Simulation ist mehr als Software

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Optische Simulation bei CADFEM

Virtueller Licht-Blick

Ästhetik, Qualität, Sicherheit, Energiebedarf – solche Anforderungen sind bei vielen Produkten auch mit optischen Eigenschaften verknüpft. Und dabei reden wir nicht nur von Leuchten, Sensoren oder Kameras, sondern von vielen anderen Gütern, in denen Optikkomponenten verbaut sind und wichtige Funktionen erfüllen. Simulationen helfen, damit sie dies gut tun.

Simulation trägt entscheidend dazu bei, einzigartige, nachhaltige und innovative Produkte zu entwickeln und dabei im Vergleich zu traditionellen Entwicklungsprozessen massiv Zeit und Kosten einzusparen. Denn mit Simulation können Ideen unkompliziert ausprobiert, Varianten objektiv verglichen und auch kleinste Details analysiert werden. Für den nächsten Entwicklungsschritt wesentliche Erkenntnisse werden verlässlich am Bildschirm gewonnen, so dass sich die Anzahl an Versuchen mit oft teuren realen Prototypen auf ein Mindestmaß reduziert.

Was für Mechanik, Fluide oder elektromagnetische Felder gilt, ist auch in der Optik möglich. Simulation liefert die genannten Vorteile auch für die Entwicklung von Produkten, die in der einen oder anderen Form mit Licht arbeiten. Egal ob Leuchte, optischer Sensor, Kamera oder Laser – ist schon im Voraus das Lichtverhalten bekannt, können notwendige Änderungen bei Geometrie, Material oder Lichtquellen frühzeitig eingeleitet werden.

Simulationstools für verschiedene Anwendungen

So vielfältig wie die Anwendungen im Bereich Optik und Photonik sind die Herausforderungen an die Simulation. Dementsprechend stehen auch unterschiedliche Simulationstools zur Verfügung. ANSYS, Inc. hat dies früh erkannt und deckt ein großes Spektrum an Anwendungen von optischen Simulationen ab.

Die jeweiligen Softwarewerkzeuge gehören damit auch zum Portfolio von CADFEM als Ansys Elite Channel Partner. Angeboten werden sie nach dem bewährten CADFEM-Prinzip, d.h. mit allen begleitenden Beratungs- und Serviceleistungen durch Fachexperten. „Simulation ist mehr als Software“ geht in diesem Themengebiet sogar noch einen Schritt weiter: Denn in der CADFEM Zentrale befindet sich ein optisches Labor, in dem als weitere Dienstleistung die speziell für makroskopische optische Simulationen immens wichtigen Materialkennwerte fachkundig ermittelt werden.

Wenn man unterschiedlichste optische Anwendungen realitätsgenau abbilden möchte, dann muss die Simulation physikbasiert sein.

Dr. rer. nat. Ervand Kandelaki, Business Development Manager, CADFEM Germany GmbH

Photonik: Ansys Lumerical

Licht entsteht und verwandelt sich in verschiedene Energieformen in der mikroskopischen Welt. Bei solchen Phänomenen, die unter dem Begriff Photonik zusammengefasst werden, ist es entscheidend, den Wellencharakter von Licht zu berücksichtigen. Bei einzelnen Fragestellungen lohnt es sich auch, quantenphysikalische Methoden bei der Berechnung zu nutzen. In der Produktpalette von Ansys sind die Lumerical-Tools, die seit der Akquisition im Jahre 2020 Ansys-Produkte sind, genau auf diese Art von Simulation zugeschnitten. Die Eigenschaften von Beschichtungen, Lasern oder optischen Fasern können mit den Lumerical-Softwarewerkzeugen detailliert untersucht werden.

Optisches Design: Ansys Zemax OpticStudio

Eine zentrale Aufgabe vieler optischer Systeme ist es, die Realität auf visuell wahrnehmbare Weise abzubilden. Dies steht im Mittelpunkt der Entwicklung von Linsensystemen, Kameras und Objektiven. Solche abbildenden Systeme müssen präzise ausgelegt werden, damit die Strahlenführung abgestimmt ist und den jeweiligen technischen Anforderungen entspricht.

Die zugehörige technische Spezialdisziplin wird auch als optisches Design bezeichnet. Ende 2021 wurde das Ansys Simulationsangebot im Bereich Optik und Photonik gerade hier durch die Akquisition der Firma Zemax stark ergänzt. Zemax OpticStudio hat sich seit Jahren als das Tool für die Auslegung von Linsen- und Kamerasystemen einen Namen gemacht.

