composition exhibited initial capacities below 100 mAh/g which began to continually increase with cycling, with several compositions exhibiting capacity increases of 300% over 150 cycles at 4.9 V. In both series, analysis of the voltage and differential capacity plots indicated that significant structure rearrangements are taking place in these materials during extended cycling, the possible origins of which are discussed. Finally, high precision coulometry studies of one Li-deficient and two Li-rich single-phase layered compositions are discussed. These materials exhibit minimal oxidation of simple carbonate-based electrolyte when cycled to high potential, with the Li-deficient composition producing less electrolyte oxidation at 4.6 V vs. Li/Li+ than commercial Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 at 4.2 V. The inherent inertness of this composition may make it suitable for use as a thin protective layer in a core-shell particle.

Bei der Entwicklung neuartiger und innovativer Fahrerassistenzsysteme kommt der Positions- und Ausrichtungsbestimmung von Fahrzeugen eine Schlüsselrolle zu. Dabei entscheidet die Güte der Positionsbestimmung über die Qualität, die Robustheit und den Einsatzbereich des Gesamtsystems. Verbesserungen in der Positionsbestimmung führen zu einer besseren Performanz bzw. sind die Grundvoraussetzung für die Realisierung dieser Fahrerassistenzsysteme. Ein Beispiel für solch ein neuartiges Fahrerassistenzsystem, welches auf eine hochgenaue Positionsbestimmung baut, ist der BMW TrackTrainer. Dieses Assistenzsystem soll den "normalgeübten" Autofahrer beim schnellen Erlernen der Ideallinie auf Rennstrecken unterstützen, indem das Fahrzeug die Rennstrecke völlig autonom auf einer vorher aufgezeichneten Ideallinie umrundet, während der Teilnehmer sich die Strecke aus Fahrerperspektive einprägt. Für die Realisierung eines derartigen Assistenzsystems ist eine hochgenaue Positionsbestimmung im cm-Bereich notwendig. Bisher wurde dafür eine GPS-gestützte Inertialplattform eingesetzt, welche unter guten GPS-Empfangsbedingungen die Anforderungen an die Positionierung erfüllt. Bei schlechten GPS-Empfangsbedingungen, wie sie beispielsweise auf der international bekannten Rennstrecke Nürburgring Nordschleife aufgrund von Verdeckung und Abschattung der Satellitensignale durch stark bebautes oder bewaldetes Gebiet auftreten, liefert das Positionierungssystem keine ausreichend genauen Werte, wodurch das autonome Fahren verhindert wird. Zwar gibt es neben GPS auch weitere Positionsbestimmungssysteme, die aber für den Einsatz auf Rennstrecken entweder zu ungenau sind, oder einen zu hohen Rüstaufwand erfordern würden. Um diese Lücke zu schließen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein hochgenaues Positionsbestimmungssystem entwickelt und evaluiert, welches auch unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen den Anforderungen des autonomen Fahren auf Rennstrecken genügt und auf einer Fusion verschiedener Signalquellen in einem Positionsfilter beruht. Folgende Signalquellen wurden hinsichtlich Genauigkeit sowie Praxistauglichkeit für den Einsatz auf Rennstrecken experimentell untersucht: - GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) - Fahrzeugsensoren mit erweitertem Fahrzeugmodell - Digitaler Kompass - Laser-Reflexlichtschranken - Servo-Tachymeter - LIDAR-basierte Randbebauungserkennung - Videobasierte Spurerkennung - Digitale Karte. Obwohl eine GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen keine ausreichend genauen Positionswerte im cm-Bereich liefert, besitzt dieses System dennoch eine hohe Robustheit und Langzeitstabilität und stellt damit eine sehr gute Grundlage für die Positionsbestimmung auf Rennstrecken dar. Fahrzeugsensoren, bestehend aus Raddrehzahl- und Gierratensensor, schreiben die Fahrzeugposition mit Hilfe der Koppelnavigationsgleichung relativ für ca. 10s ohne eine Messung absoluter Positionswerte fort. Um die bestehenden Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, muss jedoch ab einer Geschwindigkeit von 30km/h das Fahrzeugmodell um eine Schwimmwinkelschätzung erweitert werden. Ein digitaler