Den bevorstehenden 200. Geburtstag des „sächsischen Lokomotivkönigs“ Richard Hartmann am 8. November 2009 feiert die Stadt Chemnitz mit einem Festjahr. Von Januar bis Dezember bestehen viele Möglichkeiten, Persönlichkeit und Lebenswerk besser kennenzulernen und Spuren zu entdecken.

Les caractéristiques d’un nuage de poussières avant l’activation de la source d’inflammation ont une grande influence sur la sensibilité et la sévérité de son explosion. Pour cette raison, le procédé de dispersion d’une poussière combustible qui se développe à l’intérieur des chambres d’explosion standardisés telles que le tube de Hartmann modifié et la sphère 20 L a été décrit par deux approches complémentaires. Dans un premier temps, une caractérisation expérimentale de l’évolution du nuage de poussière a identifié les niveaux de turbulence de l’écoulement de gaz, ainsi que les principales variations de la distribution de la taille des particules combustibles. Ces résultats ont été complétés par l’identification des niveaux de ségrégation de la poudre dispersée à l’intérieur des chambres d’explosion. Par la suite, une série de simulations CFD basée sur une approche Euler-Lagrange a été développée pour prédire le comportement du nuage. Cette étude a été réalisée grâce à la caractérisation des principaux mécanismes d’interaction tels que le transfert de quantité de mouvement (couplage bidirectionnel) et le phénomène de fragmentation des poudres. Deux types de particules microniques ont été spécifiquement étudiés : une poussière métallique, l’aluminium et un composé organique, l’amidon de blé. Ces résultats ont démontré qu’il est possible de définir ab initio, par simulation numérique, les conditions de tests les plus pertinentes (les plus réalistes ou les plus pénalisantes) en vue de la quantification de ces risques majeurs / The pre-ignition stage of an explosibility test determines the ignitability of a dust cloud as well as the main characteristics of the flame propagation. For this reason, the dispersion process of a combustible dust that develops inside the explosion chambers of the modified Hartmann tube and the 20 L sphere has been described by two complementary approaches. Initially, an experimental characterization of the evolution of the dust cloud identified the evolution of the turbulence levels of the gas flow along with the main variations of the particle size distribution of the combustible dust. These results were complemented by the identification of the segregation levels of the dispersed powder inside the explosion chambers. Thereafter, a set of CFD simulations based on the Euler-Lagrange formulation was developed to predict the behavior of the combustible dust cloud. This study was accomplished through the characterization of the main interaction mechanisms such as the momentum exchange (two-way coupling) and the dust fragmentation phenomenon. In this manner, the research work constituted for this thesis allowed determining the most appropriate conditions to ignite a dust cloud formed by a metallic (Aluminum micro-Al 42) or organic powders (wheat starch) in a case study. Thus, this research work presents a methodology that can be extended for the analyses of combustible dusts and the further development of the standard test methods

Dans les travaux de recherche développés durant cette thèse, une première approche desécoulements magnétohydrodynamiques (MHD) multiphasiques est proposée. Cette approche seconcentre sur les phénomènes liés à l’interaction entre une dynamique interfaciale et un écoulementde coeur MHD. Le couplage induit entre rhéologie de surface etMHDde sous-phase est particulièrementillustré par le développement d’un viscosimètre annulaire surfacique, dédié à l’étude desmétaux liquides progressivement oxydés. En premier lieu sont introduits les éléments théoriquespropres à laMHDet à la rhéologie de surface. La modélisation de leur couplage fait intervenir deuxparamètres interfaciaux : les viscosités surfaciques dilatationnelle et de cisaillement. L’influence respectivede ces deux paramètres sur l’écoulement MHD de sous-phase est étudiée analytiquementet numériquement dans le cas d’un écoulement (stratifié) annulaire MHD permanent. Dans la configurationretenue, un champ magnétique uniforme vertical est imposé, perpendiculairement à lasurface liquide graduellement oxydée. Le rôle décisif des contraintes visqueuses interfaciales concernantl’(in)activation des couches de Hartmann est démontré, conduisant à des topologies atypiquesd’écoulement MHD. Le viscosimètre annulaire MHD est ensuite proposé en tant que méthodeexpérimentale originale, permettant la mesure sélective des viscosités surfaciques de fluides électroconducteurs.Les premières campagnes expérimentales aboutissent à une estimation de la viscositéde cisaillement interfacial d’un alliage métallique (GaInSn) liquide à température ambiante. Finalement,une ouverture sur l’écoulement MHD à proximité d’une inclusion gazeuse sphérique rigideest discutée en annexe de ce projet, en lien avec des conditions mécaniques variables à l’interfaceliquide/gaz pilotées par la rhéologie de surface, constituant une première approche vers la descriptiondes écoulements MHD dispersés. / In this thesis work, a first approach towards the description of magnetohydrodynamic(MHD) multiphase flows is proposed, based on the investigation of the role of surface rheologyin permanent regime. The study of the coupling between bulk MHD and surface rheology is particularlymotivated by the development of an annular surface viscometer devoted to liquid metalstopped with an oxidation layer. First, theoretical foundations of MHD and of surface rheologyare separately introduced. The modelling brings out a strong coupling between bulk and surfacevelocities, the latter being dependent on two interfacial parameters: the surface shear and dilatationalviscosities. Their respective influence is analytically and numerically investigated in the caseof a permanent annular (stratified) MHD end-driven flow. In the considered geometry, a vertical(uniform) magnetic field is imposed, perpendicular to the gradually oxidising liquid surface. Thecontribution of planar surface viscous stresses to the possible electrical activation of Hartmannlayers is demonstrated, leading to a variety of atypical MHD flow patterns. The annular MHDviscometer is then developed as a first device able to perform selective measurement of the surfaceviscosities of electroconductive fluids. First experiments lead to an estimated value of the surfaceshear viscosity for a liquid alloy (GaInSn) at room temperature. Some hints are finally given to investigatethe study case of aMHDflow past a rigid fluid sphere, with varying interfacial conditionsgoverned by surface rheology, as an additionalwork constituting a first step towards the descriptionof dispersed MHD flows.

Aus dem Vorwort: "Mit dem Vorschlag, Fritz Hartmann mit einer Ausstellung zu gedenken, kamen schon im Vorjahr Repräsentanten des Kulturlebens in Niederhof/Dolní Dvůr, wo der Maler seine schaffensreichsten Jahre verbrachte und wo die Erinnerungen an ihn noch lebendig sind. Das Riesengebirgsmuseum in Hohenelbe/Vrchlabí, das die größte Sammlung von Hartmanns Bildern in der Tschechischen Republik besitzt, hat sich gern der Sache angenommen und als Partner der Veranstaltung das Riesengebirgsmuseum in Marktoberdorf einbezogen, mit dem es seit 1991 ein Vertrag über Kultur- und Forschungszusammenarbeit verbindet. Das Ergebnis der gemeinsamen Bemühungen ist neben der Ausstellung, die in Hohenelbe, Niederhof, Marktoberdorf und weiteren Orten Deutschlands zu sehen sein wird, dieser ausführliche Katalog. ..."

L'optique adaptative classique est limitée par l'anisoplanétisme. Pour remédier à cette limitation, de nouveaux concepts, appelés optiques adaptatives grand champ, ont été développés. Ces systèmes analysent la turbulence atmosphérique dans le volume, ce qui accroît le champ de correction. Ces techniques requièrent une connaissance précise du profil de Cn2. Mon étude consiste à valider sur le ciel une nouvelle technique de mesure du profil de Cn2, appelée CO-SLIDAR, à partir des corrélations des mesures de pentes et de scintillation réalisées avec un analyseur Shack-Hartmann sur étoile binaire. Elle s'organise autour de deux grands axes. On réalise d'abord une simulation bout-en-bout de la reconstruction du profil de Cn2 dans un cas concret d'observation astronomique. On peut ainsi étudier l'impact des différentes sources d'erreur sur la reconstruction du profil de Cn2. Ceci nous permet d'améliorer la procédure d'estimation du profil de Cn2, en prenant en compte les bruits de détection. La deuxième partie de mon étude se consacre à la validation expérimentale. On dimensionne et caractérise en laboratoire un banc d'acquisition, le banc ProMeO. Ceci conduit à une bonne connaissance du fonctionnement du banc et nous permet de corriger certains effets instrumentaux. Le banc ProMeO est finalement couplé au télescope MeO de 1,5 m de diamètre. Les données acquises permettent une reconstruction du profil de Cn2, du sol jusqu'à 17 km, avec une résolution de 600 m. Les profils obtenus par la méthode CO-SLIDAR sont comparés avec succès à des profils issus de données météorologiques. L'ensemble de ces travaux constitue la première validation sur le ciel de la méthode CO-SLIDAR.

Shack-Hartmann wavefront sensors are commonly used in optical alignment, ophthalmology, astronomy, adaptive optics and commercial optical testing. Wavefront error measurement yields Zernike polynomials which provide useful data for alignment correction calculations. In this thesis a practical alignment method of a helmet visor is proposed based on the wavefront error measurements. The optical system is modeled in Zemax software in order to collect the Zernike polynomial data necessary to relate the error measurements to the positioning of the visor. An artificial neural network based computer program is designed and trained with the data obtained from Zernike simulation in Zemax software and then the program is able to find how to invert the misalignments in the system. The performance of this alignment correction method is compared with the optical test setup measurements.

Abordando las importantes características dinámicas del ojo, se han planteado una serie de experimentos que permiten el estudio de algunas de estas propiedades dinámicas, para proporcionar nueva información sobre el sistema visual. Para dichos experimentos, se han diseñado y construido tres instrumentos de medida basados todos en el concepto del sensor de Hartmann-Shack (HS), cada uno con características particulares: sensor HS de alta resolución temporal, sensor HS de campo amplio y sensor HS con iluminación invisible. Con estos instrumentos se abordan condiciones específicas que pueden afectar la dinámica del ojo, como los posibles efectos que tiene el cambio en la línea de mirada (o la torsión del ojo) sobre las aberraciones, así como las potenciales diferencias que se puede generar sobre las aberraciones cuando los sujetos observan con visión monocular o binocular, o evaluar si en el ojo existe una longitud de onda "preferida" para enfocar estímulos policromáticos. / Addressing the important dynamic characteristics of the eye, a number of experiments were performed to study some of these dynamic properties, in order to provide new information about the visual system. To carry out these experiments, three instruments were designed and implemented, all of them based on the Hartmann-Shack sensor (HS) principle, but each one with particular characteristics: high time resolution HS sensor, wide field HS sensor and HS sensor with invisible illumination. Specific conditions that can affect the dynamics of the eye were addressed with these instruments, for example the possible effects arising from changes in the line of sight (gaze) on the aberrations, or the potential differences that can be generated on aberrations when subjects are under monocular or binocular vision, or evaluate if is there a "preferential" wavelength the eye uses to focus polychromatic stimuli.

The continuous improvements of optical design tools and manufacturing technologies of free-form optical elements, allow the creation of new complex-shaped lenses that improve the performance of traditional optical systems and make possible new optical applications. The quality of fabrication of complex-shaped lenses depends on the possibility of measurement of the shape along the manufacturing process. Moreover, the measurement of the shape of fabricated lenses is a usual quality control process conducted by the manufacturing industry to ensure the quality of commercial lenses. The measurement of complex-shaped optical surfaces has been usually done with mechanical contact stylus, to get higher resolutions within the larger dynamic range required. However, stylus devices have important drawbacks as a slow measurement speed due to make a point by point measurement, and specially the risk of damage of extremely polished surfaces of the lenses due to the drag of the stylus across them. As opposed to those mechanical contact devices of measurement, there are several non destructive optical techniques like interferometry and deflectometry based on the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses, which are much faster due to make a full-field measurement in a single shot. Despite this advantage, these two techniques have a more limited dynamic range of measurement than stylus devices, which does not allow to measure most complex-shaped lenses. Therefore, solutions to extend the dynamic range of those full-field optical techniques are needed, like changing the conventional Shack-Hartmann’s array of microspheres for an array of more appropriate microlenses and the compensation of the tested lens by means of “inverse” additional optical elements to reduce its complexity. Otherwise, once an optical element has been tested, it is required to finally reconstruct its shape from the discrete data obtained in the measurement. In the lenses’ field, the modal Zernike representation is commonly used to reconstruct the shape. However, to describe complex shapes with steep local changes, zonal representations fit better. Among them, it must be mentioned the B-Spline representation, which is used by the ophthalmic lenses’ manufacturers in the design and modelling of complex progressive surfaces of lenses of this type. The current thesis describes various optical solutions to measure and represent the shape of commercial complex-shaped lenses, particularly applied to progressive addition lenses personalized to the user. The developed solutions are: - It is implemented the B-Spline cubic representation to reconstruct complex wavefronts and get direct information of their local amplitudes, by means of fitting the local wavefront slopes that output from a Shack-Hartmann wavefront sensor. It is compared the fitting quality of B-Spline and circular Zernike representations in a set of simulated wavefronts of different complexity. To quantify the fitting quality in similar conditions as experimentally, two complementary parameters which account for the differences between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront with added noise (fitting RMS error) and between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront without noise (wavefront RMS error) are used. The fitting quality is analyzed in terms of the degree of Zernike polynomial and in terms of the number of subzones that divides the whole wavefront domain (breakpoints) for the B-Spline representation. - It is developed a Shack-Hartmann wavefront sensor based on a cylindrical microlens array and a proprietary algorithm that processes the line patterns detected, to extend the dynamic range of the conventional Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. After making a conceptual design of the sensor and evaluating the performance of various configurations in terms of the measurement field, spatial resolution, vertical resolution and dynamic range by means of a proprietary ray trace program, two wavefront sensors are built: a first sensor with an unique array of microcylinders placed in a rotary mount that allows positioning the microcylinders in horizontal and vertical directions, and a second more evolved sensor with two equal arrays of microcylinders placed in horizontal and vertical directions, which reaches the same measurement speed as the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. The sensor is applied to characterize by transmission a set of three different prescriptions commercial progressive addition lenses with designs customized to wearers that move their eyes, their head, and half the eyes and the head when doing a visual task. From the characterization process, the spatially resolved aberrations, the iso-power maps, the iso-cylinder maps and the cylinders’ axis maps of the lenses are obtained. - It is designed and built an active optics system to compensate the wavefront transmitted by complex-shaped lenses. As the active device to make the wavefront compensation, it is used a commercial phase-only modulator based on a parallel-aligned liquid crystal, which