Simulation und Design optischer Systeme

Herausforderung

Die Auslegung und Optimierung optischer Systeme, etwa von Abbildungs- und Strahlformungsoptiken, sind im Entwicklungsprozess unverzichtbar. Beides erfordert nicht nur höchste Präzision, sondern häufig auch einen genauen Blick auf wirtschaftliche Faktoren. Eine optimale Lösung lässt sich jedoch hier meist nur unter hohem experimentellen Aufwand sicherstellen.

Streulicht und Lagefehler sind ebenso wie Aberrationen oft die Ursache für schlechtere Abbildungseigenschaften. Bei optischen Messsystemen wirkt sich in der Praxis außerdem eine Vielzahl weiterer Faktoren auf die Messunsicherheit aus. Bei der Entwicklung optischer Systeme gilt es daher im Vorfeld, die Leistungsfähigkeit der einzelnen optischen Elemente, ihrer Beschichtungen und mechanischen Aufnahmen zu beurteilen, um eine optimale Wahl zu treffen.

Lösung

Entwicklung, Analyse und Optimierung optischer Systeme erfolgen am effizientesten anhand spezieller Software. Das Fraunhofer IPT setzt hier sowohl auf kommerzielle Strahlverfolgungssoftware als auch auf eigens entwickelte Algorithmen zur Simulation von optischen Systemen.

Als kommerzielle Software wird das weitverbreitete Designprogramm ZEMAX eingesetzt. Es eignet sich ideal zur computergestützten Analyse, um Fehlereinflüsse bestehender optischer Systeme in Toleranz- und Streulichtanalysen zu bewerten und zu analysieren, etwa bei optischen Messgeräten, Beleuchtungs- oder Strahlformungsoptiken.

Für Fälle, bei denen die kommerzielle Software an ihre Grenzen stößt, kommen Eigenentwicklungen des Fraunhofer IPT zur Anwendung.

Anwendungsfelder

Simuliertes Linsenarray - Bildverarbeitung
© Fraunhofer IPT

Simuliertes Linsenarray

Bei einer Vielzahl von Anwendungen setzt das Fraunhofer IPT das softwaregestützte Optikdesign bereits erfolgreich ein und nutzt es intensiv zur Entwicklung und Optimierung von Optiksystemen.

Beispielhaft seien folgende Applikationen genannt:

  • Sensoren
  • Beleuchtungssysteme / Lichttechnik
  • Strahlteilende Systeme
  • Projektionsobjektive
  • Spektrometer
  • Physiologische Optik
  • Teleskope
  • Head-up-Systeme
Czerny-Turner-Miniatur-Spektrometer (gefaltetet)
© Fraunhofer IPT

Gefaltetes Czerny-Turner-Miniatur-Spektrometer

Leistungen

Weitwinkel-Objektiv - Wellenfront-Funktion
© Fraunhofer IPT

Weitwinkel-Objektiv mit dargestellter Wellenfront-Funktion

Das Fraunhofer IPT analysiert und optimiert optische Systeme im Auftrag seiner Kunden und Projektpartner. Dazu gehört auch das Optikdesign für Neuentwicklungen, die auf Kundenwunsch produktionstechnische, messtechnische und wirtschaftliche Randbedingungen berücksichtigen. Das Fraunhofer IPT analysiert außerdem bestehende optische Systeme und identifiziert Fehlereinflüsse, um Optimierungspotenzial aufzudecken.

Das Leistungsspektrum erstreckt sich dabei auf die folgenden Gebiete:

  • Optisches und mechanisches Systemdesign
  • Bewertung der Abbildungsleistung
  • Streulicht- und Toleranzanalysen
  • Design diffraktiver Elemente (z.B. CGH)
  • Schnittstellen zu CAD / CAM-Applikationen
  • Berücksichtigung von Messdaten

In der Auslegung optischer Elemente und der Entwicklung optischer Systeme verfügt das Fraunhofer IPT über mehr als zehnjährige Erfahrung mit optischer Messtechnik und der Simulation optischer Systeme anhand leistungsfähiger Strahlverfolgungssoftware.