Kompass eignet sich nachweislich nicht für die Positionsbestimmung auf Rennstrecken. Hier treten aufgrund von magnetischen Interferenzen zu große Messfehler der Fahrzeugausrichtung auf, die eine Positionsstützung ungeeignet machen. Bei Referenzmessungen mit einem Servo-Tachymeter konnte die geforderte Genauigkeit dieser Messeinrichtung bei Fahrzeuggeschwindigkeiten kleiner 30km/h nachgewiesen werden. Bei höheren Geschwindigkeiten liefert das System jedoch keine Ergebnisse, was den Einsatz auf Rennstrecken ausschließt. Auf den Boden gerichtete Laser-Reflexlichtschranken können sehr präzise die Überfahrt über eine Bodenmarkierung detektieren. Da diese Überfahrten beim autonomen Fahren auf Rennstrecken nur sehr selten auftreten, ist diese Positionierungsmethode nicht geeignet. Mit Hilfe einer LIDAR-basierten Randbebauungserkennung kann die Fahrzeugposition in Kombination mit einer hochgenauen digitalen Karte der Randbebauung auf ca. 20-30cm genau geschätzt werden. Schwierigkeiten bereiten hier jedoch Unregelmäßigkeiten in der Geometrie der Randbebauung. Während parallel verlaufende Leitplanken neben der Strecke sehr gut erfasst werden können, liefern Sträucher, Erdwälle, etc. ungenaue Messergebnisse. Somit ist die LIDAR-basierte Randbebauungserkennung ein bedingt geeignetes System zur Positionsstützung auf Rennstrecken. Als vielversprechendster Ansatz zur Verbesserung der Positions- und Ausrichtungsbestimmung auf Rennstrecken konnte der Einsatz einer visuellen Spurerkennung in Verbindung mit einer hochgenauen digitalen Karte der Spurmarkierungen identifiziert werden. Hierfür wurde eine sich in Vorserie befindliche Bildverarbeitungseinheit der Firma MobileEye mit einer eigens entwi-ckelten Spurerkennung verglichen. Letztere bietet den Vorteil, Systemwissen über den Verlauf der Fahrspurmarkierung sowie negative Effekte der Fahrzeugeigendynamik mit in den Signalver-arbeitungsprozess einfließen zu lassen. Bei Vergleichsfahrten auf dem BMW eigenem Testgelände in Aschheim konnte der Vorteil der Spurdatenrückführung nachgewiesen werden. Die erwei-terte Spurerkennung hatte nachweislich gegenüber der Vorserienbildverarbeitung eine höhere Verfügbarkeit von gültigen Messwerten. Bei Messfahrten auf der Nordschleife stellte sich jedoch das Vorseriensystem von MobileEye als das deutlich robustere Spurerkennungssystem heraus. Hier führten verschmutzte Fahrbahnmarkierungen, schnell wechselnde Lichtverhältnisse sowie sonstige Straßenbeschriftungen dazu, dass die erweiterte Spurerkennung weitaus weniger gültige Messwerte lieferte als das Vorseriensystem. Aus diesem Grund fiel für Fahrten mit schlechten visuellen Bedingungen die Wahl auf das Vorserienbildverarbeitungssystem. Für den Entwurf des Positionsfilters wurden letztlich folgende Signalquellen verwendet: - GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) - Fahrzeugsensoren mit erweitertem Fahrzeugmodell - Videobasierte Spurerkennung in Kombination mit einer selbst aufgezeichneten hochge-nauen Karte der Spurmarkierungen der Teststrecke. Als Fusionsalgorithmus wurde ein erweiterter Kalman-Filter eingesetzt, da sich dieser besonders für die Zusammenführung unterschiedlicher Sensormessdaten eignet. Um eine optimale Zustandsschätzung der Fahrzeugposition und Ausrichtung zu erhalten, mussten die verwendeten Signalquellen zunächst zeitlich synchronisiert sowie auf Plausibilität geprüft werden. Als Synchronisationspunkt wurde der Messzeitpunkt der Signalquelle mit der größten Latenz verwendet. Dieser wurde mit 163ms durch für die videobasierte Spurerkennung bestimmt. Da jedoch eine verzögerte Positionsschätzung für eine stabile Reglung des Fahrzeugs für das autonome Fahren ungenügend ist, wurde die geschätzte Fahrzeugposition am Ausgang des Kalman-Filters mit Hilfe der Koppelnavigationsgleichung sowie der Fahrzeugsensoren auf den aktuellen Zeitpunkt (Latenz = 0s) prädiziert. Für die Detektion systematischer Fehler wie Radschlupf, falsch erkannte Spurmarkierung und GPS-Mehrwegeausbreitung kamen robuste Signalplausibilisierungsalgorithmen zum Einsatz. So erfolgte die Plausibilisierung der Spurerkennung unter anderem über die selbst aufgezeichnete