Optymalizacja układów optycznych poprzez większą efektywność projektowania
Współcześnie fotonika boryka się z niedoborem specjalistów posiadających szeroką wiedzę z zakresu modelowania stosowanego oraz projektowania przemysłowych układów i komponentów optycznych. Wobec tego końcowy efekt osiąga się w pewnym stopniu metodą prób i błędów, co sprawia, że prowadzone działania zajmują wiele czasu i są pracochłonne. Założeniem finansowanej przez UE inicjatywy ADOPSYS było rozwiązanie tej kwestii poprzez opracowanie nowych, przełomowych narzędzi, w tym nowej metody tworzenia symulacji i projektowania układów optycznych dla systemów obrazowania i oświetlenia. Aby wesprzeć te starania, zespół projektowy zorganizował specjalistyczne szkolenia, łącząc działalność badawczą z praktyczną nauką celem wykształcenia kolejnego pokolenia wysoko wykwalifikowanych naukowców specjalizujących się w dziedzinie optyki. Projektowanie z myślą o świetle Wyjaśniając przyczyny obserwowanego w Europie niedoboru ekspertów z szeroką wiedzą specjalistyczną w zakresie modelowania i projektowania przemysłowych układów optycznych, profesor Paul Urbach, koordynator projektu ADOPSYS, zauważa, że „uczelnie wyższe często koncentrują się na nowszych zagadnieniach, takich jak nanooptyka czy metamateriały, podczas gdy ważniejsza dla przemysłu optyka nie jest już tak silnie akcentowana. Dotyczy to zwłaszcza projektowania układów optycznych składających się z soczewek i zwierciadeł, w tym systemów obrazowania”. W ramach inicjatywy ADOPSYS posłużono się modelowaniem komputerowym, wykorzystując nowe oprogramowanie i podnosząc poziom umiejętności. Podejście to pozwoliło udoskonalić technikę śledzenia pola, aby umożliwić określanie rozsyłu światła na wybranych płaszczyznach po przejściu przez nieparaksjalny układ optyczny – czyli taki, w którym promienie rozchodzą się w krańcowo różnych od siebie kierunkach. W pierwszej kolejności naukowcy wzięli po uwagę dyfrakcję kaskadową uwzględniającą skutki dyfrakcji w obrębie wielu komponentów układu. Wykorzystując do tego celu istniejące narzędzia, porównano ze sobą otrzymane wyniki, a w późniejszym czasie część z nich zweryfikowano w drodze doświadczeń. Zespół projektowy przygotował również pięć przełomowych narzędzi do projektowania. Po pierwsze, udoskonalono metodę SMS (Simultaneous Multiple Surface) pod kątem projektowania systemów o dowolnym kształcie niesłużących do obrazowania, w tym kolimatorów do reflektorów samochodowych, oraz poszerzono jej zastosowanie o systemy obrazowania, takie jak wysokiej klasy kamery. Po drugie, aby wyłonić odpowiednie układy optyczne z grupy tych już istniejących, uczestnicy inicjatywy zastosowali technikę SPC (Saddle Point Construction), tworząc z każdej optymalnej konstrukcji punkty siodłowe, a następnie co najmniej dwie nowe optymalne konstrukcje z każdego takiego punktu. Po trzecie, badacze opracowali metody projektowania dyfrakcyjnych elementów optycznych używanych w świetle częściowo spójnym, włączając w to źródła głębokiego ultrafioletu (DUV) i ekstremalnie dalekiego ultrafioletu (EUV). Oparto je na nieliniowym iteracyjnym algorytmie inwersji. Czwartą metodą stworzoną przez zespół projektowy była metoda obliczeniowa dla konstrukcji o dowolnym kształcie w projektach rozwiązań oświetleniowych, w której kształt powierzchni określany jest za pomocą nieliniowego równania całkowego. Ostatnie zaproponowane rozwiązanie stanowiły optymalne filtry, które można wykorzystać w optycznym systemie obrazowania, umożliwiając w ten sposób pozyskiwanie obrazu poprzez dalsze przetwarzanie obliczeń. Jak podsumowuje profesor Urbach: „Wspomniane metody projektowania tworzą razem zestaw narzędzi, który znacznie ogranicza stosowanie metody prób i błędów w projektowaniu układów optycznych”. Wdrażając rozwiązania w praktyce W drodze ścisłej współpracy z partnerami przemysłowymi zidentyfikowano szereg problemów na etapie projektowania, do których rozwiązania można wykorzystać innowacje opracowane dzięki inicjatywie ADOPSYS. Mowa tu w szczególności o energooszczędnych systemach oświetlenia, systemach obrazowania w wysokiej rozdzielczości, systemach wizyjnych oraz systemach kontroli i bezpieczeństwa maszyn. Na przykład metodę SMS wykorzystano do projektowania trójwymiarowych systemów RXI o dowolnym kształcie stosowanych w sektorze oświetlenia samochodowego, ponieważ doskonale spełniają one wymogi wobec świateł drogowych i świateł mijania. Dzięki wsparciu finansowemu z programu działań Marie Curie inwestycje poczynione w ramach projektu w kontekście szkoleń z zakresu uniwersalnych umiejętności (w tym z dziedziny praw własności intelektualnej, współpracy przy dużych projektach i przedsiębiorczości) oraz doświadczenia zdobytego bezpośrednio na stanowisku pracy u partnerów przemysłowych już teraz zaczęły przenosić rezultaty. Jak mówi profesor Urbach: „Wielu z uczestniczących w projekcie młodych badaczy rozpoczęło bardzo owocną i trwającą po dziś dzień współpracę z europejskimi przedsiębiorstwami. Co więcej, niektóre narzędzia ADOPSYS zostały opracowane w ścisłej współpracy z tymi partnerami przemysłowymi”. Zapytany o przyszłość, profesor Urbach dodaje, że „w niektórych przypadkach nowo opracowane metody okazały się bardziej czasochłonne, niż zakładano w ich docelowych zastosowaniach, więc teraz zespół projektu ADOPSYS skupi się na przyspieszaniu procesów obliczeniowych”.
Słowa kluczowe
ADOPSYS, fotonika, optyka, modelowanie, układy optyczne, konstrukcje o dowolnym kształcie, wydajne systemy oświetlenia, systemy o wysokiej rozdzielczości, przełomowe narzędzia
