Nichtlineare Verzerrungen von Rasterkraftmikroskopie (engl.: scanning probe microscopy, Abk.: SPM) Bildern beeinträchtigen die Qualität von Nanotomographiebildern und SPM Bildsequenzen. In dieser Arbeit wird ein neues, nichtlineares Registrierungsverfahren vorgestellt, das auf einem für medizinische Anwendungen entwickelten Algorithmus aufbaut und diesen für die Behandlung von SPM Daten erweitert. Die nichtlineare Registrierung ermöglicht es, verschiedene nanostrukturierte Materialen über große Bereiche (1 µm x 1 µm) mit einer Auflösung von 10 nm abzubilden. Dies erlaubt eine wesentlich detailliertere quantitative Analyse der Daten. Hierfür wurde eine neue Datenreduktions- und Visualisierungsmethode für Mikrodomänennetzwerke von Blockcopolymeren eingeführt. Zwei- und dreidimensionale Mikrodomänenstrukturen werden zu ihrem Skelett reduziert, Verzweigungspunkte farblich codiert und der entstandene Graph visualisiert. Die Anzahl verschiedener Skelettverzweigungen lässt sich über die Zeit verfolgen. Die Methode wurde mit lokalen Minkowskimaßen der ursprünglichen Graustufenbilder verglichen. Sie liefert morphologische und geometrische Informationen auf unterschiedlichen Längenskalen.

Tetrahedral meshes are becoming more and more important for geo-modeling applications. The presented work introduces new algorithms for efficient visualization and modeling of tetrahedral meshes. Visualization consists of a generic framework that includes the extraction of geological information like stratigraphic columns, fault block boundaries, simultaneous co-rendering of different attributes and boolean operations of Constructive Solid Geometry with constant complexity. Modeling can be classified into geometric and implicit modeling. Geometric modeling addresses local mesh refinement to increase the numerical resolution of a given mesh. Implicit modeling covers the definition and manipulation of implicitly defined models. A new surface reconstruction method was developed to reconstruct complex, multi-valued surfaces from noisy and sparse data sets as they occur in geological applications. The surface can be bounded and may have discontinuities. Further, this work proposes a new and innovative algorithm for rapid editing of implicitly defined shapes like horizons based on the GeoChron parametrization. The editing is performed interactively on the 3d-volumetric model and geological constraints are respected automatically.

This dissertation addresses the analysis of partially premixed flame configurations and the detection and characterization of their local flame regimes. First, the identification of flame regimes in experimental data is intensively discussed. Current methods for combustion regime characterization, such as the flame index, rely on 3D gradient information that is not accessible with available experimental techniques. Here, a method is proposed for reaction zone detection and characterization, which can be applied to instantaneous 1D Raman/Rayleigh line measurements of major species and temperature as well as to the results of laminar and turbulent flame simulations, without the need for 3D gradient information. Several derived flame markers, namely the mixture fraction, the heat release rate and the chemical explosive mode, are combined to detect and characterize premixed versus non-premixed reaction zones. The methodology is developed and evaluated using fully resolved simulation data from laminar flames. The fully resolved 1D simulation data are spatially filtered to account for the difference in spatial resolution between the experiment and the simulation, and experimental uncertainty is superimposed onto the filtered numerical results to produce Raman/Rayleigh equivalent data. Then, starting from just the temperature and major species, a constrained homogeneous batch reactor calculation gives an approximation of the full thermochemical state at each sample location. Finally, the chemical explosive mode and the heat release rate are calculated from this approximated state and compared to those calculated directly from the simulation data. After successful validation, the approach is applied to Raman/Rayleigh line measurements from laminar counterflow flames, a mildly turbulent lifted flame and turbulent benchmark cases. The results confirm that the reaction zones can be reliably detected and characterized using experimental data. In contrast to other approaches, the presented methodology circumvents uncertainties arising from the use of limited gradient information and offers an alternative to known reaction zone identification methods. Second, this work focuses on the flame structure of partially premixed dimethyl ether (DME) flames. DME flames form significant intermediate hydrocarbons in the reaction zone and are classified as the next more complex fuel candidate in research after methane. To simulate DME combustion processes, accurate predictions by computational combustion models are required. To evaluate such models and to identify appropriate flame regimes, numerical simulations are necessary. Therefore, fully resolved simulations of laminar dimethyl ether flames, defined by different levels of premixing, are performed. Further, the qualitative two-dimensional structures of the partially premixed DME flames are discussed and analyses are carried out at selected slices and compared to each other as well as to experimental data. Further, the flamelet/progress variable (FPV) approach is investigated to predict the partially premixed flame structures of the DME flames. In the context of the FPV approach, a rigorous analysis of the underlying manifold is carried out based on the newly developed regime identification approach and an a priori analysis. The most promising flamelet look-up table is chosen for the fully coupled tabulated chemistry simulations and the results are further compared to the fully resolved simulation data.

Within this work an approach was developed, which utilises airborne laser scanner data in order to generate 3D building models. These 3D building models may be used for technical and environmental planning. The approach has to follow certain requirements such as working automatically and robust and being flexible in use but still practicable. The approach starts with small point clouds containing one building at the time extracted from laser scanner data set by applying a pre-segmentation scheme. The laser scanner point cloud of each building is analysed separately. A 2.5D-Delaunay triangle mesh structure (TIN) is calculated into the laser scanner point cloud. For each triangle the orientation parameters in space (orientation, slope and perpendicular distance to the barycentre of the laser scanner point cloud) are determined and mapped into a parameter space. As buildings are composed of planar features, primitives, triangles representing these features should group in parameter space. A cluster analysis technique is utilised to find and outline these groups/clusters. The clusters found in parameter space represent plane objects in object space. Grouping adjacent triangles in object space - which represent points in parameter space - enables the interpolation of planes in the ALS points that form the triangles. In each cluster point group a plane in object space is interpolated. All planes derived from the data set are intersected with their appropriate neighbours. From this, a roof topology is established, which describes the shape of the roof. This ensures that each plane has knowledge on its direct adjacent neighbours. Walls are added to the intersected roof planes and the virtual 3D building model is presented in a file written in VRML (Virtual Reality Macro Language). Besides developing the 3D building model reconstruction scheme, this research focuses on the geometric reconstruction and the derivation of attributes of 3D building models. The developed method was tested on different data sets obtained from different laser scanner systems. This study will also show, which potential and limits the developed method has when applied to these different data sets. / In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode zur automatischen Rekonstruktion von 3D Gebäudemodellen aus Flugzeuglaserscannerdaten vorgestellt. Diese 3D Gebäudemodelle können in technischer und landschaftsplanerischer Hinsicht genutzt werden. Bezüglich der zu entwickelnden Methode wurden Regelungen und Bedingungen erstellt, die eine voll automatische und robuste Arbeitsweise sowie eine flexible und praktikable Nutzung gewährleisten sollten. Die entwickelte Methode verwendet Punktwolken, welche mittels einer Vorsegmentierung aus dem gesamten Laserscannerdatensatz extrahiert wurden und jeweils nur ein Gebäude beinhalten. Diese Laserscannerdatenpunktwolken werden separat analysiert. Eine 2,5D-Delaunay-Dreiecksvermaschung (TIN) wird in jede Punktwolke gerechnet. Für jedes Dreieck dieser Vermaschung werden die Lageparameter im Raum (Ausrichtung, Neigungsgrad und senkrechter Abstand der Ebene des Dreiecks zum Schwerpunkt der Punktwolke) bestimmt und in einen Parameterraum aufgetragen. Im Parameterraum bilden diejenigen Dreiecke Gruppen, welche sich im Objektraum auf ebenen Flächen befinden. Mit der Annahme, dass sich ein Gebäude aus ebenen Flächen zusammensetzt, dient die Identifizierung von Clustern im Parameterraum der Detektierung dieser Flächen. Um diese Gruppen/Cluster aufzufinden wurde eine Clusteranalysetechnik genutzt. Über die detektierten Cluster können jene Laserscannerpunkte im Objektraum bestimmt werden, die eine Dachfläche formen. In die Laserscannerpunkte der somit gefundenen Dachflächen werden Ebenen interpoliert. Alle abgeleiteten Ebenen gehen in den entwickelten Rekonstruktionsalgorithmus ein, der eine Topologie zwischen den einzelnen Ebenen aufbaut. Anhand dieser Topologie erhalten die Ebenen ?Kenntnis? über ihre jeweiligen Nachbarn und können miteinander verschnitten werden. Der fertigen Dachgestalt werden Wände zugefügt und das komplette 3D Gebäudemodell wird mittels VRML (Virtual Reality Macro Language) visualisiert. Diese Studie bezieht sich neben der Entwicklung eines Schemas zu automatischen Gebäuderekonstruktion auch auf die Ableitung von Attributen der 3D Gebäudemodellen. Die entwickelte Methode wurde an verschiedenen Flugzeuglaserscannerdatensätzen getestet. Es wird gezeigt, welche Potentiale und Grenzen die entwickelte Methode bei der Bearbeitung dieser verschiedenen Laserscannerdatensätze hat.

Microscopic techniques with high spatial and temporal resolution are required for in vivo studying biological cells and tissues. Adaptive lenses exhibit strong potential for fast motion-free axial scanning. However, they also lead to a degradation of the achievable resolution because of aberrations. This hurdle can be overcome by digital optical technologies. We present a novel High-and-Low-frequency (HiLo) 3D-microscope using structured illumination and an adaptive lens. Uniform illumination is used to obtain optical sectioning for the high-frequency (Hi) components of the image, and nonuniform illumination is needed to obtain optical sectioning for the low-frequency (Lo) components of the image. Nonuniform illumination is provided by a multimode fiber. It ensures robustness against optical aberrations of the adaptive lens. The depth-of-field of our microscope can be adjusted a-posteriori by computational optics. It enables to create flexible scans, which compensate for irregular axial measurement positions. The adaptive HiLo 3D-microscope provides an axial scanning range of 1 mm with an axial resolution of about 4 microns and sub-micron lateral resolution over the full scanning range. In result, volumetric measurements with high temporal and spatial resolution are provided. Demonstration measurements of zebrafish embryos with reporter gene-driven fluorescence in the thyroid gland are presented.

Gas-liquid two-phase flows occur in many industrial applications and apparatuses. The design and optimization of such apparatuses and processes requires the numerical simulation of two-phase flows. However, two-phase flow simulations are still a challenging task, especially for industrial scales. Here, the simulation of large flow domains and high Reynolds number flows require a reduction of the resolved time-scales and length-scales by a high level of modeling to decrease the computational effort. Therefore, physics-based models are needed to depict the complex transport processes between the phases. Thus, two-phase flows are the object of ongoing research. Up to now, the majority of closure models for turbulence, interfacial forces or bubble breakup and coalescence were validated against experimental data derived from experiments in simple flow channel geometries like straight pipes. Their application for the simulation of two-phase flows with three-dimensional flow structures like e.g. recirculating areas, flow separation or strong velocity gradients requires constant experimental validation and further development. Hence, improved experimental methods are required for investigations of gas-liquid two-phase flows to provide reliable data for further development and validation of numerical flow simulation models. Therefore, experiments were performed in a constricted pipe under bubbly two-phase flow conditions. Three-dimensional flow structures were created by two types of flow constrictions for a variety of gas and liquid superficial velocities up to jg = 0.1400 m⋅s-1 and jl = 1.6110 m⋅s-1. The flow fields upstream and downstream of the flow constrictions were studied using ultrafast X-ray tomography and hot-film anemometry to obtain cross-sectional phase distribution, bubble characteristics and liquid velocity. The analysis of the ultrafast X-ray tomography image data was significantly improved by development of a histogram-based gas holdup calculation. Furthermore, the spatial dependence of the axial image plane distance was studied to improve the determination of axial bubble velocities and, thus, bubble sizes. The experimental method was advanced by simultaneous application of ultrafast X-ray tomography and hot-film anemometry. Eventually, the experimental data was compared to state-of-the-art Euler/Euler two-fluid