Optische Technologien Förderinitiative „Freiformoptiken“ Projekt

Optische Technologien
Förderinitiative „Freiformoptiken“
Projekt:
Kombinierte Freiformoptik aus Glas (Kompass)
Koordinator:
Dipl.-Inf. Sven Kiontke
asphericon GmbH
Wildenbruchstr. 15
07745 Jena
Tel.: 03641 675 500
E-Mail: [email protected]
Projektvolumen:
4,3 Mio € (Förderquote ca. 56%)
Projektlaufzeit:
01.04.2010 bis 30.06.2013
Projektpartner:
 Docter Optics, Neustadt / Orla
 FRT, Bergisch-Gladbach
 Ingeneric, Aachen
 Limo, Dortmund
 FhG-IOF, Jena
Freiformoptiken – Universeller Einsatz maßgeschneiderter Optikkomponenten
Hochwertige optische Geräte wir etwa Ferngläser, Mikroskope oder Kameraobjektive gehören mit zu den häufigsten Assoziationen, wenn es um Qualität „Made in Germany“ geht.
Während die klassischen Optiken abbildender Systeme modular aus einzelnen Linsen verschiedener Brennweite mit kugelförmiger (= sphärischer) Oberfläche aufgebaut werden,
zeichnet sich in den letzten Jahren immer deutlicher ein Wechsel hin zu maßgeschneiderten
Einzelkomponenten mit Freiformoberflächen ab, die speziell auf die jeweilige Anwendung
zugeschnitten sind. Dies ermöglicht eine Vermeidung von Abbildungsfehlern und steigert
damit die Qualität der optischen Abbildung auf ein Maß, das auf konventionellem Weg
grundsätzlich unerreichbar bleibt. Optische Systeme werden zudem wesentlich kompakter
und leichter. Ein prominentes Beispiel solcher Optiken der nächsten Generation findet man
beispielsweise in den ultrakompakten Kameras, die heute in nahezu jedem Mobiltelefon verbaut sind. Zusätzlich zu den auf Brechung
oder Reflexion von Licht basierenden optischen Komponenten sind nunmehr auch solche verfügbar, deren Funktionsprinzip auf
einer Beugung des Lichts beruht, sogenannte
diffraktive optische Elemente (DOE).
Für die wirtschaftliche Fertigung und die flexible und hochpräzise Vermessung solcher
Optiken mit Freiformflächen sowie der DOE ist
ein lückenloses Verständnis der optischen
Eigenschaften des Systems, der Beschich- Freiformspiegelpaar aus Direktherstellung mittels
tungen, der Aufbau- und Verbindungstechnik, Ultrapräzisionsbearbeitung (Quelle: Carl Zeiss Jena
des Herstellungsprozesses und der dabei GmbH)
verwendeten Werkzeuge erforderlich. Die neuen Optiken finden breite Anwendung in der
Medizintechnik, Konsumerelektronik, Beleuchtung, Automobilbau, Sicherheitstechnik, Materialbearbeitung sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Es gilt, die traditionelle Stärke deutscher Unternehmen bei der Fertigung hochwertiger, innovativer Optiken in die nächste Generation zu überführen.
Freiformoptiken als künftiger Standard für eine Vielzahl von Anwendungen
Die im Vorhaben untersuchten Optikkomponenten können für eine ganze Anzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden. Dies sind zum Beispiel LED-Automobilscheinwerfer,
bei denen die Freiformoptik zur Strahlformung dient. Besonders wichtig ist hier der Hell /
Dunkel - Kontrast zwischen der eigenen Fahrbahn und dem Gegenverkehr - eine Stärke der
Freiformflächen. Weitere Verwendungen liegen in der Strahlformung für HochleistungsLasersysteme für die Materialbearbeitung, sowie Konzentrator-Optiken für PhotovoltaikSysteme. Diese Anwendungen werden im Projekt demonstriert.
Alle diese Verwendungen adressieren aktuelle Problemstellungen in den Schlüsselbranchen
der deutschen Industrie, so dass das Projekt hier wesentlich zu einer Profilschärfung im Sinne der Stärkung unserer Stärken beiträgt.
Heißprägen von Glas ermöglicht hohe Präzision bei moderaten Kosten
Im vorliegenden Verbundprojekt wird die Herstellung einer neuen Generation Freiformoptiken untersucht. Dabei handelt es sich um die Kombination zweier verschiedener funktionaler
optischer Oberflächen. Dies ist auf der einen Seite der Optikkomponente die Freiformfläche,
die nach den klassischen Gesetzmäßigkeiten der Lichtbrechung funktioniert. Auf der zweiten
Seite der Linse wird jedoch eine diffraktive Struktur oder ein Mikrolinsenarray angebracht.
Diffraktive Strukturen funktionieren nicht nach dem Prinzip der Lichtbrechung, sondern dem
der Beugung. Sie nutzen also die Wellennatur des Lichts. Diffraktive optische Elemente sind
ebenfalls eine neue Entwicklung, deren breiter Einsatz trotz ihrer speziellen funktionalen
Vorzüge bislang am Mangel an geeigneten und vor allem kostengünstigen Fertigungsverfahren gescheitert ist.
Ziel des Projektes ist die Beherrschung eines Glas-Umformungsprozesses für die Herstellung hybrider Freiformkomponenten um diese somit einer neuen System- und Geräteklasse
verfügbar zu machen.
Das Herstellungsverfahren, auf das sich das vorliegende Verbundprojekt konzentriert, ist das
Umformen von Glas. Dabei wird ein Rohling der in Abmessung und Gewicht in etwa der späteren Linse entspricht bei hohem Druck und hoher Temperatur in die gewünschte Form
verpresst. Diese Replikationsmethode füllt die Lücke zwischen der sehr präzisen, aber teuren direkten Herstellung von Optikkomponenten mittels Schleif- und Polierverfahren und dem
sehr kostengünstigen Spritzgießen von Kunststoffoptiken für Anwendungen mit geringen
Genauigkeitsanforderungen.
Bei replikativen Herstellungsmethoden ist das kritische Element die Werkzeugform. Deren
Genauigkeit muss deutlich über derjenigen der abzuformenden Optikkomponente liegen, da
der Umformungsprozess immer mit Genauigkeitsverlusten einhergeht.
Bild: Diamantbearbeitetes Abformwerkzeug für ein Linsenarray in NiP