Optik, Strahlung, Wärme

Fraunhofer ITWM

Freiformlinsen oder -reflektoren können zur gezielten Ausleuchtung von Flächen gemäß einer fixen Vorgabe benutzt werden. Da keine weiteren Elemente zum Projizieren oder Abblenden erforderlich sind, erreicht man mit Freiformoptiken eine optimale Lichtausbeute mit einer minimalen Optik. Aber wie muss die Oberfläche einer Linse oder eines Reflektors aussehen, um das Licht entsprechend zu verteilen? Das Fraunhofer ITWM hat einen sehr schnellen, robusten Algorithmus entwickelt und in Software implementiert, der das geforderte Beam Shaping beherrscht.

Neben dem Optikdesign und Strahlung im sichtbaren Bereich beschäftigt sich der Schwerpunkt mit dem Strahlungstransport im infraroten Bereich, der Wärmestrahlung, und mit Wärmeleitung.

Wärmestrahlung muss in vielen Anwendungen berücksichtigt werden:

  • die Abkühlung von Glas erfolgt neben Wärmeleitung im Wesentlichen durch Wärmestrahlung
  • die Hyperthermie verwendet Laserstrahlung, um Tumoren gezielt durch Wärme zu zerstören.

So führt eine falsche Glaskühlung zu ungewollten thermischen Spannungen und zur möglichen Zerstörung des Produkts. Kommerzielle Softwaretools sind oftmals nicht in der Lage Probleme, bei denen Wärmestrahlung berücksichtigt werden muss, effizient zu lösen. Die Entwicklung numerischer Verfahren, die den Anforderungen der Praxis gerecht werden, ist eine Kompetenz dieses Schwerpunkts. Die im Bereich der Wärmeleitung gesammelten Erfahrungen können auch für Diffusionsprozesse genutzt werden. Als Beispiel sei hier die Pharmakokinetik im Innenohr nach lokaler Medikamentenapplikation genannt.

Sehr oft sind die für eine Simulation notwendigen Materialparameter unbekannt und können auch nicht durch eine direkte Messung bestimmt werden. Eine Spezialität des Schwerpunkts ist das Lösen solcher so genannter inverser Fragestellungen, wie der Parameteridentifikation oder eben auch das oben beschriebene Optikdesign.

Die nachfolgenden Beispiele geben einen kleinen Einblick in die Arbeit des Schwerpunkts.

Projekte

  • Strahlungstransport bei der Abkühlung von Glas

    Der zeitliche Verlauf des Abkühlvorgangs von Glasschmelzen hat einen wesentlichen Einfluss auf die späteren Qualitätsmerkmale des Endprodukts. Starke Temperaturgradienten im Glas können zu Spannungen führen, die die Weiterverarbeitung der Rohlinge zu optischen Qualitätsgläsern unmöglich machen.

  • Strahlungstransport in streuenden Medien

    Die Herstellung, Bearbeitung und auch die Verwendung von Glas und keramischen Werkstoffen als feuerfeste Materialien wird wesentlich durch Strahlungstransportprozesse beeinflusst. Die Abkühlung von heißen Glasschmelzen erfolgt im Wesentlichen durch Strahlung.

  • Lokale Medikamentenapplikation am Innenohr

    Erkrankungen des Innenohrs, wie beispielsweise Hörsturz mit oder ohne Tinnitus, gehören in Deutschland zu den häufigsten chronischen Erkrankungen. Derzeit verwendete Therapiemethoden beinhalten u.a. intravenöse Infusionen, deren Wirkungsweise allerdings nicht unumstritten ist.

Produkte

  • RADEFF - Effektive Simulation des Strahlungstransports

    Wärmestrahlung in semitransparenten Materialien wie Glas in Kopplung mit Wärmeleitungs- und/oder Strömungsproblemen ist ein hochdimensionales nichtlineares Problem, das in vollen dreidimensionalen Geometrien zu einem kaum vertretbaren Rechenaufwand führt. Am ITWM wurde unter dem Namen RADEFF ein Verfahren zur numerischen approximativen Lösung der Strahlungstransportgleichung entwickelt.

  • LODTa - Light Optimal Distribution Tool

    Das Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik beschäftigt sich mit der Entwicklung eines schnellen und robusten Algorithmus zur Konstruktion von Freiformlinsen.