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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: Accuracy evaluation for sub-aperture interferometry measurements of a synchrotron mirror using virtual experiments
Autor(en): A. Wiegmann, M. Stavridis, M. Walzel, F. Siewert, T. Zeschke, M. Schulz;C. Elster
Journal: Precision Engineering
Jahr: 2011
Band: 35
Ausgabe: 2
Seite(n): 183--190
DOI: 10.1016/j.precisioneng.2010.08.007
ISSN: 01416359
Web URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014163591000125X
Schlüsselwörter: Interferometry,Simulation,Stitching,Virtual experiment,virtual experiment
Marker: 8.42,Form,SimOpt
Zusammenfassung: We present a virtual experiment for the accuracy assessment of the sub-aperture interferometric measurement of a synchrotron mirror involving several thousand sub-aperture topographies. The virtual experiment simulates the measurement process and accounts for the influence of positioning device errors, interferometer errors, non-perfect calibration of machine geometry as well as errors in the interferometer reference. Two principles are considered for reconstructing the form of a test specimen from the conducted sub-aperture topographies, a stitching procedure and a direct measurement method. The virtual experiments are applied to the task of absolute form measurement (including its radius of curvature) of a synchrotron mirror with a length of 30cm, a width of 4cm, a maximum curvature of about 44mm−1 and a peak-to-valley of 5mm. As a result, reconstruction accuracies can be expected to be in the range of 100nm when the stitching method is applied, which outperforms the direct measurement method by a factor of about 3.

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