simulations. The simulations were performed in the framework of a parallel doctoral thesis in the Experimental Thermal Fluid Dynamics department at the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf by Ms. Sibel Tas-Koehler following the baseline approach. The results were compared in terms of the phase distribution, bubble sizes and gas velocity for two operating conditions using the homogeneous multiple size group model. / Zweiphasenströmungen aus Gasen und Flüssigkeiten treten in vielen industriellen Anwendungen und Apparaten auf. Um einen sicheren, zuverlässigen und optimalen Betrieb einzelner Komponenten und gesamter Anlagen zu gewährleisten, sind die Strömungen Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Numerische Simulationen sind ein unverzichtbares Instrument, um Prozesse unter diesen Aspekten zu bewerten. Die Simulation von Zweiphasenströmungen, insbesondere im industriellen Maßstab, ist jedoch nach wie vor eine anspruchsvolle Aufgabe. Um den Rechenaufwand zu verringern und die Simulation von großen Strömungsgebieten und Strömungen mit hohen Reynoldszahlen zu ermöglichen, ist ein hohes Maß an Modellierung notwendig. Gleichzeitig wurden die meisten Schließungsmodelle zur Beschreibung von Turbulenz, Grenzflächenkräften oder Blasenzerfall und -koaleszenz für einfache Geometrien wie beispielsweise gerade Rohre entwickelt. Die Anwendung dieser Modelle für die Simulation von Zweiphasenströmungen mit dreidimensionalen Strömungsstrukturen, wie z.B. Rezirkulationsgebieten, Strömungsablösungen oder starken Geschwindigkeitsgradienten, erfordert eine ständige experimentelle Validierung und Weiterentwicklung. Dies wiederum erfordert eine immer höhere Auflösung der eingesetzten Messsysteme und steigende Qualität der experimentellen Daten. Um verlässliche Daten für die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen für die numerische Strömungssimulation zu erhalten sind daher verbesserte experimentelle Methoden zur Untersuchung von Gas-Flüssig-Strömungen erforderlich. Aus diesem Grund wurden Experimente an einer Blasenströmung in einem Rohr mit einer Strömungsverengung durchgeführt. Zwei Arten von Verengungen wurden genutzt, um dreidimensionale Strömungsstrukturen für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen zu erzeugen. Diese sind durch Gas- und Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeiten bis zu jg = 0.1400 m⋅s-1 und jl = 1.6110 m⋅s-1 definiert. Um die Phasenverteilung im Querschnitt der Strömung, Blaseneigenschaften und die Flüssigphasengeschwindigkeit stromauf- und -abwärts der Verengung zu ermittelt, wurde die Strömung mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie und Heißfilm-Anemometrie untersucht. Die Datenanalyse für die Bilddaten der ultraschnellen Röntgentomographie wurde durch die Entwicklung einer Histogramm-basierten Gasgehaltsberechnung erheblich verbessert. Um die Bestimmung der axialen Blasengeschwindigkeiten und damit der Blasengrößen zu verbessern, wurde außerdem die räumliche Abhängigkeit des axialen Bildebenenabstands untersucht. Die experimentellen Methoden wurden durch die gleichzeitige Anwendung von ultraschneller Röntgentomographie und Heißfilm-Anemometrie weiterentwickelt. Die experimentellen Daten wurden mit dem Stand der Technik von Euler/Euler-Zweiphasen-Simulationen verglichen. Die Simulationen wurden im Rahmen eines parallelen Promotionsvorhabens in der Abteilung Experimentelle Thermofluiddynamik am Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf von Frau Sibel Tas-Köhler durchgeführt und folgten der Baseline-Modell Strategie. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung des homogenen Modells mehrerer Größenklassen bezüglich der Phasenverteilung, der Blasengrößen und der Gasgeschwindigkeit für zwei Betriebsbedingungen verglichen.

Die jüngst beobachteten Hochwasserereignisse zogen eine Überarbeitung der hydrologischen Daten zahlreicher Talsperren nach sich. Im Ergebnis wiesen viele der Anlagen nicht die erforderliche Hochwassersicherheit auf. Aus diesem Grund ist auch für die in Sachsen gelegene Talsperre Lehnmühle eine Ertüchtigung der Hochwasserentlastungsanlage geplant. Die Vorzugsvariante zur Wiederherstellung der Überflutungssicherheit sieht die Absenkung der Wehrkrone einzelner Überlauffelder vor. Die damit verbundene Leistungssteigerung erfordert eine Überprüfung der Abflussverhältnisse im nachgeschalteten Tosbecken. Im Rahmen der Arbeit werden die Strömungsverhältnisse im bestehenden Tosbecken mit Hilfe dreidimensionaler numerischer Modellierungen abgebildet. Mit dem Ziel einer verbesserten Energieumwandlung wird darüber hinaus die Wirksamkeit von Prallblöcken untersucht und bewertet.:1 Einleitung 2 Grundlagen der numerischen Strömungsberechnung 2.1 Numerische Modellierung im Vergleich 2.1.1 Prinzip der numerischen Strömungsberechnung 2.1.2 Exkurs: Physikalische Modellierung 2.1.3 Vor- und Nachteile der numerischen und physikalischen Modellierung 2.2 Vollständige Navier-Stokes-Gleichungen 2.3 Berechnungsmethoden 2.4 Turbulenzmodellierung 2.4.1 k-ε-Modell 2.4.2 k-ω-Modell 2.4.3 SST-Modell 2.5 Diskretisierung 2.5.1 Definieren der Geometrie 2.5.2 Berechnungsnetze 2.5.2.1 Strukturierte Netze 2.5.2.2 Unstrukturierte Netze 2.5.2.3 Hybride Netze 2.5.3 Räumliche Diskretisierung 2.5.4 Zeitliche Diskretisierung 2.5.5 Anfangs- und Randbedingungen 2.6 Wichtige Eigenschaften numerischer Berechnungsverfahren 3 Hochwasserentlastungsanlagen 3.1 Funktion 3.2 Begrifflichkeiten und Regelwerke 3.3 Aufbau 3.3.1 Einlaufbauwerk 3.3.2 Transportbauwerk 3.3.3 Energieumwandlungsanlagen 3.3.3.1 Der Prozess der Energieumwandlung 3.3.3.2 Konstruktionsmöglichkeiten 3.4 Hydraulische Bemessung 3.4.1 Hochwasserbemessungsfälle 3.4.2 Bemessungsabflüsse und Überschreitungswahrscheinlichkeiten 3.4.3 Freibordbemessung 4 Methodik 4.1Die Talsperre Lehnmühle 4.2Hydrologie 4.3Untersuchungsumfang 4.4Erstellung der numerischen Modelle 4.4.1Geometrie 4.4.1.1Wehrüberfall 4.4.1.2Tosbecken 4.4.1.3Tosbeckeneinbauten 4.4.2Numerische Modelle 4.4.2.1Modell des Wehrüberfalls 4.4.2.2Modell des Tosbeckens 4.4.3Berechnungsnetze 4.4.4Modellkonfiguration 5Ergebnisse der numerischen Berechnungen 5.1Numerik versus Physik 5.2Überfallmodellierungen 5.2.1Sensitivitätsuntersuchungen 5.2.2Ermittlung der Eingangsbedingungen für die Tosbeckenmodellierung 5.3Szenario 1 - Modellierung des bestehenden Tosbeckens 5.3.1Ergebnisse 5.3.2Sensitivitätsuntersuchungen 5.3.2.1Plausibilisierung der Randbedingung für die überströmte Tosbeckenwand 5.3.2.2Einfluss der Turbulenzmodellierung 5.3.2.3Einfluss der Rauigkeit 5.4Tosbeckenoptimierung 5.4.1Grundlegende Aussagen 5.4.2Wasserspiegellagen 5.4.3Fließgeschwindigkeiten 5.4.4Abfluss über die Tosbeckenwand 5.4.5Schubspannungen / Recent flood events called for a revision of hydrological data for numerous dams. As a result, many constructions have been found to not possess necessary flood safety. On this account, the flood spillway of the Saxon Lehnmühle dam is designated to be upgraded. In order to ensure an overflow-proof construction, the favored solution is to lower the crest of several weir fields. The resulting increased performance requires a revision of the runoff characteristics in the stilling basin. Firstly, this thesis shows the flow conditions of the existing stilling basin, using 3D numerical modeling. Secondly, with the goal of enhanced energy dissipation the effectiveness of baffle blocks will be examined and evaluated.:1 Einleitung 2 Grundlagen der numerischen Strömungsberechnung 2.1 Numerische Modellierung im Vergleich 2.1.1 Prinzip der numerischen Strömungsberechnung 2.1.2 Exkurs: Physikalische Modellierung 2.1.3 Vor- und Nachteile der numerischen und physikalischen Modellierung 2.2 Vollständige Navier-Stokes-Gleichungen 