4 ECTS credits
110 h study time
Offer 1 with catalog number 4020792ENR for all students in the 1st semester at a (E) Master - advanced level.
Bij deze cursus ligt de nadruk op het praktisch ontwerp van niet beeldvormende optische systemen door middel van ‘hands-on’ oefeningen op de computer. Dit gebeurt aan de hand van praktijkvoorbeelden van verlichtingssystemen, concentratoren, optische filters en coherente licht propagatie die we simuleren in commercieel beschikbare ‘ray-tracing’ software.
In deze cursus (1) introduceren we ‘ray-trace’ simulatie software (Principes van ray-tracing, sequentiële / non-sequentiële ‘ray-tracing’, Implementatie van optische systemen in ‘ray-tracing’ software, Implementatie van lichtbronnen in ‘ray-tracing’ software, Evaluatie van ‘ray-trace’ resultaten (spot diagrammen ...)), (2) verwerven we inzicht in de optimalisatie van een optisch systeem (Variabelen en vrije-vorm oppervlakken, Merit functies en parameter ‘sweeps’, optimalisatiemethoden), (3) kijken we hoe we licht kunnen 'homogeniseren en concentreren (Basisconcepten van radiometrie, analyse van energie distributies, optische componenten nodig om een uniforme lichtverdeling te verkrijgen, realiseren van een licht concentratie: fundamentele limieten), (4) analyseren we lichtverstrooiing en strooilicht (‘Ray-multiplication’, Modellering van verstrooiing, analysemethoden voor lichtverstrooiing, oefeningen in commerciële ‘ray-tracing’ software over de analyse van strooilicht en over belichtingssystemen die gebruik maken van verstrooiing), (5) onderzoeken we multilagen en kleur (Principes van dunne-film-interferentie filters, de ‘quarter-wave’ coating als uitgangspunt voor het ontwerp van optische filters, fotometrie en kleur, ontwerp van meer lagen coatings met Essential Macleod en analyseren van de performanties van het systeem in commerciële ray-tracing software); (6) introduceren we golfoptica (Beperkingen van de standaard ‘ray-tracing’ technieken, Modellering interferentie en diffractie met behulp van de Gauss bundel superpositie methode, Ontwerp van optische systemen in commerciële ‘ray-tracing’ software met interferentie / diffractie eigenschappen (bijvoorbeeld vezelkoppelaar, interferometer, vormgeven van een laserbundel));
Het cursusmateriaal wordt elektronisch ter beschikking gesteld in een shared directory. Communicatie wordt gevoerd via het Canvas platform.
Deze cursus biedt de student de nodige basiskennis om een ‘non-imaging’ (niet-beeldvormend) optisch systeem te ontwerpen, te evalueren en te optimaliseren. Beeldvormende systemen maken het onderwerp uit van de cursus ‘Design of Refractive and Diffractive Optical Imaging Systems’. Omwille van deze complementariteit wordt aan de student het advies gegeven om beide cursussen te volgen om zo inzicht te verwerven in beide types optische systemen.
Het begrijpen/herinneren van het verschil tussen een non-imaging en een imaging systeem.
Het begrijpen/herinneren van het concept van optische ray-tracing.
Het begrijpen/herinneren van het verschil tussen sequentiële en non-sequentiële ray-tracing.
Het begrijpen/herinneren van de voordelen en limieten verbonden aan optische ray-tracing.
Begrijpen/herinneren van de verschillende stappen verbonden aan de simulatie van een optisch systeem met ray-tracing (definitie geometrie, modelleren lichtbronnen, stralendoorgang, analyseren).
Het verschil begrijpen/herinneren tussen oppervlakken met een sferische, een asferische en een free-form structuur en het daaraan verbonden aantal vrijheidsgraden tijdens het ontwerp.
Begrijpen/herinneren hoe deze oppervlakken worden gedefinieerd (vb begrip NURBS curve).
Het begrijpen/herinneren van de begrippen ‘merit function’ en ‘parameter sweeps’ om een systeem te optimaliseren.
Het begrijpen/herinneren van de algoritmes die typisch worden gebruikt om een systeem te optimaliseren.
Begrijpen/herinneren waarom het inbouwen van constraints belangrijk is voor het optimalisatieproces.
Het begrijpen van de basisgrootheden uit de radiometrie.
Begrijpen/herinneren hoe men lichtdistributies moet analyseren.
Begrijpen/herinneren hoe men met een integrator systeem een lichtdistributie kan uniformiseren.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘Etendue’.
Begrijpen/herinneren hoe men licht kan concentreren met een elliptische reflector, een parabolische reflector of met een CPC.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘Edge Ray Principle’
Begrijpen/herinneren van het verschil tussen speculaire en diffuse reflectie en hoe deze worden gemodelleerd met ray-tracing tools.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘ray-multiplication’
Begrijpen/herinneren hoe men verstrooiing (eventueel experimenteel opgemeten) en strooilicht modelleert (scatter modellen) en analyseert.
Begrijpen/herinneren van de begrippen ‘TIS’ en ‘BSDF’.
Begrijpen/herinneren van het verschil tussen de standaard toegepaste methode en een Monte-Carlo techniek.
Begrijpen/herinneren wat ‘wave optics’ is.
Begrijpen/herinneren hoe en waarom we wave optics met behulp van stralen willen modelleren (GBPM).
Begrijpen/herinneren wat de limieten zijn van de GBPM.
Begrijpen/herinneren van de basisbegrippen uit de fotometrie.
Begrijpen/herinneren hoe men ‘thin film’ optische filters definieert.
Begrijpen/herinneren hoe men multi-lagen coatings ontwerpt en analyseert.
Begrijpen/herinneren hoe men kleur kan analyseren.
Het begrijpen/herinneren van het verschil tussen een non-imaging en een imaging systeem.
Het begrijpen/herinneren van het concept van optische ray-tracing.
Het begrijpen/herinneren van het verschil tussen sequentiële en non-sequentiële ray-tracing.
Het begrijpen/herinneren van de voordelen en limieten verbonden aan optische ray-tracing.
Begrijpen/herinneren van de verschillende stappen verbonden aan de simulatie van een optisch systeem met ray-tracing (definitie geometrie, modelleren lichtbronnen, stralendoorgang, analyseren).
Het verschil begrijpen/herinneren tussen oppervlakken met een sferische, een asferische en een free-form structuur en het daaraan verbonden aantal vrijheidsgraden tijdens het ontwerp.
Begrijpen/herinneren hoe deze oppervlakken worden gedefinieerd (vb begrip NURBS curve).
Het begrijpen/herinneren van de begrippen ‘merit function’ en ‘parameter sweeps’ om een systeem te optimaliseren.
Het begrijpen/herinneren van de algoritmes die typisch worden gebruikt om een systeem te optimaliseren.
Begrijpen/herinneren waarom het inbouwen van constraints belangrijk is voor het optimalisatieproces.
Het begrijpen van de basisgrootheden uit de radiometrie.
Begrijpen/herinneren hoe men lichtdistributies moet analyseren.
Begrijpen/herinneren hoe men met een integrator systeem een lichtdistributie kan uniformiseren.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘Etendue’.
Begrijpen/herinneren hoe men licht kan concentreren met een elliptische reflector, een parabolische reflector of met een CPC.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘Edge Ray Principle’
Begrijpen/herinneren van het verschil tussen speculaire en diffuse reflectie en hoe deze worden gemodelleerd met ray-tracing tools.
Begrijpen/herinneren van het begrip ‘ray-multiplication’
Begrijpen/herinneren hoe men verstrooiing (eventueel experimenteel opgemeten) en strooilicht modelleert (scatter modellen) en analyseert.
Begrijpen/herinneren van de begrippen ‘TIS’ en ‘BSDF’.
Begrijpen/herinneren van het verschil tussen de standaard toegepaste methode en een Monte-Carlo techniek.
Begrijpen/herinneren wat ‘wave optics’ is.
Begrijpen/herinneren hoe en waarom we wave optics met behulp van stralen willen modelleren (GBPM).
Begrijpen/herinneren wat de limieten zijn van de GBPM.
Begrijpen/herinneren van de basisbegrippen uit de fotometrie.
Begrijpen/herinneren hoe men ‘thin film’ optische filters definieert.
Begrijpen/herinneren hoe men multi-lagen coatings ontwerpt en analyseert.
Begrijpen/herinneren hoe men kleur kan analyseren.
De student moet in staat zijn een opgegeven systeem te ontwerpen (belichtingssystemen, concentratoren, optische filters, coherente systemen), te simuleren met behulp van de beschikbare software tools en de simulatieresultaten te analyseren. Het zelf kunnen definiëren van betekenisvolle specificaties, systeembeperkingen en relevante fysische limieten.
Op een constructieve manier kunnen samenwerken met andere studenten tijdens het oplossen van een optisch design vraagstuk.
De student moet in staat zijn een opgegeven systeem te ontwerpen (belichtingssystemen, concentratoren, optische filters, coherente systemen), te simuleren met behulp van de beschikbare software tools en de simulatieresultaten te analyseren. Het zelf kunnen definiëren van betekenisvolle specificaties, systeembeperkingen en relevante fysische limieten.
Op een constructieve manier kunnen samenwerken met andere studenten tijdens het oplossen van een optisch design vraagstuk.
De student moet in staat zijn een opgegeven systeem te ontwerpen (belichtingssystemen, concentratoren, optische filters, coherente systemen), te simuleren met behulp van de beschikbare software tools en de simulatieresultaten te analyseren. Het zelf kunnen definiëren van betekenisvolle specificaties, systeembeperkingen en relevante fysische limieten.
Op een constructieve manier kunnen samenwerken met andere studenten tijdens het oplossen van een optisch design vraagstuk.
The final grade is composed based on the following categories:
Practical Exam determines 60% of the final mark.
SELF Practical Assignment determines 40% of the final mark.
Within the Practical Exam category, the following assignments need to be completed:
Within the SELF Practical Assignment category, the following assignments need to be completed:
Tijdens deze cursus worden drie types oefeningen behandeld. Klas oefeningen worden onder begeleiding van de titularis uitgevoerd tijdens de lesuren. Aanvullend worden er tijdens de cursus extra oefeningen gedefinieerd die de student thuis op vrijwillige basis kan oplossen. Ten slotte worden er in de loop van de cursus 4 opdrachten behandeld (studenten oefeningen) die ofwel in groep (maximum 2 studenten) ofwel individueel worden opgelost en die bij de titularis moeten worden ingediend. Het beoordelingscijfer van deze oefeningen bedraagt 40% van het totaal. De termijnen van inzending worden tijdens de lesuren vastgelegd. De overige 60% van de punten zijn gekoppeld aan het examenproject. Hier wordt de student gevraagd een projectoefening uit te werken. Als onderwerp van deze projectoefening worden twee opties gegeven.
Optie 1: het oplossen van een complex optisch systeem naar keuze met één van de ray-tracing tools die tijdens de cursus worden gebruikt (een niet-exclusieve lijst van mogelijkheden bestaat uit een microscoopsysteem, een licht projector, een beeldscherm, een interferometrisch testsysteem, een lab-on-a-chip systeem, een machine vision-systeem, een scanning-gebaseerd systeem, een optische spectrometer).
Optie 2: hier wordt de student gevraagd om de oefening te maken met behulp van beide ray-tracing-tools die tijdens de cursus worden gebruikt en om de resultaten te benchmarken. Het aantal en de complexiteit van de uit te werken systemen hangt af van de keuze die de student maakt. Drie sub-mogelijkheden worden aangeboden: (1) Het uitwerken voor 2 nieuwe 'studenten' of 'thuis' oefeningen (éénvoudige systemen die beperkt zijn tot 3 componenten exclusief de bron en de detector); (2) Voor 4 bestaande 'klas' oefeningen; (3) Voor één uitgebreid systeem (>3 componenten) - cfr. de systemen beschreven in artikels beschikbaar in de knowledge databanken van Ansys Zemax OpticStudio en ASAP Breault.
Het examencijfer (60% van het totaalcijfer) wordt als volgt toegekend:
o 30% - kwaliteit van het project
o 15% - een schriftelijk rapport met daarin alle relevante onderdelen (inleiding, achtergrondinformatie over het onderwerp, de doelstellingen, de gevolgde workflow, een kritische bespreking van de resultaten, een conclusie, toekomstperspectieven en referenties) samen met de bijbehorende softwarebestanden. Dit verslag moet een week voor de geplande datum van het mondelinge examen worden ingediend.
o 15% - een mondeling examen dat ongeveer één uur duurt. Tijdens dit examen moet de student zijn / haar project presenteren in een ppt-presentatie van 20 minuten. Deze presentatie wordt gevolgd door een vraag- en antwoordsessie. De student wordt verzocht zijn / haar presentatie door te sturen naar de cursus titularis op de dag van het mondelinge examen.
De omschrijving van het examen geldt voor zowel on-campus als on-line studenten en dit voor alle examenperiodes. Het examen formaat volgt het type inschrijving van de student (een on-campus examen voor de on-campus studenten en een online examen voor de online studenten). In geval van overmacht (ziekte, lockdown, conflict met stage in de herkansingsperiode) mogen on-campus studenten een online examen afleggen.
This offer is part of the following study plans:
Master of Photonics Engineering: Standaard traject (only offered in Dutch)
Master of Photonics Engineering: On campus traject