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Automatisierte Auslegung optischer Systeme aus Kataloglinsen = Automated design of optical systems made of stock lenses
2021 & 2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-28
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01193
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840331/files/840331.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
automated lens design (frei) ; fresh approach (frei) ; lens design (frei) ; stock lenses (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die zunehmende Durchdringung des Alltags und des industriellen Umfelds mit auf optischen Wirkprinzipien basierenden Anwendungen sorgt für einen gestiegenen Bedarf an individuellen optischen Systemen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit eine Methode zur Auslegung individueller optischer Systeme auf Basis von Kataloglinsen unter Nutzung von Heimcomputern für nichtfachkundige Personen entwickelt. Dazu werden zunächst herkömmliche Auslegungsprozesse analysiert und jene Prozessschritte identifiziert, welche von nichtfachkundigen Personen ohne die im Rahmen der Arbeit zu entwickelnde Methode nicht durchgeführt werden können. Der Ansatz der neuen Methode besteht darin, die geeignetste Linsenkombination aus der Gesamtheit aller Kombinationsmöglichkeiten an Kataloglinsen zu identifizieren. Hierfür werden mehrere Filter nacheinander entwickelt und genutzt, die bezüglich ihres Berechnungsaufwands in aufsteigender Reihenfolge eingesetzt werden. Dabei verringert sich die Anzahl der Linsenkombinationen nach jedem Einsatz eines Filters. Um die neuentwickelte Methode auf Heimcomputern nutzen zu können, wird eine Ausführungsform für die effiziente Umsetzung auf Heimcomputern entwickelt. Dabei wird zum einen das gemischt kontinuierlich-diskrete Optimierungsproblem der Auslegung optischer Systeme aus Kataloglinsen durch die analytische Beschreibung der Abstände in einem dreilinsigen System auf ein diskretes Optimierungsproblem zurückgeführt. Des Weiteren wird eine neue Methode zur effizienten Lösung diskreter Optimierungsprobleme, die pseudovollständige Enumeration, entwickelt. Als drittes wird im Rahmen einer Studie, in welcher verschiedene Methoden zur Robustheitsanalyse verglichen werden, die Sensitivitätsanalyse als effizienter Ersatz für die häufig in kommerziellen Entwicklungsumgebungen eingesetzte, rechenaufwändige Monte-Carlo Analyse identifiziert. Die beschriebene Ausführung der entwickelten Methode wird in eine Entwicklungsumgebung überführt. Diese Entwicklungsumgebung weist für eine benutzerfreundliche Interaktion mit dem Anwender eine grafische Benutzeroberfläche für die Eingabe der Anforderungen und die Darstellung der ausgelegten optischen Systeme auf. Zur Verifizierung der entwickelten Methode und der Entwicklungsumgebung werden verschiedene optische Systeme für die Lasertechnik ausgelegt und die Ergebnisse mit einem kommerziellen Computerprogramm zur Auslegung optischer Systeme verglichen. Die mit der Entwicklungsumgebung ausgelegten optischen Systeme erfüllen die Anforderungen und die Berechnungen der optischen Pfaddifferenz stimmen in den untersuchten Testfällen mit der Genauigkeit einer Tausendstel Wellenlänge überein.As everyday life and various industries are increasingly relying on applications based on optical principles, the demand for individual optical systems rises. To meet this demand, this dissertation focuses on developing a method for non-expert users to be able to design individual optical systems based on stock lenses using personal computers. To do so, conventional lens design processes are analyzed to identify those process steps which cannot be performed by non-experts. The approach of the newly developed method is to identify the most suitable lens combination from the entity of all possible combinations of stock lenses. For this purpose, several filters are developed, applied subsequently and in ascending order with respect to their computational effort. Thereby, the number of lens combinations decreases after each use of a filter. In order to be able to use the newly developed method on personal computers, a specific version is developed. Importantly, the mixed continuous-discrete optimization problem of designing optical systems from catalog lenses is therefore reduced to a discrete optimization problem by analytically describing the distances in a three-lens system. Furthermore, a new method for the efficient solution of discrete optimization problems, the pseudo-complete enumeration, is developed. In a last step, a study is carried out, comparing different methods for robustness analysis. Here, sensitivity analysis is identified as an efficient replacement for the computationally expensive Monte Carlo analysis often used in commercial development environments. The described version of the developed method is subsequently transferred to a development environment. This development environment features a graphical user interface, enabling the user to enter the requirements and visualize the designed optical systems in a user-friendly fashion. To verify the new method and the development environment, various optical systems for laser technology are designed and the results are compared with a commercial computer program for designing optical systems. It can be shown that the optical systems designed with the development environment meet the requirements and the calculations of the optical path difference agree to within one-thousandth wavelength accuracy in the test cases studied.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT021220185
Interne Identnummern
RWTH-2022-01193
Datensatz-ID: 840331
Beteiligte Länder
Germany
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