Rigorose Simulation von Speckle-Feldern bei großflächigen rauen Oberflächen mit schnellen Algorithmen auf der Basis von Randelementmethoden höherer Ordnung

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Osten
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 375876714

Lichtstreuung an rauen Oberflächen und Strukturen findet in zahlreichen Anwendungen, wie z.B. der Fernerkundung, der Inspektion technischer und biologischer Oberflächen und Strukturen, , der Schwingungs- und Dehnungsmessung sowie Strömungsmechanik statt. Speckle-Phänomene können bei nahezu allen kohärent-optischen Mess- und Bildgebungsverfahren beobachtet werden. Informationen über den Einfluss der zu untersuchenden Fläche auf die Bildgebung und deren Eigenschaften können durch Analyse der Speckle-Felder gewonnen werden. Eine rigorose Berechnung ist für das Verständnis der Speckle-Eigenschaften und für die Bewertung der Rauheit von optischen Oberflächen unentbehrlich. Obwohl rigorose Simulationsmethoden lange untersucht wurden, sind viele Fragen aufgrund der Komplexität des Problems noch offen. Dies beinhaltet z.B., wie die Art der Vernetzung die Ergebnisse beeinflusst, wie fein die Oberfläche vernetzt werden sollte und welche Ausdehnung des Simulationsgebiets für Oberflächen mit unterschiedlicher Rauheit und Materialeigenschaft benötigt wird. Insbesondere werden inverse Verfahren zur Ableitung von Oberflächenparametern aus den gemessenen Streufeldern benötigt. Aufgrund der fehlenden schnellen rigorosen Simulationstechniken sind derartige Verfahren jedoch noch nicht hinreichend gut untersucht.Ziel dieses Projektes ist es, einen am ITO bereits implementierten Speckelsimulator, der mit Randelementmethoden höherer Ordnung implementiert wurde, deutlich in seiner Leistungsfähigkeit hinsichtlich des aktiven Berechnunggebiets, der zu berücksichtigenden Oberflächeneigenschaften und Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern . Daher soll in diesem Projekt ein effektiver Algorithmus, basierend auf der Multipol-Methode und ihrer Multilevel-Version, nämlich der Multilevel-Fast-Multipol-Methode, implementiert und getestet werden. Mit diesen Algorithmen werden die Rechen- und Speicherkosten von O(NxN) auf O(Nlog(N)) reduziert. Experimentell werden wir Oberflächen mit unterschiedlicher Rauigkeit aus verschiedenen Materialien herstellen und die BRDF- und Speckle-Felder mithilfe eines experimentellen Aufbaus messen. Durch Vergleich der simulierten mit den gemessenen Ergebnissen, werden wir den Simulator validieren und Benchmarks für raue Oberflächen-Simulationen erstellen. Insbesondere stellen wir simulierte Specklemuster als Trainingsprobe für einen maschinellen Lernprozess zur Verfügung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen