Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften - Hochschule Darmstadt


Labore Optotechnik und Bildverarbeitung / Physik-Sammlung



Folgende Labore stehen für Lehre und Forschung zur Verfügung:




Labor Bildverarbeitung


Das Bildverarbeitungslabor ist eines der zentralen Labore des Studiengangs OBV, welches unsere Studierenden durch ihr gesamtes Studium begleitet.

24 Rechnerarbeitsplätze in zwei Räumen stehen im BV-Labor zur Verfügung. Jedem Rechner steht ein Reproständer mit Beleuchtungseinrichtung und industrietauglicher Kamera beiseite. Damit können zu prüfende Objekte ins rechte Licht gesetzt und aufgenommen werden. Zur Auswertung der Aufnahmen kann auf eine Vielzahl professioneller Bildverarbeitungsprogramme zurückgegriffen werden.

Beginnend im 2. Semester wird hier in der „Einführung in die Bildverarbeitung“ der praktische Umgang mit Beleuchtung, Kamera und Objektiven vermittelt. Dabei werden die entstehenden Aufnahmen mit der Bildverarbeitungssoftware Halcon ausgewertet und bereits kleine Projekte erarbeitet.

Im 3. Semester findet hier der dritte Teil des Labors „Computer Aided Image Processing“ (CAIP3) statt. Nachdem der Umgang mit der Programmiersprache C/C++ in den ersten beiden Semestern erlernt wurde, werden hier nun einfache Bildverarbeitungsprogramme in C++ mit grafischer Oberfläche erstellt.

Weiterführende Methoden und Algorithmen zur Auswertung und Verarbeitung von Bildern werden im 3. und 4. Semester in der Laborveranstaltung „Bilderverarbeitung 2“ realisiert und erprobt.

Themen sind hier z. B. Filterung von Bildern, Objekterkennung und Analyse, Bildtransformationen, Korrelation, Bearbeiten von Bildern im Ortsfrequenzraum.

In den höheren Fachsemestern finden im BV-Labor wechselnde Wahlpflichtveranstaltungen zum Themengebiet der Bildverarbeitung statt (3D-Bildverarbeitung mit MAVI, Morphologische BV, Mustererkennung, ...).

Auch während des Master-Studiums werden hier weiterführende Labore wie die „Systemtheorie der Bildverarbeitung“ und „Algorithmen zur Bildverarbeitung“ durchgeführt.






Labor Angewandte Bildverarbeitung


Das Modul "Angewandte Bildverarbeitung" beinhaltet auch Laborversuche. In diesem Labor werden Fragestellungen aus der aktuellen industriellen Anwendung und aus anwendungsbezogener Forschung und Entwicklung behandelt. Themen sind unter anderen:

  • Bewegtbildverarbeitung
    • Prüflinge auf einem Fließband, Ansteuerung von Weichen, Effekte bei hohe Transportgeschwindigkeiten (bis zu 5 m/s), Synchronisierung von Blitzbeleuchtung und Bildaufnahme, Auslösen der Bildaufnahme durch externen Interrupt
  • Problemangepasste Beleuchtungsverfahren
    • Durchlicht, Auflicht, Streiflicht, Ringlicht, LED-Beleuchtung, Leuchtstoffröhren, Kaltlicht, Blitzlicht
  • Erkennung von Codierungen
    • Strichcode, Flächencode, Optische Zeichenerkennung (OCR)
  • Programmierung intelligenter Kameras
    • Handhabung von Kameras mit "Prozessor an Bord"
  • Spezielle Kameras
    • Zeilenkamera, Progressive-Scan-Kamera, CMOS-Kamera
  • Robot Vision / Kamerakalibrierung
    • Erkennen von Objektpositionen im Raum, Greifen und Umpalettieren der Objekte mit einem Roboter
  • Umgang mit dem Mikroskop und zugehörige quantitative Bildauswertung
  • 3D-Bildverarbeitung







Labor Technische Optik


Im Labor Technische Optik finden Versuche zur experimentellen Optik statt. Im Labor stehen mehrere optische Tische, "Optikbaukästen" sowie viele verschiedene optische Instrumente zur Verfügung. Diese enthalten Lichtquellen wie Laser oder Halogenlampe, sowie Linsen, Prismen und andere optische Elemente mit den zugehörigen Halterungen. Die Versuche befassen sich mit Linsenvermessung, verschiedenen Arten von Fernrohren, Vermessung eines Laserstrahls mittels Strahlaufweitung, Mikroskop, Prismen-Spektrometer, bei dem das Sonnenlicht in seine spektralen Bestandteile zerlegt wird und schließlich das Abbe-Refraktometer bei dem beispielsweise mittels optischer Eigenschaften der Zuckergehalt von Apfelsaft bestimmt werden muss.

Die Studenten werden damit schon früh im Studium an praxisorientiertes wissenschaftliches Arbeiten herangeführt. Zu den einzelnen Laborversuchen erfolgen Auswertungen in der auch das Vorgehen während der Versuchsdurchführung dargelegt und als Bericht schriftlich rekapituliert wird.




Labor Signalverarbeitung I und Signalverarbeitung II


In den Versuchen der Signalverarbeitung I sollen Sie die Grundlagen der Elektrotechnik, die Sie aus der Vorlesung kennen, experimentell nachvollziehen. Dazu haben Sie ein Elektronik-Steckbrett mit einer Auswahl von Bauelementen, wie Widerständen, Leuchtdioden und Operationsverstärkern zur Verfügung. Mit diesen Bauelementen bauen Sie verschiedene einfache Schaltungen, wie Parallel- und Reihenschaltungen von Widerständen auf, messen die Strom-Spannung-Kennlinie einer Diode oder bauen eine Verstärkerschaltung auf. Sie werden lernen wie man eine Leuchtdiode „richtig“ beschaltet.

Bei den Versuchen der Signalverarbeitung I geht es hauptsächlich darum, dass Sie selbst elektronische Schaltungen aufbauen, sich mit Messgeräten (Digitalmultimeter, Oszilloskop…), Netzteilen usw. anfreunden, sicher mit ihnen umgehen können und ein Gefühl dafür bekommen, welche Eigenschaften die speziellen elektronischen Bauelemente und Schaltungen haben, die Sie in der optischen Messtechnik benutzt werden.

Die Versuche der Signalverarbeitung I im Einzelnen:

  • Praktikum 1: Gleichsignale und Wechselsignale
  • Praktikum 2: Wechselsignale, Gleichrichter und Transformatoren
  • Praktikum 3: Komplexe Spannungsteiler und Filter
  • Praktikum 4: Verstärkereigenschaften und OP-Schaltungen I
  • Praktikum 5: OP-Schaltungen II: Addierer, Integrierer, Transimpedanzverstärker, Optokoppler

In den Versuchen der Signalverarbeitung II sind Sie bereits mit dem Aufbau einfacher Schaltungen und mit der Bedienung der (Mess-)Geräte vertraut.

Die Versuche der Signalverarbeitung II im Einzelnen:

  • Elektronik 1: Nach der vorlesungsfreien Zeit machen Sie sich kurz wieder mit den Geräten vertraut. Anschließend fangen Sie Licht verschiedener Lichtquellen mit einer Photodiode auf und beschreiben Ihre Beobachtungen. Sie lernen wie die Empfindlichkeit der Photodiode über einfache Messmethoden bestimmt werden kann und vergleichen Ihre Messergebnisse mit Angaben aus dem Datenblatt
  • Elektronik 2: In diesem Versuch bauen Sie einen Strom/Spannungswandler mit einem Operationsverstärker auf. Sie verwenden die Schaltung dann, um den Photostrom einer Photodiode als Funktion der Bestrahlungsstärke zu vermessen. Aus den Messdaten bestimmen Sie erneut die Empfindlichkeit der Photodiode und vergleichen sie mit der Angabe im Datenblatt.
  • Bildzeile: In dieser Laborübung machen Sie sich mit der Struktur des Videosignals vertraut und verdeutlichen sich einige wichtige Begriffe, die in der Vorlesung im Zusammenhang mit der Videonorm behandelt wurden. Dazu nehmen Sie mit einer Kamera verschiedene Vorlagen auf und beobachten bzw. vermessen das Videosignal am Oszilloskop. Für diese Laborübung steht Ihnen ein Messplatz mit Farb-CCD-Kamera samt Objektiv auf einem Stativ, Beleuchtung, ein Video-Monitor und ein Oszilloskop zur Verfügung.






Labor Angewandte Optotechnik


In dem Labor zur angewandten Optotechnik I lernen Sie zunächst „händisch“ wie sich Strahlen in einem System, das aus mehreren Linsen besteht, ausbreiten. Anschließend simulieren Sie diese Systeme mit kommerziell verfügbarer Software. Sie lernen unterschiedliche Qualitätskriterien kennen, mit deren Hilfe Sie die Eigenschaften optischer Systeme beurteilen können.