hochgenaue Karte der Spurmarkierungen, da eine Spurerkennung nur da sinnvoll ist, wo Spurmarkierungsstützpunkte in hinterlegt sind. Für die Gültigkeitsüberprüfung der GPS-Messwerte wurde ein GPS-Offset-Beobachter entwickelt und angewendet. Die Evaluierung des entwickelten Positionsfilters wurde im Rahmen der Arbeit am Beispiel des BMW TrackTrainers auf drei ausgewählten Teststrecken mit steigendem Schwierigkeitsniveau (Verschlechterung der GPS-Empfangsbedingungen) durchgeführt. Hierfür wurde die in Echtzeit geschätzte Fahrzeugposition mit einer durch Post-Processing korrigierten Positionslösung referenziert. Die Auswertung der Ergebnisse bewies, dass der entwickelte Positionsfilter durch die Fusion einer GPS-gestützten Inertialplattform, den Fahrzeugsensoren zur Messung von Gierrate und Raddrehzahlen sowie einer visuellen Spurerkennung in Kombination mit einer hochgenauen Karte der Fahrspurmarkierungen die Anforderungen des autonomen Fahrens auch unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen erfüllt. Mit diesem, im Rahmen der Arbeit entwickelten, hoch-genauen Positionsbestimmungssystem konnte erstmalig am 21.10.2009 das autonome Fahren auf der Nürburgring Nordschleife nachgewiesen werden.

Le travail de thèse a consisté, en priorité, à s’approprier les technologies d’intégration verticale en usage dans l’industrie pour réaliser des mémoires à plusieurs étages, et à en évaluer l’apport pour les capteurs à pixel CMOS (CPS). Cette approche s’appuie sur la capacité de l’industrie à interconnecter des puces amincies empilées les unes sur les autres. Elle ouvre la perspective d’associer plusieurs microcircuits superposés à un même pixel, en dépits de sa taille réduite. L’interconnexion est donc réalisée au niveau du pixel. Ce saut technologique permet de lever la majorité des obstacles à l’obtention de performances optimales des CPS. On peut en particulier combiner des puces réalisées dans des technologies CMOS très différentes, chacune optimale pour une fonctionnalité précise. La collection des charges du signal peut ainsi être réalisée dans une couche dédiée, les microcircuits de conditionnement analogique des signaux peuvent être concentrés dans une autre couche, une troisième couche pouvant héberger les parties numériques assurant la compression puis la transmission des signaux, etc. Ce progrès se traduit notamment par la possibilité de combiner haute résolution spatiale et lecture rapide, avec une amélioration probable de la tolérance aux rayonnements intenses.On s’affranchit de cette manière des limitations provenant des paramètres de fabrication des fondeurs, qui ne permettent pas à l’heure actuelle, de pleinement exploiter le potentiel des CPS à l’aide d’une technologie CMOS unique. / The thesis has been a priority as taking ownership of vertical integration technologies used in the industry to realize a multistage development, and to evaluate the contributions on CMOS pixel sensors (CPS). 3D integration technologies (3DIT) provide a way to mitigate this hampering correlation between speed and resolution, since they allow to staple layers of readout circuitry on top of the sensing layer, which results in a drastic increase of the functionalities located in (the shadow of) each pixel. A multi-layer structure allows for a higher spatial resolution because more and more transistors may be integrated vertically in a relatively small pixel. Moreover, bringing the components of the sensor closer to each other translates in a faster readout, owing to the reduction in the average length of the inner connecting wires. Vertical integration also opens up the possibility of combining different technologies best suited to each of the sensor main functionalities (signal sensing, analog and digital signal processing and transmission). It overcomes the limitations in this way from the foundry manufacturing parameters, which do not allow to fully exploit the potential ofCPS with a single CMOS technology. 3D-CPS are thus expected to overcome most of the limitations of standard 2DCPS, and are therefore suspected to over new perspectives for the innermost layer of the ILC vertex detector.

