Optikkomponenten - Grundlage der Photonik

Moderne Optikkomponenten sind um ein Vielfaches leistungsfähiger als die klassische sphärische Linse. Von der Asphäre und der Freiformfläche bis hin zum diffraktiven optischen Element (DOE) steht eine Vielfalt neuer Möglichkeiten für das Design hochwertiger Optiksysteme zur Verfügung. Voraussetzung für deren Nutzung ist die kosteneffiziente Beherrschung der anspruchsvollen Herstellungsverfahren einschließlich einer präzisen Charakterisierung der Komponenten.

Das Design, die Herstellung und die Systemintegration von Optikkomponenten haben während der letzten Jahre rasante Fortschritte vollzogen: War früher die mittels Schleif- und Polierverfahren hergestellte Linse sphärischer Geometrie der Standard bei fast allen optischen Systemen, so hat sich mittlerweile eine ganze Anzahl von Linsengeometrien, Funktionsprinzipien, Herstellungsverfahren und Materialien mit ihren jeweils eigenen Anwendungsbereichen gebildet.

Eine der wichtigsten Neuerungen stellt die Beherrschung der Herstellung von Linsen asphärischer Symmetrie dar. Diese erlauben ein neues, problemangepasstes Design optischer Systeme.

So können beispielsweise sehr leichte Systeme für transportable Anwendungen oder eine besonders flache optische Abbildung für Handy-Kameras realisiert werden.

Darüber hinaus ist es bei Verwendung der neuen Komponenten möglich, den sphärischen Linsen immanente Abbildungsfehler zu vermeiden. Auf diese Weise wird die Qualität der optischen Abbildung erheblich verbessert.

Diese Vorteile werden durch eine deutlich aufwändigere Herstellung erkauft. Da kein mechanisches Schleif- bzw. Polierverfahren existiert, das für die Herstellung von asphärischen und Freiformoptiken über selbstkorrigierende Eigenschaften verfügt, muss zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung genaue Kenntnis darüber bestehen, wie viel Material an welchen Stellen abzutragen ist.

Aus Kostengründen ist eine Prozessunterbrechung zur Überprüfung des Bearbeitungsstands durch Vermessung der aktuell vorliegenden Linsengeometrie möglichst zu vermeiden.

Eine derartige deterministische Bearbeitung stellt an die Maschinentechnologie höchste Anforderungen. Die Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Linse muss genau bekannt sein. Das Werkzeug muss mit einer Präzision im Bereich von Mikrometern stabil geführt werden. Zusätzlich ist für die Charakterisierung ein erhöhter messtechnischer Aufwand erforderlich.

Da jede Asphäre ihre eigene Symmetrie hat, können z. B. die gebräuchlichen interferometrischen Messverfahren nicht ohne weiteres eingesetzt werden, sondern bedürfen jeweils einer individuellen Abstimmung auf das Beugungsverhalten der zu testenden Geometrie.

Hierfür werden derzeit beispielsweise computergenerierte Hologramme verwendet. Ebenfalls zum Einsatz kommen taktile und deflektometrische Messverfahren. Während eine typische Asphäre immer noch eine Rotationssymmetrie besitzt, wird diese bei den so genannten Freiformflächen aufgegeben. Damit verkompliziert sich der Aufwand zur Herstellung und Vermessung nochmals erheblich.

Jedoch erlaubt die Verwendung von Freiformflächen einen weiteren Zugewinn neuer Funktionalitäten und das maßgeschneiderte Design von Optiksystemen speziell auch für nicht rotationssymmetrische Einsatzbereiche. Dies trifft z. B. auf Optik in Zusammenhang mit der visuellen Wahrnehmung des Menschen zu.

Daher werden Freiformflächen für die Verbesserung von Head-Up- und Head-Mounted-Displays ebenso genutzt wie für qualitativ hochwertige Gleitsichtbrillen. Auch für Beleuchtungsanwendungen, bei denen eine Rotationssymmetrie gerade nicht erwünscht ist, wie z. B. Autoscheinwerfer, werden mit Freiformflächen signifikante Verbesserungen erzielt.

Sind die Anforderungen an die Genauigkeit von Asphären und Freiformflächen gering, so eignen sich diese besonders für die Herstellung mittels Umformung. Beim Prägen von Glaslinsen oder Spritzgießen von Kunststoffoptiken bereitet eine niedrige Symmetrie weniger Probleme, als bei konventionellen Schleif- und Polierverfahren. Damit empfehlen sich diese Herstellungsverfahren insbesondere für die Produktion von Komponenten in großer Stückzahl bei strikten Kostenvorgaben.

Sphären, Asphären und Freiformflächen funktionieren nach dem Prinzip der Lichtbrechung (Linse) oder -reflexion (Spiegel), also refraktiv oder reflektiv. Zunehmend werden aber auch Optikkomponenten hergestellt werden, die diffraktiv arbeiten, deren Funktion also auf der Beugung des Lichts beruht. Solche so genannten diffraktiven optischen Elemente (DOE) haben unschätzbare Vorteile, beispielsweise bei der Strahlformung.

Mit Hilfe von DOE hat man bei der Erzeugung bzw. Umwandlung unterschiedlichster Strahlprofile sehr viel mehr Freiheitsgrade, als beispielsweise mit refraktiven Optikkomponenten. Aus einem gewöhnlichen gaußförmigen Strahlprofil kann mit nur einer Komponente ein fast perfekter quadratischer Lichtfleck erzeugt werden.

Gleichzeitig haben DOE in der Regel vergleichsweise geringe Abmessungen, was für das Design sehr kompakter optischer Systeme vorteilhaft ist.

Das BMBF unterstützt mit seiner Projektförderung die neuesten Ideen aus dem Bereich der Optikkomponenten. So wird die heimische Optikindustrie gezielt dabei unterstützt, durch Innovation den starken Wettbewerbern aus SOA immer den entscheidenden Schritt voraus zu sein.

Optikkomponenten - Nachrichten

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Fördermaßnahme
Freiformoptiken

Die Projekte sollen in einem übergreifenden Ansatz das breite Spektrum neuer Technologien zur Herstellung und Nutzung refraktiv, reflektiv oder diffraktiv abbildender Optikkomponenten der nächsten Generation, einschließlich der aus diesen aufgebauten Systeme erforschen. -> mehr

Fördermaßnahme
Optische Komponenten und Systeme für Volumenmärkte

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