2.3 Berechnungsmethoden 2.4 Turbulenzmodellierung 2.4.1 k-ε-Modell 2.4.2 k-ω-Modell 2.4.3 SST-Modell 2.5 Diskretisierung 2.5.1 Definieren der Geometrie 2.5.2 Berechnungsnetze 2.5.2.1 Strukturierte Netze 2.5.2.2 Unstrukturierte Netze 2.5.2.3 Hybride Netze 2.5.3 Räumliche Diskretisierung 2.5.4 Zeitliche Diskretisierung 2.5.5 Anfangs- und Randbedingungen 2.6 Wichtige Eigenschaften numerischer Berechnungsverfahren 3 Hochwasserentlastungsanlagen 3.1 Funktion 3.2 Begrifflichkeiten und Regelwerke 3.3 Aufbau 3.3.1 Einlaufbauwerk 3.3.2 Transportbauwerk 3.3.3 Energieumwandlungsanlagen 3.3.3.1 Der Prozess der Energieumwandlung 3.3.3.2 Konstruktionsmöglichkeiten 3.4 Hydraulische Bemessung 3.4.1 Hochwasserbemessungsfälle 3.4.2 Bemessungsabflüsse und Überschreitungswahrscheinlichkeiten 3.4.3 Freibordbemessung 4 Methodik 4.1Die Talsperre Lehnmühle 4.2Hydrologie 4.3Untersuchungsumfang 4.4Erstellung der numerischen Modelle 4.4.1Geometrie 4.4.1.1Wehrüberfall 4.4.1.2Tosbecken 4.4.1.3Tosbeckeneinbauten 4.4.2Numerische Modelle 4.4.2.1Modell des Wehrüberfalls 4.4.2.2Modell des Tosbeckens 4.4.3Berechnungsnetze 4.4.4Modellkonfiguration 5Ergebnisse der numerischen Berechnungen 5.1Numerik versus Physik 5.2Überfallmodellierungen 5.2.1Sensitivitätsuntersuchungen 5.2.2Ermittlung der Eingangsbedingungen für die Tosbeckenmodellierung 5.3Szenario 1 - Modellierung des bestehenden Tosbeckens 5.3.1Ergebnisse 5.3.2Sensitivitätsuntersuchungen 5.3.2.1Plausibilisierung der Randbedingung für die überströmte Tosbeckenwand 5.3.2.2Einfluss der Turbulenzmodellierung 5.3.2.3Einfluss der Rauigkeit 5.4Tosbeckenoptimierung 5.4.1Grundlegende Aussagen 5.4.2Wasserspiegellagen 5.4.3Fließgeschwindigkeiten 5.4.4Abfluss über die Tosbeckenwand 5.4.5Schubspannungen

Following the intensive development of isolated (i.e., not coupled with on-chip waveguide) vertically rolled-up microtube ring resonators (VRU-MRRs) for both active and passive applications, a variety of microtube-based devices has been realized. These include microcavity lasers, optical sensors, directional couplers, and active elements in lab-on-a-chip devices. To provide more advanced and complex functionality, the focus of tubular geometry research is now shifting toward (i) refined vertical light transfer in 3D stacks of multiple photonic layers and (ii) to make microfluidic cooling system in the integrated optoelectronic system. Based on this motivation, this PhD research is devoted to the demonstration and the implementation of monolithic integration of VRU-MRRs with photonic waveguides for 3D photonic integration and their optofluidic applications. Prior to integration, high-quality isolated VRU-MRRs on the flat Si substrate are firstly fabricated by the controlled release of differentially strained titanium-dioxide (TiO2) bilayered nanomembranes. The fabricated microtubes support resonance modes for both telecom and visible photonics. The outcome of the isolated VRU-MRRs is a record high Q (≈3.8×10^3) in the telecom wavelength range with optimum tapered optical fiber resonator interaction. To further study the optical modes in the visible and near infrared spectral range, μPL spectroscopy is performed on the isolated VRU-MRRs, which are activated by entrapping various sizes of luminescent nanoparticles (NPs) within the windings of rolled-up nanomembranes based on a flexible, robust and economical method. Moreover, it is realized for the first time, in addition to serving as light sources that NPs-aggregated in isolated VRU-MRRs can produce an optical potential well that can be used to trap optical resonant modes. After achieving all the required parameters for creating a high-quality TiO2 VRU-MRR, the monolithic integration of VRU-MRRs with Si nanophotonic waveguides is experimentally demonstrated, exhibiting a significant step toward 3D photonic integration. The on-chip integration is realized by rolling up 2D pre-strained TiO2 nanomembranes into 3D VRU-MRRs