Seit 1996 wird von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach die Buchreihe „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ herausgegeben, in der herausragende wissenschaftliche Beiträge der Technischen Universität Dresden, insbesondere auch des Institutes für Festkörperelektronik, publiziert werden. Zu den bisher vorliegenden Bänden sind seitdem weitere Bände hinzugekommen. Das Profil des Institutes wird durch folgende Forschungsgebiete geprägt: Thermische Infrarotsensoren, Piezoresistive Sensoren auf der Basis quellfähiger Hydrogele, Ultraschalltechnik, Funktionelle Dünnschichten, Nanoptische Sensoren. Mit der Berufung von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach auf den Lehrstuhl für Festkörperelektronik zum 01.01.1996 wurde das Spektrum der Forschungsarbeiten insbesondere um die Fachgebiete der Siliziumsensoren für unterschiedliche Meßgrößen und des Entwurfs komplexer Sensor- und Aktor-Systeme in der Mikrosystemtechnik erweitert. Das Zusammenwirken von Physik, Elektronik und Technologie der Mikroelektronik bei Forschung, Entwicklung und Fertigung sowie Applikation leistungsfähiger Sensoren ist Gegenstand von Lehre und Forschung des IFE. / Since 1996 the book series „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ edited by Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach has been published. The aim of this series is the publication of outstanding scientific contributions of TU Dresden, especially of those compiled at the Institute for Solid-State Electronics. The Solid-State Electronics Laboratory (Institut für Festkörperelektronik - IFE) is one of 12 laboratories of the Electrical and Computer Engineering Department at Technische Universität Dresden. Together with the Semiconductor Technology and Microsystems Lab and several chairs of the Circuits and Systems and the Packaging Labs, the Solid-State Electronics Laboratory is responsible for the microelectronics specialization in the Electrical Engineering program. Research and teaching field of the Institute for Solid-State Electronics are dedicated to the interaction of physics, electronics and (microelectronics) technology in: materials research, technology, and solid state sensor operational principles, application of sensors for special measurement problems, design of sensors and sensor systems including the simulation of components as well as of complex systems, development of thin films and multilayer stacks for sensor applications, application of ultrasound for nondestructive evaluation, medical diagnostics and process measurement technology.

The application of the finite integral of multiple variable functions is penetrating into more and more industries and science disciplines. The demands placed on solutions to these problems (such as high accuracy or high speed) are often quite contradictory. Therefore, it is not always possible to apply analytical approaches to these problems; numerical methods provide a suitable alternative. However, the ever-growing complexity of these problems places too high a demand on many of these numerical methods, and so neither of these methods are useful for solving such problems. The goal of this thesis is to design and implement a new numerical method that provides highly accurate and very fast computation of finite integrals of multiple variable functions. This new method combines pre-existing approaches in the field of numerical mathematics.

Nowadays high-precision computations are still more desired. Either for simulation on a level of atoms where every digit is important and inaccurary in computation can cause invalid result or numerical approximations in partial differential equations solving where a small deviation causes a result to be useless. The computations are carried over data types with precision of order hundred to thousand digits, or even more. This creates pressure on time complexity of problem solving and so it is essential to find very efficient methods for computation. Every complex physical problem is usually described by a system of equations frequently containing elementary functions like sinus, cosines or exponentials. The aim of the work is to design and implement methods that for a given precision, arbitrary elementary function and a point compute its value in the most efficent way. The core of the work is an application of methods based on AGM (arithmetic-geometric mean) with a time complexity of order $O(M(n)\log_2{n})$ 9(expresed for multiplication $M(n)$). The complexity can not be improved. There are many libraries supporting multi-precision atithmetic, one of which is GMP and is about to be used for efficent method implementation. In the end all implemented methods are compared with existing ones.