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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: Absolute profile measurement of large moderately flat optical surfaces with high dynamic range
Autor(en): A. Wiegmann, M. Schulz;C. Elster
Journal: Optics Express
Jahr: 2008
Band: 16
Ausgabe: 16
Seite(n): 11975
Optical Society of America
DOI: 10.1364/OE.16.011975
ISSN: 1094-4087
Web URL: http://www.osapublishing.org/viewmedia.cfm?uri=oe-16-16-11975&seq=0&html=true
Schlüsselwörter: Image recognition,Instrumentation,Interferometry,Metrology,Surface measurements,algorithms and filters,and metrology,figure,measurement
Marker: 8.42, Form, SimOpt
Zusammenfassung: We present a novel procedure for absolute, highly-accurate profile measurement with high dynamic range for large, moderately flat optical surfaces. The profile is reconstructed from many sub-profiles measured by a small interferometer which is scanned along the specimen under test. Additional angular and lateral distance measurements are used to account for the tilt of the interferometer and its precise lateral location during the measurements. Accurate positioning of the interferometer is not required. The algorithm proposed for the analysis of the data allows systematic errors of the interferometer and height offsets of the scanning stage to be eliminated and it does not reduce the resolution. By utilizing a realistic simulation scenario we show that accuracies in the nanometer range can be reached.

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