Voller Durchblick dank OpticStudio

Berechnung und Optimierung von Infrarotlinsen mit Ansys

Infrarotsensoren finden sich an vielen Stellen, an denen man sie nicht erwartet. Bei der Messung und Visualisierung von Temperaturen oder Temperaturunterschieden werden Thermopilesensoren eingesetzt - etwa von Heimann Sensor. Die dazugehörigen Infrarot-Optikelemente werden mit Hilfe von Ansys Zemax OpticStudio entwickelt.

Während bei Heimann in Dresden die eigentlichen Sensorelemente als mikro-elektromechanisches System entwickelt, gefertigt und getestet werden, sitzen in Eltville die Anwendungsentwicklung, der Musterbau und die Kalibrierung. Ist ein Serienprodukt fertig entwickelt, wird es in der Fertigungsstätte in Johor Bahru in Malaysia in sehr großen Stückzahlen gefertigt - in Hochzeiten sind drei Millionen Sensoren pro Monat für die beiden dortigen Fertigungslinien keine ungewöhnliche Losgröße.

Winzige Sensoren des Herstellers sitzen beispielsweise in Haartrocknern und messen dort die Temperatur des Luftstroms. Weitwinkelsensoren überwachen ganze Großraumbüros und erkennen, wenn alle Personen den Raum verlassen haben, um dann Licht und Heizung herunterzufahren. In Zeiten von Corona wurden große Mengen dieser Sensoren mit bis zu 160 x 120 Pixeln genutzt, um Menschen zu scannen. Die Sensoren können die Körpertemperatur messen und Fiebernde erkennen, gleichzeitig ist die Auflösung der Sensoren so dimensioniert, dass Personen detektiert, jedoch nicht identifiziert werden können, um Datenschutzprobleme zu vermeiden. Zudem wurden Millionen von Fieberthermometern verkauft, die, wenn sie im Ohr messen, ebenfalls mit einem Heimann­Sensor ausgestattet sind.

Die Entwicklungs- und Optikingenieure Lisa Kohlmann, Roman Funk und Frederik Pelke entwickeln die Optiken, die entscheidend für die Erfassungsgenauigkeit und den Blickwinkel der Sensoren sind. Funk erläutert die Besonderheiten: "Auf der einen Seite haben wir es mit ganz üblicher Optik zu tun, mit Brennweite, Blende und Fokuspunkt. Andererseits ist herkömmliches Glas für Infrarotstrahlen intransparent und wir nutzen beispielsweise Silizium, Germanium oder Chalkogenide. Deren Werkstoffdaten benötigen wir dann natürlich, um unsere Linsen zu berechnen."

Standardsensoren werden zu Sonderlösungen

Das Team ist gefragt, wenn es darum geht, aus der Vielfalt der Standardsensoren eine Sonderlösung zu entwickeln. "Dann kommt üblicherweise ein Kunde mit einem bestimmten Anforderungsprofil zu uns", erläutert Kohlmann, "und liefert uns beispielsweise die Größe des Erfassungsbereichs, den Abstand des Sensors zum Messpunkt und den gewünschten Messbereich. Passend dazu wählen wir einen Sensor und berechnen eine Optik, die die gewünschten Eigenschaften bietet."

Auflösung und Genauigkeit der Messung hängen stark von der Qualität der Optik ab, aber auch von der Brennweite. Die Optiken haben bis zu 120 Grad Blickwinkel, allerdings erreichen diese nie die Temperaturgenauigkeit von Sensoren mit einer Optik, die nur 40 Grad Blickwinkel hat. So müssen die Entwickler ihre Erfahrung einbringen, um in jedem Einsatzszenario die optimale Optik zu finden. Dabei spielt nicht zuletzt der für die Optik verfügbare Platz eine große Rolle.

