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ADvanced OPtical SYStem Design

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Optik durch wirkungsvolleres Design optimieren

Soll die Photonik den Anforderungen einer neuen Generation von Anwendungen gerecht werden, so müssen Probleme durch optimales Design und bessere Modellierung angegangen werden. Das EU-finanzierte ADOPSYS-Projekt näherte sich dieser Aufgabe auf einem auf Fertigkeiten beruhenden sowie einem technischen Weg an.

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Gegenwärtig hat das Gebiet der Photonik mit einem Mangel an weitreichendem Fachwissen im Zusammenhang mit angewandter Modellierung und Design industrieller optischer Systeme und Komponenten zu kämpfen. Auf diese Weise ist erfolgreiches Arbeiten von Versuch und Irrtum abhängig, was im Endeffekt zeit- und arbeitsaufwändig ist. Das EU-finanzierte ADOPSYS-Projekt hat mit der Entwicklung neuer revolutionärer Werkzeuge zur Beseitigung dieses Mankos beigetragen. Dazu zählt eine neue Methode zur Simulation und Gestaltung optischer Systeme für Bildgebungs- und Beleuchtungssysteme. Um diese Bemühungen zu unterstützen, förderte man außerdem im Rahmen des Projekts eine spezielle Fortbildung, bei der für die nächste Generation hochqualifizierter Optikwissenschaftler Forschung und praktisches Lernen kombiniert wurden. Design für Licht ADOPSYS-Koordinator Professor Paul Urbach erklärt den in Europa herrschenden Mangel an umfassendem Expertenwissen über Modellierung und Design optischer Systeme für die Industrie folgendermaßen: „Oftmals konzentrieren sich die Universitäten auf neuere Themen wie etwa die Nanooptik oder Metamaterialien, während man sich weniger der Optik widmet, die für die Industrie viel mehr von Belang ist. Insbesondere gilt das für die optische Auslegung von Linsen- und Spiegelsystemen für bildgebende und nichtbildgebende Anwendungen.“ Innerhalb des ADOPSYS-Projekts setzte man auf Computermodellierung mit neuen Computerprogrammen, die weitaus mehr Fähigkeiten vorzuweisen haben. Mit Hilfe dieses Ansatzes entwickelte man das Feldnachverfolgungsverfahren weiter, um die Lichtverteilung in einigen Ebenen nach der Ausbreitung durch ein nicht paraxiales optisches System zu bestimmen, in dem Strahlen die verschiedensten Ausbreitungsrichtungen haben. Zuerst berücksichtigte das Projekt ebenfalls die kaskadierte Beugung, bei der es sich um Beugungseffekte in mehreren Komponenten des Systems handelt. Die Resultate wurden im Folgenden unter Einsatz vorhandener Instrumente bewertet, wobei einige Ergebnisse später auch experimentell bestätigt wurden. Das Projekt resultierte außerdem in einer Serie von fünf zentralen Design-Disruption-Tools. Zunächst einmal verbesserte ADOPSYS die Simultaneous-Multiple-Surface-Methode (SMS) für Anwendungen weiter, die dem Freiformentwurf nicht-bildgebender Systeme wie etwa Kollimatoren für Fahrzeugscheinwerfer dienen. Außerdem erweiterte man die Methode auf Bildverarbeitungssysteme wie beispielsweise High-End-Kameras. Zweitens wandte das Projekt Saddle Point Construction (SPC) an, um aus bereits existierenden Systemen realisierbare optische Systeme zu lokalisieren, indem Sattelpunkte anhand eines gegebenen optimalen Entwurfs konstruiert und dann von jedem Punkt aus mindestens zwei neue optimale Entwürfe konstruiert werden. Drittens entwickelte ADOPSYS Entwurfsmethoden für diffraktive optische Elemente, die unter teilweise kohärenter Beleuchtung wie zum Beispiel bei DUV- (tiefes Ultraviolett, Deep Ultra-Violet) und EUV-Quellen (extremes Ultraviolett, Extreme Ultraviolet) eingesetzt werden. Diese beruhten auf einem nichtlinearen iterativen Inversionsalgorithmus. Als eine vierte Methode entwickelte das Projekt ein computergestütztes Verfahren für Freiformkonstruktionen von Entwürfen für Beleuchtungsanwendungen, bei denen die Oberflächenform durch Lösen einer nichtlinearen Integralgleichung gefunden wird. Letztlich wurden optimale Filter konzipiert, die in ein optisches Bildgebungssystem eingefügt werden können, um eine Bilderfassung durch rechnerische Nachbearbeitung zu ermöglichen. Professor Urbach bringt es auf den Punkt: „Zusammen bilden diese Entwurfsmethoden einen Baukasten, der die Aspekte des praktischen Herumprobierens bei den Anstrengungen im optischen Design auf wirkungsvolle Weise reduziert.“ Und los geht's In enger Zusammenarbeit mit den Industriepartnern ist auf eine Vielzahl von Gestaltungsproblemen zu verweisen, bei deren Lösung ADOPSYS-Innovationen angewandt werden können. Dabei geht es insbesondere um energieeffiziente Beleuchtungssysteme, hochauflösende Bildverarbeitungssysteme und maschinelle Bildverarbeitung, Prüfen und Sicherheit. Beispielsweise wurde SMS zur Entwicklung von dreidimensionalen RXI-Freiformsystemen zum Einsatz bei Fahrzeugbeleuchtung angewandt, da sie perfekt für die für Scheinwerfer mit Fern- und Abblendlicht erforderlichen Lichtmuster geeignet sind. Im Rahmen der Marie-Curie-Fördermaßnahmen haben die Investitionen des Projekts in Form von Schulungen für übertragbare Kompetenzen für Projektteammitglieder wie zum Beispiel über Rechte am geistigen Eigentum, Zusammenarbeit und Unternehmertum bei Großprojekten zusammen mit den großtechnischen Erfahrungen mit den Industriepartnern bereits begonnen, Früchte zu tragen. Professor Urbach dazu: „Viele der Nachwuchsforscherinnen und -forscher haben sehr erfolgreiche und andauernde Beziehungen zu europäischen Industrieunternehmen aufgebaut und tatsächlich wurden einige der ADOPSYS-Instrumente in enger Kooperation mit diesen Industriepartnern entwickelt.“ Mit Blick auf die Zukunft ergänzt Professor Urbach: „In einigen Fällen waren die neuen Methoden in den vorgesehenen Anwendungen nicht so schnell wie gewünscht, daher werden sich die Mitglieder des ADOPSYS-Teams jetzt auf die Verbesserung der Rechengeschwindigkeit konzentrieren.“

Schlüsselbegriffe

ADOPHYS, Photonik, Optik, Modellierung, optische Systeme, Freiformkonstruktion, effiziente Beleuchtungssysteme, Systeme mit hoher Auflösung, Disruption-Tools

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