Computational Optics

Kontakt

Annika Völl

Name

Annika Völl

Telefon

work
+49 241 8906 8369

E-Mail

E-Mail
 

Computerbasierte Modellentwicklungen und Simulationen ermöglichen einen kostengünstigen und schnellen Einblick in die Funktionalität von optischen Systemen sowie ein schnelles Prototyping. Somit können umfangreiche Designfragen und Analysen unter Berücksichtigung der relevanten physikalischen Einflussgrößen effizient und mit hoher Präzision bearbeitet werden.

Dazu erforscht und entwickelt die Gruppe Computational Optics verschiedenste numerische Ansätze in den photonischen Technologien. Hierzu zählen beispielsweise die Auslegung von Freiformoptiken, die Berechnung anwendungsangepasster Intensitätsverteilungen in der Lasermaterialbearbeitung sowie die algorithmengestützte Auflösungssteigerung mittels Ptychographie. Dazu werden zahlreiche Software-Entwicklungsumgebungen und -strategien eingesetzt und es stehen verschiedenste Hochleistungsrechner zur Verfügung.

 
 

Auslegung hocheffizienter Freiformoptiken

Kompakte Freiformlinse für einen Nebelscheinwerfer Urheberrecht: © Fraunhofer ILT Kompakte Freiformlinse für einen Nebelscheinwerfer

Brechende und reflektierende optische Oberflächen, die sich von sphärischen und asphärischen Geometrien deutlich unterscheiden, haben sich unter der Bezeichnung Freiformoptik in Forschung und Entwicklung etabliert. Ihre Auslegung folgt nicht mehr notwendigerweise den Konzepten abbildender Optik, sondern zielt auf die Umverteilung von Energie durch Lichtbrechung und -reflexion ab. Dadurch können im Prinzip sehr komplexe Leistungsdichteverteilungen erzeugt werden, welche lediglich durch physikalische Limitierungen wie beispielsweise eine hohe Étendue bzw. eine geringe Strahlqualität begrenzt sind. Zum Einsatz kommen Freiformoptiken beispielsweise im Beleuchtungsbereich, um den Energieaufwand und somit die Betriebskosten für die jeweiligen Beleuchtungsszenarien zu senken. Ein neuartiges Einsatzgebiet ist weiterhin die anwendungsangepasste Strahlformung mittels Freiformoptiken für Lasermaterialbearbeitungsverfahren.

Die Gruppe Computational Optics entwickelt für Kunden aus Forschung und Industrie maßgeschneiderte Freiformoptiken für nicht-abbildende Anwendungen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen dabei auf der Entwicklung von Auslegungsalgorithmen für verschiedenste Lichtquellen sowie für die Fresnelisierung von Freiformoptiken zur Reduzierung des benötigten Bauraums. Bei der Entwicklung dieser Algorithmen werden unter anderem Ergebnisse aus den Bereichen Differentialgeometrie, der Computergraphik sowie der nichtlinearen Optimierung genutzt.

Zusammen mit ansässigen Fertigungsunternehmen realisieren wir dabei virtuelle Prototypen mit fertigungsgerechter Auslegung und übernehmen die Charakterisierung der hergestellten Optiken.

 
 

Lösung des inversen Wärmeleitungsproblems in der Lasermaterialbearbeitung

Falschfarbendarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung Urheberrecht: © RWTH TOS Anwendungsangepasste Intensitätsverteilung für das Laserhärten

In den verschiedenen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird durch den Laserstrahl ein räumlich und zeitlich variables Temperaturprofil im Material erzeugt, welches letztlich die Bearbeitungsqualität und Prozesseffizienz bedingt. Da dieses Temperaturprofil insbesondere durch die Intensitätsverteilung (d.h. die Leistungsdichteverteilung) im Laserstrahl beeinflusst wird, kann eine anwendungsangepasste Strahlformung zur gezielten Einstellung des Temperaturprofils umgesetzt werden. Da von einem - in Teilen - vorgegebenen Temperaturprofil auf die Intensitätsverteilung zurückgeschlossen werden muss, wird in diesem Fall ein inverses Wärmeleitungsproblem formuliert, welches ein mathematisch schlecht gestelltes Problem darstellt.

Die Gruppe Computational Optics entwickelt effiziente numerische Lösungsalgorithmen für dieses inverse Wärmeleitungsproblem, mit welchen für verschiedene Anwendungen flexibel die benötigten Intensitätsverteilung berechnet werden kann. Insbesondere können dabei temperaturabhängige thermophysikalische und optische Materialeigenschaften sowie komplexe Geometrien berücksichtigt werden.

Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik wird dabei eine anwendungsnahe Umsetzung sichergestellt. Dadurch wurden die entwickelten Methoden beispielsweise bereits für die Anwendungen des Laserhärtens oder der laserbasierten Entfestigung experimentell validiert.

 
 

Weitere Forschungsthemen

Wellenoptischen Simulation einer Beleuchtungsszenerie mit zwei CDs Urheberrecht: © RWTH TOS Ergebnis einer wellenoptischen Simulation einer Beleuchtungsszenerie mit zwei CDs

Darüberhinausgehende Schwerpunkte der Gruppe Computational Optics sind

  • die Realisierung von Bildaufnahmen mit gesteigerter Auflösung mittels Ptychographie.
  • die Potentialanalyse von optischen neuronalen Netzen für die Prozessüberwachung und die Strahlformung.
  • die Entwicklung wellenoptischer Simulationsmodelle.
  • die Evaluation von Quanten-Algorithmen für Probleme im Optikdesign und der photonischen Produktion.