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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: Evaluation of absolute form measurements using a tilted-wave interferometer
Autor(en): I. Fortmeier, M. Stavridis, A. Wiegmann, M. Schulz, W. Osten;C. Elster
Journal: Opt. Express
Jahr: 2016
Band: 24
Ausgabe: 4
Seite(n): 3393--3404
OSA
DOI: 10.1364/OE.24.003393
Web URL: http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=oe-24-4-3393
Schlüsselwörter: Interferometry; Metrology; Surface measurements, figure; Aspherics
Marker: 8.42,Form,EMRP-Form
Zusammenfassung: Tilted-wave interferometry is a promising measurement technique for the highly accurate measurement of aspheres and freeform surfaces. However, the interferometric fringe evaluation of the sub-apertures causes unknown patch offsets, which currently prevent this measurement technique from providing absolute measurements. Simple strategies, such as constructing differences of optical path length differences (OPDs) or ignoring the piston parameter, can diminish the accuracy resulting from the absolute form measurement. Additional information is needed instead; in this paper, the required accuracy of such information is explored in virtual experiments. Our simulation study reveals that, when one absolute OPD is known within a range of 500 nm, the accuracy of the final measurement result is significantly enhanced.

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