Automatisierte Auslegung optischer Systeme aus Kataloglinsen

• Automated design of optical systems made of stock lenses

König, Hans-Georg Manfred; Loosen, Peter (Thesis advisor); Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die zunehmende Durchdringung des Alltags und des industriellen Umfelds mit auf optischen Wirkprinzipien basierenden Anwendungen sorgt für einen gestiegenen Bedarf an individuellen optischen Systemen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit eine Methode zur Auslegung individueller optischer Systeme auf Basis von Kataloglinsen unter Nutzung von Heimcomputern für nichtfachkundige Personen entwickelt. Dazu werden zunächst herkömmliche Auslegungsprozesse analysiert und jene Prozessschritte identifiziert, welche von nichtfachkundigen Personen ohne die im Rahmen der Arbeit zu entwickelnde Methode nicht durchgeführt werden können. Der Ansatz der neuen Methode besteht darin, die geeignetste Linsenkombination aus der Gesamtheit aller Kombinationsmöglichkeiten an Kataloglinsen zu identifizieren. Hierfür werden mehrere Filter nacheinander entwickelt und genutzt, die bezüglich ihres Berechnungsaufwands in aufsteigender Reihenfolge eingesetzt werden. Dabei verringert sich die Anzahl der Linsenkombinationen nach jedem Einsatz eines Filters. Um die neuentwickelte Methode auf Heimcomputern nutzen zu können, wird eine Ausführungsform für die effiziente Umsetzung auf Heimcomputern entwickelt. Dabei wird zum einen das gemischt kontinuierlich-diskrete Optimierungsproblem der Auslegung optischer Systeme aus Kataloglinsen durch die analytische Beschreibung der Abstände in einem dreilinsigen System auf ein diskretes Optimierungsproblem zurückgeführt. Des Weiteren wird eine neue Methode zur effizienten Lösung diskreter Optimierungsprobleme, die pseudovollständige Enumeration, entwickelt. Als drittes wird im Rahmen einer Studie, in welcher verschiedene Methoden zur Robustheitsanalyse verglichen werden, die Sensitivitätsanalyse als effizienter Ersatz für die häufig in kommerziellen Entwicklungsumgebungen eingesetzte, rechenaufwändige Monte-Carlo Analyse identifiziert. Die beschriebene Ausführung der entwickelten Methode wird in eine Entwicklungsumgebung überführt. Diese Entwicklungsumgebung weist für eine benutzerfreundliche Interaktion mit dem Anwender eine grafische Benutzeroberfläche für die Eingabe der Anforderungen und die Darstellung der ausgelegten optischen Systeme auf. Zur Verifizierung der entwickelten Methode und der Entwicklungsumgebung werden verschiedene optische Systeme für die Lasertechnik ausgelegt und die Ergebnisse mit einem kommerziellen Computerprogramm zur Auslegung optischer Systeme verglichen. Die mit der Entwicklungsumgebung ausgelegten optischen Systeme erfüllen die Anforderungen und die Berechnungen der optischen Pfaddifferenz stimmen in den untersuchten Testfällen mit der Genauigkeit einer Tausendstel Wellenlänge überein.