Zur Berechnung der Optiken nutzen die Mitarbeiter Zemax OpticStudio von Ansys. Die Installation wird von INNEO betreut. Kohlmann nennt einen wichtigen Grund für diese Software: "OpticStudio hat den entscheidenden Vorteil, dass es eine riesige Materialdatenbank mitbringt, in der die meisten unserer speziellen Werkstoffe mit ihren physikalischen und optischen Kennwerten schon enthalten sind. Fehlende Werkstoffe können wir zudem selbst einbinden". Bei der Berechnung nutzt Frederik Pelke die Optimierungsfunktionen in OpticStudio: "Wir geben unsere Optimierungsparameter ein und lassen dann das System die Parameter variieren, um ein Optimum zu finden. Diese Arbeit, die händisch einige Tage dauern würde, erledigt die Software in wenigen Minuten."

Optimierungsparameter sind in der Simulation fest hinterlegt

Das System ist mit einer Vielzahl von Randbedingungen vordefiniert, die beispielsweise die Grenzen der Fertigung definieren. Funk erläutert: "Eine Linse kann nicht beliebig dünn werden, der Durchmesser ist limitiert und auch die Krümmung kann nicht zu groß sein. Solche Vorgaben sind in den Optimierungsparametern unserer Simulationen fest hinterlegt, sodass wir sicher sein können, dass die Ergebnisse unserer Berechnung keine Herstellungsprobleme verursachen." Nachdem die Ergebnisse der kurzen lokalen Optimierung überprüft wurden, wird eine detaillierte Optimierung gestartet. Diese läuft wesentlich länger und wird üblicherweise über Nacht gestartet. "Wir haben Vorgabetabellen erstellt, mit denen wir sehr schnell Berechnungen initialisieren können", ergänzt Pelke, "und so schaffen wir es, praktisch rund um die Uhr Berechnungen laufen zu lassen."

Linsen aus Siliziumwafern haben nur drei Millimeter Durchmesser

Immer wieder entstehen neue Fertigungstechnologien, so lassen sich inzwischen Linsen aus Siliziumwafern ätzen. Diese haben lediglich drei Millimeter Durchmesser, können aber 32 x 32 Pixel auflösen und sind sehr preiswert. "Wir bauen Optiken mit solchen Linsen auf", erläutert Kohlmann, "und charakterisieren sie dann in unserem hauseigenen Teststand. Die Ergebnisse vergleichen wir mit der Berechnung, die ja das Optimum darstellt, und können so beispielsweise Fertigungstoleranzen ermitteln."

Diese Messungen werden auf verschiedene Weise genutzt: Zum einen lassen sich die Grenzen der Toleranzen austesten - also, wann das Ergebnis der Abbildungsqualität nicht mehr ausreicht, um die Vorgaben zu erreichen. Zum anderen lassen sich fehlerhafte Linsen vermessen und der Strahlengang dann in dem Tool nachbilden. Auf diese Weise lassen sich Fehler erklären und die Fertigung entsprechend verbessern.

Roman Funk sagt: "OpticStudio ist ein Multifunktionshilfsmittel für uns. Von der Entwicklung in die Produktion, zurück in die Entwicklung sowie in der Qualitätskontrolle - überall unterstützt uns die Simulation. Gerade auch in der Angebotsphase ist OpticStudio ein wichtiges Werkzeug, denn wir können mit einer schnellen Simulation berechnen, ob sich die Anforderungen des Kunden verwirklichen lassen, ohne einen Prototypen bauen und im Teststand vermessen zu müssen."

Seit dem Jahr 2023 arbeiten die Unternehmen zusammen, nachdem die Betreuung von Ansys an das Ellwangener Systemhaus übergegangen war. "Die Zusammenarbeit hat sich als sehr fruchtbar erwiesen", erinnert sich Roman Funk, "so konnte uns INNEO eine sehr gute Lösung zeigen, mit der wir Geometrien zwischen OpticStudio und unserem CAD-System austauschen können." Der Anbieter habe bereits weitere Ideen zur Nutzung der Ansys-Simulationen geliefert. "Ich habe über die Jahre schon mehr als 15.000 Simulationen damit berechnet- die Software ist so logisch zu bedienen, dass man vieles einfach mal ausprobieren kann."