Die Labore der angewandten Optotechnik II finden im 7. Semester statt. Im Laufe Ihres bisherigen Studiums haben Sie bereits kennengelernt, wie es ist in einem Team an einer bestimmten Aufgabe – an einem Projekt – zu arbeiten. In den Laboren zur angewandten Optik II wählen Sie einen der fünf angeboten Laborversuche aus. Diesen Laborversuch sollen Sie selbstständig in Ihrem Team bearbeiten. Sie haben dabei die Möglichkeit sich mit einem Themengebiet nochmals intensiver zu beschäftigen, Ihr Wissen auf diesem Gebiet zu vertiefen und nochmals Projektarbeit zu üben. In jedem Laborversuch beschäftigen Sie sich mit der entsprechenden Theorie, führen Messungen durch und vergleichen Ihre Messergebnisse mit Simulationen. In Kurzvorträgen werden Sie am Ende des Semesters Ihre gewonnenen Erkenntnisse Ihren Kommilitonen vorstellen. Die Versuche der Angewandten Optik im Einzelnen:

  • Beleuchtung
  • Dünne Schichten
  • Polarisation
  • Beugung
  • Interferenz
  • Erbium-dotierter Faservertärker
  • Planarer Wellenleiter






Labor Faseroptik


Die Faseroptik (Lichtwellenleiter = LWL, Lichtleitfasern) findet immer mehr Verbreitung in der Kommunikationstechnik. Eingesetzte Faserlängen bewegen sich hier im Bereich von 1000 km ohne Zwischenverstärkung (Transkontinentalverbindungen). Weitere Einsatzgebiete sind LAN-Netzwerke (lokale Rechnervernetzung z. B. in Hochschulen oder Firmen), Verbindungen zwischen High-End-Audiogeräten (CD-Spieler an digitalem Verstärker), faseroptische Sensoren ("Faserkreisel"-Kompass), Faserlaser sowie beleuchtende und abbildende Optiken (z. B. Endoskopie in der Medizin).

Das Faseroptik-Labor besteht weitgehend aus einem Experimentiersatz nach dem Baukastenprinzip und ist in zwei Koffern verpackt. Dies hat den Vorteil, dass die zunächst verwirrende Vielzahl von Bauelementen überschaubar angeordnet ist.

Der Schwerpunkt des Praktikums liegt nicht, wie in ähnlich genannten Labors der Elektrotechnik, in der Technik der Informationsübertragung, sondern im Verstehen der Funktionsweise und der optischen Eigenschaften von Lichtleitfasern und in der Messtechnik

Wer das Labor absolviert hat kann:

  • Fasern abisolieren
  • Fasern abschneiden und die Endflächen beurteilen (besonders wichtig zur effektiven Ein- und Auskopplung des Laserstrahls)
  • den Laserstrahl in den Faserkern einkoppeln
  • vieles mehr, was später einmal im Berufsleben auf einen Optotechniker zukommen kann und als "Grundlagenwissen" auch in Zukunft nicht von der rasanten Entwicklung überholt wird.

Ausstattung des Labors

  • Newport Experimentiersatz Lichtwellenleiter verpackt in zwei Koffern:
    • 50 m und 500 m Multimode-LWL, 2 x 20 m Einmoden-LWL, Faserhalter, Einkoppler, Montagebrett, Schmelzkoppler, Arbeitsbuch, Stifte und Stifthalter zur Montage der Bauteile, Mikroskopobjektive, 1mW HeNe-Laser, GRIN-Linsen, Strahlteiler, u. v. m.
  • Fasermikroskop mit einer CCD-Kamera zur Beurteilung der Faserendflächen, gleichzeitig kann die eingekoppelte Lichtwelle im Nahfeld (direkt an der Faserendfläche) betrachtet werden, angeschlossen an einen Bildverarbeitungsrechner zur Verarbeitung und Dokumentation der aufgenommenen Bilder
  • Hochpräzisions-Faserschneider

Für die Teilnahme am Faseroptik-Labor ist eine jährliche Laserschutzunterweisung Pflicht. Sie wird jeweils am Anfang des Wintersemesters gehalten.






Labor Lasertechnik


LASER ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", dt.: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Im Lasertechnik-Labor werden Laser aus diskreten Bauteilen aufgebaut, d. h. die "Lichtverstärkung" und die "stimulierte Emission" kann man selbst in die Hand nehmen und daran herumschrauben (das ist natürlich nur symbolisch zu verstehen).

Im Labor findet man Laser, wie sie in der Industrie, z. B. in der Materialbearbeitung, oder Forschung, z. B. Analytik, eingesetzt werden.

Dies garantiert beim Wechsel von der Hochschule in die Industriepraxis, dass man die Lasertypen, die man kennen gelernt hat, sofort auch dort bedienen kann.

Die Ausbildung im Laserlabor erfolgt begleitend zu der Vorlesung Lasertechnik, so dass viele der in der Vorlesung kennengelernte Aspekte des Laservorganges bzw. von Lasergeräten dann im Laborbetrieb handgreiflich vertieft werden können.

