Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

34 — Forschung Lehrstuhl für Optisches Systemdesign Prof. Dr. Herbert Gross Forschungsschwerpunkte  Methodik im optischen Systemdesign: für die Konzeption, Auslegung und Optimierung optischer Systeme werden Modelle, Algorithmen und Methoden entwickelt, die eine praxisorientierte Möglich- keit schaffen, entsprechende Instrumente zu entwickeln.  Freiformflächensysteme: symmetriefreie Oberflächen können seit kurzem technologisch beherrsch- bar gefertigt werden und werden in optischen Systemen eingesetzt, es müssen aber in fast allen Stufen der optischen Systementwicklung diese neuartigen Möglichkeiten durch entsprechende Ver- allgemeinerungen der Beschreibungen, Simulationsalgorithmen und Qualitätsbewertung erst unter- stützt werden.  Physikalisch-optische Simulationen: viele neuartige optische Systeme basieren auf physikalischen Wirkprinzipien, die man durch die traditionellen Verfahren der Geräteentwicklung nicht erfassen kann. Daher besteht an vielen Stellen die Notwendigkeit, physikalisch basierte Methoden in die Gerä- teentwicklung und die entsprechenden Modellierungen zu integrieren. In diesem Projekt wurden wesentliche inhaltliche Erweiterungen zur Beschreibung und Behandlung optischer Freiformsysteme zusammen mit Part- nern aus Wissenschaft und Industrie erarbeitet. Die wissenschaftlichen Arbeiten befassten sich mit der effizienten mathematischen Erfassung von symmetriefreien Flächen in optischen Syste- men sowohl für die Optimierung als auch für die Bewertung real gefertigter Komponenten (Abb.1). Es wurden die bekannten Beschreibungen in ei- nem Benchmark analysiert und bewertet, ferner wurden neuartige Ansätze entwickelt und er- probt. Speziell ist die Beschreibung, Bewertung und Behandlung realer Flächen ein wichtiger Schritt für die Systementwicklung und die Ver- knüpfung von Theorie und Technologie. Zudem wurden verschiedene Methoden erarbeitet, die die Erstellung sinnvoller erfolgversprechender Startsysteme ermöglicht, was eine wichtige Vor- aussetzung für die Entwicklung guter Lösungen ist. Durch die stark erweiterte Anzahl von Frei- heitsgraden sowie das völlige Fehlen von Erfah- rung mit dieser Art von Systemen ist es sehr schwierig, Ansätze zu finden, die nach der Opti- mierung die gewünschten Eigenschaften haben, eine Spezifikation erfüllen und technologisch rea- lisierbar sind (Abb.2). Dabei spielt die notwendi- ge Anzahl von Freiformflächen, ihre relative Posi- tion innerhalb des Systems sowie ihre günstigste Beschreibungsform eine wichtige Rolle. Forschungsprojekt Wachstumskern Freiformoptik plus Da ohne entsprechende Symmetrien die klassischen Annahmen bekannter Bildfehlerthe- orien nicht mehr erfüllt sind, muss eine neue Theorie entwickelt werden, die voll vektoriell for- muliert ist. Sowohl die Gesamtbewertung kom- pletter Freiformsysteme mit entsprechenden Variationen der Fehlertypen über das Bildfeld als auch die Analyse der Systemstruktur mit einer entsprechenden störungstheoretischen Zerle- gung der Fehler in ihre konstituierenden Be- standteile sind wichtige Hilfsmittel, die es im Optikdesign erlauben, die Lösungen zielgerichtet zu verbessern. Zusätzlich zu diesen Design- bezogenen Themen wurden im Rahmen des Pro- jektes auch Justage- und Montageprozesse si- muliert, um die Umsetzung der theoretischen Leistungsdaten in reale Systeme sicherzustellen. In diesem Sinne wurden auch weitergehende Tools, Algorithmen und Formate zusammen mit den Partnern entwickelt, die eine reibungslose Vernetzung der einzelnen Schritte in der Entwick- lungsprozesskette ermöglichen. [1] J. Stock, A. Brömel, J. Hartung, D. Ochse, H. Gross, Description and reimplementation of real freeform surfaces, Appl. Optics 56 (3), 391-396 (2017) [2] M. Oleszko, R. Hambach, H. Gross, Decomposition of the total wave aberration in generalized optical systems, J. Opt. Soc. Am. A 34 (9), 1490-1499 (2017) [3] A. Broemel, C. Liu, Y. Zhong, H. Gross, Freeform surface descriptions. Part II: Application benchmark, Adv. Opt. Techn. 6 (2017)