Makroskopische Optik: Ansys Speos

Während die Welt der Photonik sich in kleinen Dimensionen von etwa einem Mikrometer zeigt und abbildende Systeme wie Kameras im Bereich von Millimetern justiert werden müssen, leben wir in einer Welt von weit größeren Dimensionen. Wenn man nun den nächsten Schritt in der Hierarchie der physikalischen Skalen macht, stößt man in den Bereich der makroskopischen optischen Simulation vor. Hier geht es um die Frage, wie die unterschiedlichen Phänomene Reflexion, Absorption, Brechung und Streuung bei komplexen Systemen zusammenspielen.

02:50 minOptische Simulation mit Ansys SPEOS sorgt für Innovationen

Oft sind die Leuchtkraft und die Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung wichtig, in manchen Fällen interessiert man sich aber auch explizit für die Visualisierung von Objekten im Sinne der menschlichen Wahrnehmung. Beides kann mit dem Flagship-ToolAnsys Speos für allgemeine optische Simulation untersucht werden. Durch die jüngste technologische Entwicklung hat Speos einen starken zusätzlichen Leistungsauftrieb bekommen. Ganz besonders ist dabei die GPU-Compute Technologie zu nennen, die als Ergänzung zum etablierten CPU-Solver vollwertige Simulationsergebnisse auf GPU-Basis in Bruchteilen der üblichen Laufzeit liefert.

Wir führen für unsere Kunden optische Materialvermessungen und -modellierungen mit den vom Kunden gelieferten Proben durch, so dass diese korrekte Optik-Simulationen mit Ansys Speos und ähnlichen Programmen durchführen können.

Matthias Noak, Leiter Optiklabor, CADFEM Germany GmbH

Optische Materialmodelle: CADFEMs optisches Labor

Die Genauigkeit der optischen Simulation, insbesondere bei komplexen makroskopischen Systemen, ist stark von der Qualität der verwendeten Materialmodelle abhängig. Das trifft im großen Maße auch auf Speos-Simulationen zu. Bei Oberflächen kommt es oft auf die physik-basierte Abbildung der winkelabhängigen Reflexion an, die mithilfe der Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) beschrieben wird. Darüber hinaus sind auch Transmissions- und Streueigenschaften von großer Bedeutung.

In anderen Situationen ist es essenziell, die optischen Eigenschaften im Volumen zu modellieren, beispielsweise bei optischen Kunststoffen. Bei einzelnen Schichtsystemen kann man optische Eigenschaften mit den mikroskopischen Simulationen von Ansys Lumerical berechnen. In der Regel kann aber ein geeignetes optisches Materialmodell nur erstellt werden, indem man eine Messung durchführt. Für diesen Zweck wurde das CADFEM Optiklabor in Firmenzentrale in Grafing-Schammach aufgebaut. Dort können optische Materialvermessungen und -modellierungen mit realen Proben durchgeführt werden. Damit wird sichergestellt, dass CADFEM-Kunden die Möglichkeit haben, auch bei komplexen Materialien das genaue Materialmodell in Speos-Simulationen zu nutzen.

CADFEM hat mit dem neuen Optiklabor auch die Dienstleistungen der optischen Materialmodellierung übernommen, die in der Vergangenheit noch von Ansys selbst angeboten wurde. 

Zusammenfassung

In Summe betrachtet, ergeben sich durch die oben beschriebenen Entwicklungen weitreichende Konsequenzen für das Potential der optischen Simulation. Egal ob bei mikroskopischen Bauelementen, die man in der Photonik entwickelt, abbildenden Systemen mit detailliert ausgelegten Linsen oder makroskopischen optischen Systemen mit komplexen Beleuchtungssituationen – CADFEM liefert die passende Simulationslösung zu unterschiedlichen Herausforderungen. Zu dieser Lösung gehört auch das Know-how in Bezug darauf, wie man den mächtigen Ansys-Werkzeugkasten am besten einsetzt und durch genaue Materialmodellierung unterstützt. 

Autoren: Thorsten Reimann; Ervand Kandelaki; Alexander Kunz (CADFEM Germany GmbH)
Bilder: © CADFEM (Labor); Ansys (Software)
Veröffentlicht: November 2022

Kontakt CADFEM

Business Development Manager
Dr. rer. nat. Ervand Kandelaki