Simulationsbasierte Untersuchung der Dynamik von Hochleistungsobjektiven

Numerische Simulation von optischen Systemen, die dynamisch und thermisch beeinflusst werden.

Beschreibung

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.

Schematisches EMKS-Modell eines Lithographie-Objektivs
Schematisches EMKS-Modell eines Lithographie-Objektivs

Ähnliche Probleme kennt man auch aus der Fotografie, z. B. wenn das Bild verwackelt ist, weil beim Drücken des Auslösers die Kamera bewegt wurde. Zur Kompensation von diesen Bewegungen haben viele Objektive einen optischen Bildstabilisator. Dazu messen Sensoren die Bewegung der Kamera und die optischen Elemente werden entsprechend verschoben, um das Bild zu €žfixieren€œ. Bei Hochleistungsoptiken ist die Problemstellung allerdings deutlich komplexer, weil viele Bewegungen kaum gemessen werden können und die Ursachen nicht eindeutig festgelegt sind.

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.

Dynamisch-optische Simulation - Beispielbilder

Variierte optische Pfaddifferenz einer Linse

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© Luzia Hahn

Mithilfe der dargestellten variierten optischen Pfaddifferenz einer Einzellinse wird die Relevanz von spannungsbedingten Polarisationseffekten für eine transiente Optik bewertet.

Dynamisch-thermoelastisch-optischen System Simulation

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Simulationsergebnisse einer transienten dynamisch-thermoelastisch-optischen System Simulation. Von links nach rechts sind das Ergebnis der Elastischen Mehrkörpersimulation, das Ergebnis der thermoelastischen FE Simulation und das Ergebnis der geometrischen Bildsimulation abgebildet. Von oben nach unten zeigt jede Reihe einen späteren Zeitraum und zwischen den Reihen wurde jeweils eine Zeitperiode übersprungen.

Spannungseffekte in optischen Linsen

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Zeitsimulation der Änderung der Brechungsindizes entlang der drei Hauptspannungsrichtungen auf der Forderseite einer optischen Linse. Die Linse wird in abhängigkeit der Zeit deformiert und ist auf Grund der resultierenden mechanischen Spannungen doppeltbrechend.

Simulation eines angeregten elastischen Spiegels

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Dynamisch-optische Raytracing-Simulation eines angeregten elastischen Spiegels.

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 Dynamisch-optische Bild-Simulation eines angeregten elastischen Spiegels.

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Dynamisch-optische Wellenfront-Simulation eines angeregten elastischen Spiegels.

Dynamisch-optische Simulation eines Teleskopes mit angeregten Starrkörpersegmenten und Adaptiver Optik.

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Experiment: Regelung optischer Linsen

Experiment im ITM-Labor zur Untersuchung der Dynamikoptimierung eines Objektivs

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Kontakt

Dieses Bild zeigt Luzia Hahn

Luzia Hahn

M.Sc.

(2018 - 2023)

Dieses Bild zeigt Peter Eberhard

Peter Eberhard

Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h.
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