has the advantages of a high spatial resolution and an accurate response in open-loop mode. The response is characterized experimentally. As opposed to the abovementioned advantages, the phase modulator has the lack of decreasing its diffraction efficiency as increases the amplitude of the modulated phase. This means that non phase-modulated light, which corresponds to the zero order of diffraction that outputs from the modulator, is superimposed to phase-modulated light of interest. To solve this problem, a pinhole spatial filter that blocks the zero order diffraction light is implemented in the system. The active optics system is proposed as a dynamic null-test to make the quality control of complex-shaped lenses with a reduced cost in time and money over the traditional static null-tests. As a demonstration of the application, an active null-test of a commercial progressive addition lens personalized to the user with distance null power and two dioptres of addition is successfully made. / Las continuas mejoras en las herramientas de diseño óptico y en las tecnologías de fabricación de formas arbitrarias (free-form) de elementos ópticos, permiten el desarrollo de nuevas lentes de formas más complejas, posibilitando nuevas aplicaciones ópticas y mejorando las prestaciones de los sistemas ópticos clásicos. Para la fabricación precisa de lentes de formas complejas es determinante la posibilidad de medida de su forma. Asimismo, la medida final de la forma de lentes fabricadas es un proceso habitual de control de calidad llevado a cabo por la industria fabricante, para garantizar la calidad de las lentes comerciales desarrolladas. La medida de superficies ópticas con formas complejas se ha llevado a cabo, tradicionalmente, con instrumentos de medida por contacto mecánico (stylus), para garantizar buenas resoluciones de medida y abarcar el gran rango dinámico normalmente necesario. No obstante, estos sistemas presentan importantes inconvenientes como la lentitud por ser una medida punto a punto, y especialmente el riesgo de dañado de las superficies extremadamente pulidas de las lentes a causa del contacto y arrastre del stylus. Frente a estos sistemas metrológicos con contacto mecánico, diferentes técnicas no destructivas de tipo óptico como las interferométricas y el sensor Shack-Hartmann clásico de microlentes esféricas, más rápidas al medir la superficie en su conjunto, se han mostrado como buenas alternativas. Aún así, estos dos métodos tienen unos rangos dinámicos de medida más limitados que los de los stylus, lo que típicamente los incapacita para medir lentes de formas complejas. Se hace por tanto necesario desarrollar soluciones para extender el rango dinámico de medida de estas técnicas ópticas de campo completo (full-field), como pueden ser la modificación del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas por otros tipos de microlentes más apropiados y la compensación previa de la lente a medir mediante la utilización de elementos ópticos “inversos” a ella para reducir su complejidad. Por otra parte, una vez medido un determinado elemento óptico, resulta necesario reconstruir su forma a partir de las medidas discretas obtenidas. En el ámbito de las lentes, la representación modal de polinomios circulares de Zernike es la más utilizada para reconstruir la forma medida. Sin embargo, a la hora de describir formas complejas con cambios locales importantes o formas arbitrarias, las representaciones de tipo zonal resultan más efectivas. Entre ellas, cabe destacar la representación zonal de B-Splines, que es la empleada por la industria oftálmica en el diseño y modelización de las superficies progresivas complejas de lentes de este tipo. La presente tesis describe diversas soluciones ópticas de medida y representación de las características ópticas de lentes comerciales de formas complejas, con particular aplicación a lentes oftálmicas de adición progresiva personalizadas al usuario. Las soluciones desarrolladas son las siguientes: - Se implementa la representación de B-Splines cúbicos para reconstruir frentes de onda complejos y extraer informaciones locales de amplitud, mediante ajuste de las pendientes locales medibles por un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann. Se realiza un estudio comparativo de la calidad de la anterior representación y de la representación de Zernike para ajustar diferentes frentes de onda simulados de distinta complejidad, empleándose dos parámetros complementarios para cuantificar la calidad de ajuste, que son el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado con ruido (error RMS ajuste) y el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado sin ruido (error RMS frente), de manera que se extraigan conclusiones de la calidad de ajuste en condiciones similares a las experimentales. La calidad de los ajustes se analiza en función del grado del polinomio de Zernike y del número de subzonas de división del dominio del frente de onda (breakpoints) para la representación cúbica de B-Spline. - Se desarrolla un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann basado en matrices de