Die Zukunft der Optikindustrie? Wie man mit Freiformoptiken komplexe optische Systeme herstellen kann, die kleiner, leichter und funktionaler sind

In einem Thüringer Bündnis arbeitete Jenoptik seit 2018 an einem Zukunftsthema der photonischen Industrie: Freiformoptiken. In verschiedenen Teilprojekten erforschten die Bündnispartner die gesamte Prozesskette mit dem Ziel, innovative freiformoptische Systeme zu entwickeln und zu vermarkten. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Zusammenarbeit – dem Bündnis fo+ – geht es nun in die Realisierung für eine Vielzahl an Anwendungen im modernen Alltag.

09. März 2023 , Lars Dick

Freiformoptiken sind vermutlich das Zukunftsthema der Optiktechnologie

Es stellt sich manchen womöglich jedoch die Frage, was eine Freiformoptik eigentlich ist und was man damit machen kann. Bei Freiformoptiken handelt sich um asymmetrische optische Flächen mit zusätzlichen geometrischen Freiheitsgraden verglichen mit klassischen Optiken. Dadurch kann erreicht werden, dass verschiedene optische Funktionen der Strahlenformung vereint werden. Damit können Vorteile in optischer Performance, Funktionalität oder Bauraum erreicht werden. Somit ermöglicht die Freiformtechnologie die Herstellung von komplexen Systemen, welche jedoch wesentlich kleiner, leichter und funktionaler sind.

Hybrid free form — Strahlengang einer hybriden Freiformoptik

Free form — Strahlengang in einer Freiformoptik

Anwendungsmöglichkeiten für Freiformoptiken

Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist die Gleitsichtbrille, welche individuell auf eine Person angepasst sein muss. Eine Gleitsichtbrille sollte auf unterschiedliche Entfernungen stufenlos scharfe Bilder ermöglichen und Augenfehler korrigieren.

Neben der klassischen Gleitsichtbrille begegnen uns Freiformoptiken auch in den modernen Videobrillen. Diese Form einer modernen Arbeitshilfe verwendet ebenso Freiformoptiken, um bestimmte Details oder Abbildungen mittels Augmented Reality (AR) in die Realität einzublenden. Dabei wird die tatsächliche Realität um technisch gestützte Informationen erweitert, was mittlerweile eine weitverbreitete Anwendung in der Medizintechnik ist. Dabei werden Mediziner unterstützt, indem ihnen mit Hilfe der Brille zusätzliche Details auf der Sehhilfe und somit vor dem Auge angezeigt werden.

Ein weiteres Beispiel für eine Art von Augmented Reality sind die Head-Up-Displays, welche immer häufiger in Autos verbaut werden. Das Prinzip ähnelt der Videobrille: Es werden auch hier mit Hilfe einer Freiformoptik fahrzeug- und verkehrsbezogene Informationen direkt in den Bereich der Windschutzscheibe eingeblendet und assistieren somit dem Autofahrer für eine möglichst sichere, vorausschauende Fahrt.

Die Freiformoptik spielt auch in weitaus unterschiedlicheren Bereichen eine Rolle. Beispielweise kommen sie auch im Beleuchtungsbereich zum Einsatz. Konkret werden sie für Optiksysteme in LED-Scheinwerfern verwendet. Ziel der Verwendung von Freiformoptiken hierbei ist es, eine optimale und flexible Ausleuchtung zu ermöglichen und so den Energieaufwand sowie die Betriebskosten zu senken.

Freiformoptiken von Jenoptik im fo+ Projekt

Neun Unternehmen und zwei Forschungseinrichtungen der Thüringer Photonik-Branche beteiligten sich an dem Bündnis fo+. Die Region ist bekannt für wissenschaftliches, innovatives und technologiegetriebenes Wirken auf dem Gebiet der Optik und Photonik. Daher stammt auch die Bezeichnung als „Optical Valley“ von Thüringen.

Das Ziel der Jenoptik war die Adaption der Applikation auf Standardbildsensoren mittels Freiformoptiken. Darunter versteht man, das Optikdesign so auszulegen, dass das gewünschte Field of View (FoV) auf der Kamera abgebildet wird. Erreicht werden kann dies durch die optimale Form der Linse sowie die Korrektur von asymmetrischen Fehlern. Die Idee hinter der Technologie war es ebenso, eine Ressourcenschonung herbeizuführen durch die Verringerung der Anzahl an benötigten Komponenten sowie dem Kunden eine Miniaturisierung der Bauelemente durch Einsparung in Bauraum und Gewicht zu ermöglichen.

Was ist der Erfolg für Jenoptik aus dem Bündnis?

Fo+ Project Demonstrator — Demonstrator von Jenoptik

Im Rahmen des fo+ Projektes wurde von Jenoptik ein Demonstrator entwickelt, welcher eine athermale Freiformoptik beinhaltet. Diese spart mittels einer komplexen Bauweise Bauraum sowie Kosten ein. Für eine Umsetzung von Prototypen und der späteren Überführung in die Serienfertigung mittels Spritzgusswerkzeugen wurde in der Kerntechnologie die Ultrapräzisionstechnologie für die Freiformfertigung weiterentwickelt. Im Ergebnis kommen nun Spezialverfahren wie die Slow-Tool-Technologie, Fast-Tool-Technologie oder auch das Ultrapräzisionsfräsen zum Einsatz. Mittels ultrapräzisionstechnologischen Fertigungsverfahren konnten bereits erste Muster hergestellt werden, um die Wirkungsweise des Designs bewerten zu können. Im Anschluss wurden die Freiformoptiken im Spritzgussverfahren hergestellt. Speziell entwickelte Berechnungsmethoden zur 3D-Korrektur von systematischen Schwindungsfehlern wurden eingesetzt, um die Genauigkeit spritzgegossener Freiformoptiken deutlich zu optimieren. Dabei entstanden zwar einmalig hohe Werkzeugkosten, nachgelagert können die Teilkosten enorm reduziert werden. Dies gilt auch für alle folgenden Projekte.

Freiformoptiken: Fo+ Projekt

Für welche Anwendungsbereiche ist die entwickelte Technologie vorgesehen?

weites Sichtfeld für Sensoren im Hubwagen für Innen- und Außenbereich
für Sensoren in Lagerregalsystemen
Kameras im Wareneingangsbereich
Sicherheitsüberwachung von Räumen und Gebäuden
Überwachung von Roboteranwendungen

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Über Lars Dick

Dr. Lars Dick ist promovierter Maschinenbauingenieur mit Schwerpunkt auf Optik und Feinmechanik. Als Leiter der Abteilung Ultrapräzisionstechnik und Werkzeugbau bei Jenoptik liegen seine Interessen in den Bereichen Diamantbearbeitung, Formenbau, Replikationstechniken sowie der Beschichtung und Messtechnik optischer Oberflächen.