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Virtuelle Experimente

Arbeitsgruppe 8.42

Übersicht

In einem virtuellen Experiment wird ein Messprozess mathematisch modelliert und auf dem Computer simuliert. Dabei wird angestrebt, das physikalische Experiment möglichst realistisch abzubilden. Mittels virtueller Experimente lassen sich unterschiedliche Szenarien in einfacher Weise durchspielen und Messverfahren können so auf dem Computer entworfen und spezifiziert werden. Darüber hinaus lassen sich mit virtuellen Experimenten die Genauigkeiten realisierter Messsysteme abschätzen. Durch Sensitivitätsanalysen können dominante Unsicherheitsquellen identifiziert und quantitativ untersucht werden, was dann zur Optimierung eines Messsystems genutzt werden kann. Virtuelle Experimente sind auch bei der Entwicklung von Methoden der Datenanalyse für reale Experimente hilfreich. So können unterschiedliche Schätzverfahren unter realistischen Bedingungen verglichen und Annahmen über die Verteilung von Messwerten geprüft werden.

Virtueller Nachbau eines Tilted-Wave Interferometers (links) und eine virtuelle 3D Messung einer optischen Oberfläche (rechts) mittels SimOptDevice.

Forschung

Forschungsschwerpunkte in der Arbeitsgruppe 8.42 der PTB sind virtuelle Experimente für optische Messvorrichtungen und die zugehörige Entwicklung von Datenanalyseverfahren für die Messdatenauswertung. Hierzu wurde die Simulationsumgebung SimOptDevice als Softwarebibliothek entwickelt, mit der mittlerweile eine Vielzahl von Anwendungen für die Formmessung, Photometrie, sowie der Längen- und Koordinatenmesstechnik realisiert worden sind. SimOptDevice wird ständig gepflegt und in seiner Funktionalität erweitert. Ein aktueller Schwerpunkt bei den Anwendungen von SimOptDevice ist das Tilted-Wave Interferometer zur Messung von Asphären- und Freiformoberflächen. Dabei werden Datenanalyseverfahren zur Lösung des dazugehörigen inversen Problems, sowie zur Justage des Messverfahrens entwickelt und mittels virtueller Experimente erprobt. Weitere Forschungsfragestellungen in der Arbeitsgruppe 8.42 der PTB sind die Ermittlung von Messunsicherheiten bei realen Messungen unter Zuhilfenahme virtueller Experimente sowie die Untersuchung von Möglichkeiten, Methoden des „deep learning“ im Zusammenhang mit virtuellen Experimenten einzusetzen. So lässt sich etwa mittels virtueller Experimente eine große Datenbank generieren, die dann für das Trainieren eines neuronalen Netzes zur Auswertung experimenteller Daten genutzt werden kann.

Publikationen

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Artikel

Titel: Virtual experiment for near-field goniophotometric measurements
Autor(en): F. Schmähling, G. Wübbeler, M. Lopez, F. Gassmann, U. Krüger, F. Schmidt, A. Sperling;C. Elster
Journal: Applied optics
Jahr: 2014
Band: 53
Ausgabe: 7
Seite(n): 1481--7
Optical Society of America
DOI: 10.1364/AO.53.001481
ISSN: 1539-4522
Web URL: http://www.osapublishing.org/viewmedia.cfm?uri=ao-53-7-1481&seq=0&html=true
Schlüsselwörter: Gonio,Light-emitting diodes,Mathematical methods (general),Metrological instrumentation,Metrology,Photometry,virtual experiment
Marker: 8.4,8.42,Form
Zusammenfassung: Near-field goniometric measurements are employed to determine the photometric characteristics of light sources, i.e., the spatial and angular distribution of the emitted light. To this end, a complex measurement system consisting of a goniometer and a CCD-based imaging photometer is employed. In order to gain insight into the measurement system and to enable characterization of the whole measurement setup, we propose to apply a computer model to conduct virtual experiments. Within the computer model, the current state of all parts of the virtual experiment can be easily controlled. The reliability of the computer model is demonstrated by a comparison to actual measurement results. As an example for the application of the virtual experiment, we present an analysis of the impact of axial malpositions of the goniometer and camera.

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