microlentes cilíndricas que, junto con un algoritmo de procesado de los patrones de líneas detectados que también se desarrolla, extiende el rango dinámico clásico del sensor Shack-Hartmann equivalente de microlentes esféricas. Una vez realizado el diseño conceptual del sensor y evaluadas las prestaciones metrológicas (campo de medida, resolución espacial, resolución vertical y rango dinámico) de diversas configuraciones del mismo mediante un programa propio de trazado de rayos, se construyen dos sensores: un primer sensor con una única matriz de microcilindros montada sobre un soporte rotador que permite orientar los microcilindros en las direcciones horizontal y vertical, y un segundo sensor más evolucionado con dos matrices de microcilindros horizontales y verticales, que equipara la velocidad de medida con la del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas. Se aplica el sensor a la caracterización por transmisión de un conjunto de lentes comerciales de adición progresiva personalizadas para personas movedoras de ojos, movedoras de cabeza y movedoras de ojos y cabeza a partes iguales, de tres prescripciones diferentes: OD 0 Ad.2, OD -1 +1 0º Ad.2, y OD -1 +1 135º Ad.2, obteniéndose las aberraciones espacialmente resueltas de las lentes, así como también sus mapas de iso-potencia, de iso-cilindro y de orientación del cilindro. - Se diseña y construye un sistema óptico de compensación activa del frente de onda transmitido por lentes con formas complejas. Como elemento activo de compensación se utiliza un modulador de fase comercial basado en un cristal líquido de moléculas paralelas, que proporciona una modulación pura de la fase (sin modulación de intensidad), una elevada resolución espacial y una respuesta de gran calidad en bucle abierto. La caracterización de dicha respuesta se realiza experimentalmente. En contrapartida a las anteriores ventajas citadas, el modulador presenta un punto débil debido a su naturaleza difractiva, apreciable en forma de un decremento en la eficiencia de difracción para altas amplitudes de modulación de fase, que se traduce en luz parásita no modulada en fase correspondiente al orden cero de difracción que se superpone a la luz modulada en fase de interés. Como solución a este problema se implementa en el sistema un filtro espacial de tipo pinhole que bloquea la luz indeseada de orden cero. El sistema de compensación activa desarrollado se propone como null-test dinámico para el control de calidad de lentes complejas, de manera que suponga una reducción de costes económicos y en tiempo respecto a las convencionales soluciones null-test estáticas. Como demostración del mismo, se lleva a cabo el null-test activo una lente comercial progresiva personalizada con potencia nula de lejos y dos dioptrías de adición.

Reconstruction of continuous signals from a number of their discrete samples is central to digital signal processing. Digital devices can only process discrete data and thus processing the continuous signals requires discretization. After discretization, possibility of unique reconstruction of the source signals from their samples is crucial. The classical sampling theory provides bounds on the sampling rate for unique source reconstruction, known as the Nyquist sampling rate. Recently a new sampling scheme, Compressive Sensing (CS), has been formulated for sparse signals. CS is an active area of research in signal processing. It has revolutionized the classical sampling theorems and has provided a new scheme to sample and reconstruct sparse signals uniquely, below Nyquist sampling rates. A signal is called (approximately) sparse when a relatively large number of its elements are (approximately) equal to zero. For the class of sparse signals, sparsity can be viewed as prior information about the source signal. CS has found numerous applications and has improved some image acquisition devices. Interesting instances of CS can happen, when apart from sparsity, side information is available about the source signals. The side information can be about the source structure, distribution, etc. Such cases can be viewed as extensions of the classical CS. In such cases we are interested in incorporating the side information to either improve the quality of the source reconstruction or decrease the number of the required samples for accurate reconstruction. A general CS problem can be transformed to an equivalent optimization problem. In this thesis, a special case of CS with side information about the feasible region of the equivalent optimization problem is studied. It is shown that in such cases uniqueness and stability of the equivalent optimization problem still holds. Then, an efficient reconstruction method is proposed. To demonstrate the practical value of the proposed scheme, the algorithm is applied on two real world applications: image deblurring in optical imaging and surface reconstruction in the gradient field. Experimental results are provided to further investigate and confirm the effectiveness and usefulness of the proposed scheme.

Inaug.-diss.--Greifswald. / Lebenslauf. "Literatur": p. [10]-11.