FRESNELOPT

Auslegung und hochgenaue Fertigung fresnelisierter Kunststoff-Freiformoptiken

Minimierung der Baugröße von optischen Bauteilen

In optischen Systemen werden zunehmend Freiformflächen mit einigen zehntausend Freiheitsgraden eingesetzt, wodurch innerhalb des letzten Jahrzehnts die Leistungsfähigkeit und die Kompaktheit optischer Systeme deutlich gesteigert werden konnte. Freiformoptiken finden sich heute in Consumer-Produkten wie Kameras von Mobiltelefonen, oder Scheinwerfern und Head-Up-Displays in Fahrzeugen.

Durch die Minimierung der Bauteilgröße von Freiformoptiken kann zusätzlich der Funktionsumfang erhöht, das Gewicht und der Materialverbrauch sowie die Produktionszeit und damit die Kosten reduziert werden. Um die Dicke von rotationssymmetrischen Linsen und Spiegeln zu verringern, ist „Fresnelisierung“ eine gängige Technik. Dabei wird die Optik entlang konzentrischer Ringe segmentiert. Allgemeine Methoden zur effizienten Fresnelisierung von nicht-rotationssymmetrischen optischen Oberflächen (d. h. Freiformflächen) existieren bisher jedoch nicht. Die Ziele des Vorhabens sind die Erarbeitung von Grundlagenwissen und die Erforschung von Methoden zur Minimierung der Baugröße von hocheffizienten fresnelisierten Freiformoptiken aus Kunststoff.

Erhaltung der optischen Performance und Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen

Die Kombination von Fresnelisierung und Freiformflächen stellt neue Anforderungen an die Auslegung und Herstellungsprozesse solcher Optiken. Dabei kommt der Entwicklung eines Algorithmus zur Auslegung der Optiken eine Schlüsselrolle zu, die bei der Fresnelisierung die geforderten optischen Leistungsmerkmale sowie einzuhaltende Randbedingungen des Herstellungsprozesses berücksichtigt.

Durch die Fresnelisierung der Freiformflächen wird ein Teil des Lichtes an den Segmentübergängen abgelenkt und führt zu störender Streuung, die zur Erhaltung der optischen Performance gegenüber der ursprünglichen, nicht-fresnelisierten Oberfläche minimiert werden soll. Gleichzeitig wird eine Werkzeugmaschine mit mehr als einer schnellen Achse sowie die dynamische Anstellung des Diamantwerkzeugs untersucht. Deren Grenzen und die resultierenden Abweichungen von der Idealform fließen in die Auslegung dünnwandiger Freiformoptiken ein.

Im Rahmen des Projektes wird ein weiter Bereich fresnelisierter Optiken durch zwei Demonstratoren aus der automobilen Beleuchtungstechnik (Head-Up-Display und LED-Scheinwerfer) abgedeckt, die sich durch unterschiedliche Grundgeometrien (Fresnelisierung der planen Rückseite bzw. der nicht-rotationssymmetrischen gekrümmten Vorderseite) und den daraus resultierenden Anforderungen an Design und Herstellungsprozess erheblich unterscheiden.

Zur Qualitätssicherung wird zusätzlich ein Verfahren zur präzisen geometrischen Vermessung der Formeinsätze entwickelt. Der Wertschöpfungsprozess wird durch Replikationsprozesse mit reduzierten Zykluszeiten beim Spritzgießen und -prägen bzw. bei variothermer Prozessführung vervollständigt.

Durch eine durchgehende Daten- und Softwarekette wird eine Übertragung der Ergebnisse auf verwandte Bereiche ermöglicht, welche von einem hochwertigen, kostengünstigen und kompakten optischen System profitieren. Dazu zählen die allgemeine Beleuchtung, die Solartechnik, die Prozessüberwachung sowie der Werkzeug- und Formenbau. Insbesondere werden Anwendungen der optischen Systeme für Außen- und Innenbeleuchtung sowie Anzeigesysteme und Sensoren im Automobilbau verfolgt.

Projektdetails

Koordinator

Dipl.-Ing.Rainer Klar
InnoLite GmbH
Campus-Boulevard 79, 52074Aachen
+49 241 475708-0

Projektvolumen

ca. 2,5 Mio. € (Förderquote 54%)

Projektdauer

01.08.2018 - 31.07.2021

Projektpartner

InnoLite GmbHAachen
Continental Automotive GmbH - Division InteriorBabenhausen
HELLA GmbH & Co. KGaALippstadt
Fionec GmbHAachen
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)Aachen