Sensitivität & Toleranz

Ein bezüglich der geforderten Leistungskriterien optimiertes optisches Design, kann diese in Anbetracht der Fertigungstoleranzen oder Einflüsse unter realen Einsatzbedingungen komplett verfehlen. Eine niedrige Ausbeute von anforderungskonformen Teilen mag im Fall eins Prototypen noch akzeptabel sein, kann aber für die Serienproduktion auf Grund der erhöhten Produktkosten schon bei mittleren Stückzahlen ein K.-o.-Kriterium bedeuten.

Außerdem können selbst Produkte, welche die optischen Vorgaben unter kontrollierten Laborbedingungen erfüllen, unbrauchbar sein, wenn sie zu sensibel auf Vibrationen oder Temperaturschwankungen reagieren, wie sie typischerweise im praktischen Einsatz auftreten. Wir können Ihnen helfen, die durch thermische oder strukturelle Effekte sowie Produktions- und Integrationsvarianzen verursachten Abweichungen mittels Sensitivitäts- und Toleranzanalyse zu berücksichtigen.

Fahrlicht Hochleistungsmodul mit 3 LED-Emittern.
Fahrlicht Hochleistungsmodul mit 3 LED-Emittern und Angabe der Toleranzmaße für die Platzierung der Komponenten.
*doi: 10.1117/12.3014257
Gerg Nanolight Lichtleiterkomponente.
Gerg Nanolight Lichtleiterkomponente mit Toleranzmaßen der Kantenradien.
*doi: 10.1117/12.3014257

Unsere Dienstleistungen umfassen:

  • Untersuchung der Fertigungsvarianz von Komponenten
  • Bestimmung der kritischen Toleranzparameter einer Baugruppe
  • Ermittlung von kritischen Toleranzparametern bezüglich äußerer Einflüsse
  • optische Simulationen über den Toleranzbereich der kritischen Parameter
  • Simulationsanalyse zur Ermittlung eines Toleranz optimierten Designs

Die Optimierung eines optischen Systems bezüglich vorgegebener Leistungskriterien führt häufig zu einem Design, das empfindlich auf Varianzen der Designparameter reagiert, da der Optimierungsprozess zu einem steilen Maximum im Parameterraum geführt hat. Hierdurch kann sich die Leistung bereits erheblich verschlechtern, wenn einer der kritischen Designparameter nur wenig variiert. Daher ist es wünschenswert, ein Design zu entwickeln, das ein flaches Maximum der Leistungswerte im Parameterraum aufweist.

In einem ersten Schritt werden die Toleranzparameter bestimmt und quantifiziert. Danach führen wir zur Bestimmung der kritischen Parameter optische Simulationen durch, die den Bereich der ermittelten Toleranzen abdecken. Bereits dabei können schlechte Designs verworfen werden oder sich Möglichkeiten für Veränderungen des Designs herausstellen, die das System robuster machen. Die Wechselwirkung der kritischen Parameter wird durch weitere Simulationen genauer untersucht, um Rückschüsse auf notwendige Veränderungen des Designs zu ziehen.

Ergebnisse optischer Simulationen visualisiert mit dem Programm dviz.
Visualisierung der Simulationsergebnisse für verschiedene Parameterkombinationen mit dem Programm dviz. Die Software ermöglicht nicht konforme Konfigurationen auszublenden und die Wechselwirkung von mehrdimensionalen Parametervariationen zu visualisieren.
*doi: 10.1117/12.3014257
2D Schnitt des mehrdimensionalen Parameterraums visualisiert mit dviz.
Ein 2-dimensionaler Schnitt des mehrdimensionalen Parameterraums zur Untersuchung der Variation kritischer Leistungswerte in Abhängigkeit zweier Parameter. Hiermit können 2 Leistungswerte gemeinsam visualisiert werden, einer entlang der z-Achse und der andere Farbcodiert.
*doi: 10.1117/12.3014257

Ein von uns entwickeltes Programm ermöglicht die Visualisierung des multidimensionalen Parameterraums, der von den Simulationsergebnissen gebildet wird.

Das Programm ermöglicht die freie Auswahl der zu visualisierenden Dimensionen, die Darstellung von Schnittebenen an beliebigen Positionen und die Anwendung von Leistungskriterien, um nicht konforme Bereiche des Parameterraums auszublenden.

Verteilung der Beleuchtungsstärke für eine bestimmte Kombination von Parameterwerten.
Verteilung der Beleuchtungsstärke für eine bestimmte Kombination von Parameterwerten. Durch Auswahl eines Punkts im Parameterraum kann die zugeordnete Beleuchtungsstärkeverteilung der entsprechenden Simulation dargestellt werden.
*doi: 10.1117/12.3014257
Flächendarstellung der Punktwolke eines 2-dimensionealen Schnitts.
Flächendarstellung der Punktwolke eines 2-dimensionealen Schnitts zur verbesserten Visualisierung flacher Regionen, die nur eine geringe Variation der betrachteten Leistungswerte aufweisen.
*doi: 10.1117/12.3014257

Die Visualisierung hilft zu verstehen, welche Elemente des System Designs modifiziert werden müssen, um einen flachen Bereich im Parameterraum zu erreichen, der die geforderten Leistungskriterien erfüllt.

*doi: 10.1117/12.3014257 Development of cost-efficient micro-optics for headlight systems, SPIE Optical Systems Design 2024
doi: 10.1117/12.2296071 Tackling sun intrusion: a challenge of close collaboration of thermal, mechanical, structural and optical engineers, International Conference on Space Optics - ICSO 2016
doi: 10.1515/aot-2018-0039 Stray light and ghosts in catadioptric spectrometers incorporating grating scatter measurements into simulations and ghost sensitivity into system design, J. Adv. Opt. Techn. 2018