Damit nichts ins Auge geht – Simulationen bei optomechanischen Systemen

Optomechanische Systeme sind Kombinationen von optischen und mechanischen Komponenten, die zur Steuerung und Regelung noch durch elektronische oder elektromechanische Bauteile ergänzt werden.

Klingt kompliziert, ist aber im Grunde genommen einfach: Ihre Brille ist das Linsensystem, Ihre Hand der Verstellungsmotor und Ihr Gehirn, das Ihnen sagt, dass Sie jetzt scharf sehen, die Steuerungselektronik. Um das Beispiel noch weiter zu bedienen, die Wärme in ihrem Bauch vom Schnitzel des Vorabends ist die Leistungselektronik, welche die Energie bereitstellt und Verlustwärme produziert.

Der Einsatzbereich optomechanischer Systeme ist vielfältig. Von der Kamera über Sensoren hin zu Mikroskopen, Messgeräten und Lithographie-Optiken, vom Zielfernrohr auf dem Jagdgewehr bis zur Zielerfassung bei Panzer, Schiffen, Flugzeugen und Drohnen. Auch der Weltraum bleibt nicht verschont, die Augen von Satelliten sind hochpräzise optomechanische Spiegel und Kamerasysteme, wie z.B. das Hubble Teleskop.

Die Gemeinsamkeit ist die geforderte Genauigkeit optomechanischer Systeme, die durch kleinste Störungen negativ beeinflusst wird.

Die Präzision, mit der optische Linsen geschliffen werden, nützt nichts, wenn die optischen Achsen sich aufgrund von inneren und äußeren Einflüssen bei der Montage oder im Betrieb verschieben oder verdrehen.

Was tut nun genau einem optomechanischen Linsensystem weh? Insbesondere eine Verdrehung der Achsen zueinander ist kritisch, während die axiale Ausrichtung oft über die Mechanik korrigiert werden kann. Bei einem Fernglas oder einer Kamera wird zum Scharfstellen der Linsenabstand in axialer Richtung (durch Drehen des Rades) verändert. Verkippen aber die Achsen zueinander, weil sich das Gehäuse einseitig erwärmt, besteht kaum eine Möglichkeit, diesen Effekt zu kompensieren.

Bei unserem Beispiel: Bewegen Sie die Brille axial, also vom Auge weg und dann verdrehen Sie sie. Für alle diejenigen, die keine Brille haben, klauen Sie sich eine von Ihrer Nebenfrau oder Ihrem Nebenmann.

Wie kann es aber dazu kommen, dass die optischen Linsen nicht mehr ganz zueinander passen?

Da sind im Wesentlichen 3 Mechanismen am Werk:

• Verzug bei der Montage
• Thermischer Verzug
• Verformungen bei Eigengewicht, Beschleunigung, Vibrationen oder Schock

Je nach Einsatzgebiet dominiert die ein oder andere Seite.

Bei industriellen Messgeräten oder der Lithographie sind bereits kleinste Temperaturänderungen kritisch. Eine optomechanische Zieloptik in einem Panzer kämpft dagegen eher gegen die rauen Schockbedingungen im Einsatz (der Schlag auf den Hinterkopf beim Brillenträger…).

Ein optomechanisches Kamerasystem eines Satelliten sieht sich großen Belastungen beim Raketenstart ausgesetzt und muss im Orbit mit einseitiger Sonneneinstrahlung zurechtkommen. Löst sich gar eine Lötverbindung aufgrund von Vibrationen beim Raketenstart, kann das dazu führen, dass Weltraumschrott in Höhe von hunderten von Millionen Euro entsteht. Nicht immer ist dann eine Reparatur wie beim Hubble Teleskop möglich, dem einfach Augengläser aufgesetzt wurden. Dazu muss es sich aber in der Erdnähe befinden. Eine Sonde auf dem Weg zum Mars findet unterwegs zumindest keine bisher bekannte Reparaturwerkstatt.

Schauen wir uns die einzelnen Mechanismen etwas genauer an.

Thermischer Verzug entsteht durch Temperaturen im Bauteil. Besteht eine Baugruppe aus unterschiedlichen Werkstoffen (Linsen aus Glas, Gehäuse aus Metall), so reicht es schon, diese gleichmäßig zu erwärmen, um einen Verzug aufgrund thermischer Dehnungen zu bekommen.

Erwärmt sich nun die Baugruppe lokal durch die Verlustleistung der Elektronik oder der Stellmotoren optomechanischer Systeme oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen (Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperatur) im Betrieb, kommt es zu einer zeitlichen Änderung der optischen Fehler.

Dieser thermische Verzug kann stationär oder transient, also zeitabhängig simuliert werden.

Ob die Temperaturfelder dabei über FEM-Modelle oder Strömungssimulationen berechnet werden, ist eine Frage der Genauigkeitsanforderung.

Der Weg über die Strömungssimulation ist in der Regel genauer, aber auch aufwändiger. Hier muss man von Fall zu Fall entscheiden.

Hier hinkt mein Brillenbeispiel leider. Wenn Sie Fieber haben, sehen Sie schlechter, aber mehr wegen der Kopfschmerzen (Steuerungselektronik) und weniger wegen des thermischen Verzugs. Das müssen Sie mir jetzt leider einfach so glauben.