on a microchip which seamlessly expanded over several integrated waveguides. In this intriguing vertical transmission configuration, resonant filtering of optical signals at telecom wavelengths is demonstrated based on ultra-smooth and subwavelength thick-walled VRU-MRRs. Finally, to illustrate the usefulness of the fully integrated VRU-MRRs with photonic waveguides, optofluidic functionalities of the integrated system is investigated. In this work, two methods are performed to explore optofluidic applications of the integrated system. First, the hollow core of an integrated VRU-MRR is uniquely filled with a liquid solution (purified water) by setting one end of the VRU-MRRs in contact with a droplet placed onto the photonic chip via a glass capillary. Second, the outside of an integrated VRU-MRR is fully covered with a big droplet of liquid. Both techniques lead to a significant shift in the WGMs (Δλ≈46 nm). A maximum sensitivity of 140 nm/refractive index unit, is achieved. The achievements of this PhD research open up fascinating opportunities for the realization of massively parallel optofluidic microsystems with more functionality and flexibility for analysis of biomaterials in lab-on-a-tube systems on single chips. It also demonstrates 3D photonic integration in which optical interconnects between multiple photonic layers are required.

In dieser Dissertation wird erstmalig ein theoretisches Fundament zur Beschneiung virtueller Szenen entwickelt. Das theoretische Fundament wird als analytisches Modell in Form einer Diffusionsgleichung formuliert. Aus dem analytischen Modell lässt sich eine Gruppe von Algorithmen zur Beschneiung virtueller Szenen ableiten. Eingehende Voruntersuchungen zur allgemeinen Modellierung natürlicher Phänomene in der Computergraphik sowie eine Klassifikation der bestehenden Literatur über mathematische Schneemodellierung bilden den Anfang der Arbeit. Aus der umfassenden Darstellung der Eigenschaften von Schnee, wie er in der Natur vorkommt, ergeben sich die Grundlagen für die Modellbildung. Die Modellbildung fußt auf den grundlegenden Ansätzen der klassischen Mechanik und der statistischen Physik. Für die Beschneiung auf visueller Skala erweist sich der Diffusionsprozess als geeignete Beschreibung. Mit der Beschreibung lassen sich diffusiv Schneeoberflächen erzeugen. Der konkrete computergraphische Wert des theoretischen Fundaments wird anhand zweier Implementierungen exemplarisch dargestellt, und zwar in der Distanzfeldmethode und der Diffusionskernmethode. Die Ergebnisse werden mithilfe dreidimensionaler Rauschtexturen und Alpha-Masken an den Rändern fotorealistisch visualisiert. / In this dissertation for the first time a theoretical foundation is developed for snow accumulation in virtual scenes. The theoretical foundation is formulated in an analytical model as diffusion equation. The analytical model leads to a group of algorithms for virtual snow accumulation. Comprehensive investigations for the modelling of natural phenomena in computer graphics in general are used to develop a method classification scheme. Another classification is given for an overview over the aspects of snow in the real world. This allows an efficient presentation of related literature on snow modelling. A new approach of snow modelling is then drawn from first principles of classical mechanics and statistical physics. Diffusion processes provide an efficient theoretical framework for snow accumulation. The mathematical structure of diffusion equations is discussed and demonstrated to be adequate to snow modelling in visual scales. The value of the theoretical foundation for computer graphics is demonstrated with two exemplary implementations, a distance field method and the diffusion kernel method. Results are visualized with 3D noise textures and alpha masks near borders delivering photorealistic snow pictures.

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