Simulationsbasierte Untersuchung der Dynamik von Hochleistungsobjektiven

Hochleistungsobjektive sind hochauflösende optische Systeme, die aus präzise geschliffenen und präzise positionierten Linsen und Spiegeln bestehen. Präzise bedeutet hier bis in den unteren Nanometerbereich. Ein gutes Beispiel sind Lithographieobjektive für die Herstellung von modernen Mikrochips. Sie erfordern extrem hohe Genauigkeiten, um zuverlässig scharfe Abbildungen bei höchster Auflösung zu gewährleisten. Dadurch sind diese Systeme jedoch sehr störanfällig. Das heißt, dass kleinste Vibrationen von Linsen und Spiegel schon ausreichen können, um fehlerhafte Abbildungen zu erzeugen. Ursachen für diese kleinen Schwingungen können schon minimale Anregungen am Objektivgehäuse sein, beispielsweise Lüftergeräusche.

Außerdem können auch thermische Störungen zu fehlerhaften Abbildungen führen. Die Ursache dafür kann beispielsweise eine veränderte Umgebungstemperatur sein an die sich das optische System erst anpassen muss. Alternativ kann auch die steigende Energie der angewandten Laser in optischen Systemen zu thermische Störungen durch Absorption der Lichtenergie in den optischen Elementen führen.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Schnittstellen zwischen Dynamik-, Thermoelastik- und Optiksimulationen. Für die Simulation der Dynamik eines Objektivs wird die Methode der Elastischen Mehrkörpersysteme (EMKS) verwendet. Dadurch können Starrkörperbewegungen, Deformationen und Spannungen berücksichtigt werden. Für die thermoelastische Simulation werden Finite Elemente Methoden (FEM) angewandt. So können thermische deformationen und die Änderung des Brechungsindex auf Grund der geänderten Temperatur mitberücksichtigt werden. Der Einfluss der dynamischen und thermischen Störungen auf optische Abbildungen wird mittels Strahlengangberechnung (engl.: ray tracing) untersucht. Hierfür müssen die Ergebnisse aus der dynamischen und der thermischen Simulation entsprechend aufbereitet werden.