Ausstattung des Labors:

  • Herzstück des Labors ist ein schwingungsisolierter optischer Tisch: 2,40x1,20m, ca. 500 kg schwer
  • optische und mechanische Bauteile zum Aufbau eines HeNe-Lasers und eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers
  • Hochleistungsdiodenlaser (ca. 45 W) der Firma DILAS, Mainz
  • Nd:YAG-Laser (ca. 30 W) der Firma IDAR-Laser, Idar-Oberstein
  • Laserleistungsmessgeräte (Fieldmaster) der Firma Coherent
  • Spektrumanalysator zum Messen der Frequenzeigenschaften des Laserlichtes
  • Laserstrahlanalysator zur Bestimmung des Strahlprofiles
  • Fourier Transform Interferometer mit der Funktion als Spektrumanalysator

Hier ein Blick auf einige Versuche:

  • HeNe-Laser mit offenem Resonator
Aufbau eines HeNe-Lasers aus diskreten Bauelementen, Justierung der optischen Komponenten, Berechnen und Messen der Strahlparameter und Resonatoreigenschaften. Ein besonderes Erfolgserlebnis ist garantiert, wenn der selbst aufgebaute Laser zum ersten Mal "anschwingt"! Hier werden auch praktische Dinge, wie z. B. das Putzen von Resonatorspiegeln, erlernt.
  • Aufbau eines diodengepumpten Nd:YAG-Lasers
Ähnlich wie beim Versuch zum He-Ne-Laser werden die Eigenschaften eines Diodenlasers gemessen. Die Diode wird zum Betrieb des Nd:YAG-Lasers benutzt (optisches Pumpen), der dann später, frequenzverdoppelt, grünes Licht produziert (hier ist das zweite Erfolgserlebnis garantiert).
  • Hochleistungsdiodenlaser
Die Strom-Leistungskennlinie von Hochleistungsdiodenlasern wird analysiert. Strahleigenschaften direkt am Auskoppelspiegel des Diodenlasers (Nahfeld) werden ebenso untersucht wie Strahleigenschaften in großem Abstand von der Diode. Temperatureinflüsse auf den Diodenlaserbetrieb werden gemessen.
  • Nd:YAG-Laser höherer Leistung
Ein moderner Nd:YAG-Laser, angeregt mit Hochleistungsdiodenlasern, wird aus diskreten Elementen aufgebaut. Werkstoffe werden bearbeitet.

Für die Teilnahme am Lasertechnik-Labor ist eine jährliche Laserschutzunterweisung Pflicht. Sie wird jeweils am Anfang des Wintersemesters gehalten.




Labor Optische Messtechnik


In diesem Labor lernen Sie einfache optische Aufbauten zur Messtechnik kennen. Dabei lernen Sie auch die mechanischen Standardkomponenten kennen, mit denen Linsen gehaltert oder bewegt werden. Die meisten Versuche werden von Ihnen „zerlegt“ und wieder aufgebaut, um den Umgang mit gängigen Bestandteilen zu üben. Aus den Prinzipskizzen, die Sie in der begleitenden Vorlesung kennen lernen, werden so optische Geräte zum Anfassen und Ausprobieren.

Nach der Justage und Kalibrierung der optischen Aufbauten führen Sie Messungen durch, dokumentieren Ihre Ergebnisse in einem Laborbuch und beurteilen die Messgenauigkeit der von Ihnen aufgebauten Systeme.

Die Versuche der optischen Messtechnik im Einzelnen:

  • Michelson-Interferometer
  • Lichtschnitt-Mikroskop
  • Ausgedehnte Lichtquelle
  • Mach-Zehnder Interferometer
  • Triangulationssensor
  • Weisslicht Interferometrie (Sub-Nano-Messtechnik)






Labor Lichttechnik – unser lichttechnischer Kreativraum


Hier können Sie nach Belieben „rund ums Licht“ Basteln und Messen! Ganz egal, ob Sie die Beleuchtungs­stärkeverteilung von Autoscheinwerfern oder Burgenbeleuchtungen, die Leuchtdichte von Displays oder die spektrale Verteilung von LEDs messen wollen. Hier steht Ihnen eine Vielzahl von Messgeräten zur Verfügung, die nur darauf warten von Ihnen verwendet zu werden! Einige der Messgeräte, wie das Zweiachs­photogoniometer kennen Sie vielleicht schon aus den Laborversuchen der angewandten Optik oder einem studentischen Projekt. Mit der Funktionsweise anderer Messgeräte möchten Sie sich vielleicht im Rahmen Ihrer Bachelor- oder Masterarbeit beschäftigen… Ein kleiner Auszug der im Lichtlabor zur Verfügung stehenden Messgeräte:

  • Goniometer zur Vermessung von „großen“ Leuchten
  • Zweiachsphotogoniometer zur Vermessung von LEDs
  • Leuchtdichtekamera
  • Imaging Sphere
  • Spektrometer mit programmierbarer Lichtquelle
  • Heißtransmissionsmesstechnik