ERANET-MNT-OPTICALSTRUCT

Problemstellung

Komplexe optische Komponenten sind wesentliche Funktionsbausteine moderner Produkte. Beispiele reichen von miniaturisierten Beleuchtungssystemen aus der Displaytechnik in Mobiltelefonen und Notebooks über Gleitsichtbrillen oder Kontaktlinsen aus dem Bereich der Augenheilkunde (Ophthalmologie) bis hin zu technisch hochanspruchsvollen Beleuchtungseinheiten mit LED Technik aus dem Automobilbau.
Die Entwicklung und Auslegung innovativer optischer Systeme ist durch leistungsfähige Optik-Design Berechnungsprogramme nicht mehr auf refraktive Systeme (Lichtbrechung) beschränkt. Die theoretische Auslegung komplexer diffraktiver Optiken (Lichtbeugung) sowie refrakto-diffraktiver Hybridoptiken ist umfassend realisierbar. Derartige Optiken bergen ein hohes Potenzial an Funktionsintegration, Kostenersparnis, Leichtbau und Miniaturisierung, insbesondere aber an gesteigerter Projektionspräzision und Produktqualität.
Im Gegensatz zur rechnerischen Auslegung existieren jedoch noch keine zuverlässigen und wirtschaftlich effizient einsetzbaren Prozessketten, um derartig komplexe optische Komponenten herzustellen. Die Weiterentwicklung innovativer Produkte, die auf solchen optischen Funktionsbausteinen basiert, wird maßgeblich durch die bestehenden stark einschränkenden fertigungstechnischen Verfahren gehemmt.


Zielsetzung

Ziel des Verbundprojekts war die erstmalige Bereitstellung einer geschlossenen Prozesskette zur Fertigung von Freiformflächen für Hybrid-Optiken. Vom Optikdesign innovativer Linsensysteme über die flexible Fertigung von Masterwerkzeugen mittels ultrapräziser Diamantzerspanung bis zur Replikation wurde eine durchgängige Fertigung komplexer hybrider, refrakto-diffraktiver Optikkomponenten ermöglicht.


Vorgehensweise und Ergebnisse

Die Ultrapräzisionszerspanung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen birgt das höchste Potenzial, Abformwerkzeuge mit ultrapräziser makroskopischer Geometrie (refraktiv) und mikroskopischer Struktur (diffraktiv) für die Replikation kostengünstig und hochflexibel mit nur einer Technologie herzustellen. Hohe Anforderungen an die Prozesstechnologie ergeben sich aus den für die Funktion diffraktiver Optiken erforderlichen Mikrostrukturen (< 5 µm). Diese müssen mit extremer Präzision auf komplexen Freiformgeometrien mit optischer Oberflächengüte (10 nm Ra) eingebracht werden. Zur Überwindung bestehender Grenzen der ultrapräzisen Mikrozerspanung wurden bestehende Ansätze der Ultrapräzisionszerspanung weiterentwickelt und gemeinsam mit den erforderlichen technologischen Schnittstellen intensiv erforscht. Das deutsche Konsortium wird im Rahmen von MNT ERA-NET durch europäische Technologieführer ideal ergänzt.

Im Einzelnen wurden folgende Ergebnisse erzielt:
- Neuartige Maschinen- und Steuerungstechnik für die hochdynamische Ultrapräzisionsbearbeitung
- Innovative Prozessstrategien auf Basis der neuartigen Maschinentechnik
- Optimierte Werkstoffe mit spezieller Eignung für die ultrapräzise Zerspanung
- Produktionsintegrierte Qualitätssicherung der komplexen Optikprodukte durch hochgenaue Messtechniken
- Abgeleitete Entwicklung innovativer optischer Anwendungen bzw. Produkten auf der Basis von refrakto-diffraktiven Hybridoptiken


Anwendungspotenzial

Die Anwendungsfelder für refrakto-diffraktive Optiken auf Freiformoberflächen sind exemplarisch die drei Bereiche der Brillenfertigung und Augenheilkunde, der Beleuchtungstechnik mit LED Quellen und der modernen Displaytechnologie.
Insbesondere durch
die intensiven Arbeiten zur Verbesserung der Maschinengenauigkeit lassen sich die Ergebnisse in marktreife Applikationen weit über die diffraktive Optikfertigung hinaus übertragen. Beispiele umfassen die Herstellung von passiven Justagestrukturen für die Präzisionsmontage von faserbasierten Optiken in der Medizintechnik, die Fertigung von Extremoptiken für die ultraviolette Strahlung mit Wellenlängen bis unter 100 nm sowie Funktionsoberflächen in der Medizintechnik bzw. der Bio-Chemie.

Machine and Process Development for the Robust Machining of Microstructures on Free-Form Surfaces for Hybrid Optics

Autor: Brecher, C. (Hrsg.)

Verlag: Apprimus Verlag, Aachen, 2009

Erscheinungsjahr: 2009

ISBN: 978-3-940565-79-2

Beschreibung: Many new developments in optical systems are driven by the quick improvements of LEDs as light source. The LED technology allows for new lighting systems for example in headlights for automotive applications or in miniaturized illumination systems in the field of display technology. In both cases highly sophisticated polymer optics are required to realize these new lighting applications. Often the combination of free-form surfaces with microstructures to hybrid optical systems is necessary. By combining diffractive and refractive functions to hybrid optical systems a high potential of cost saving and light weight design is possible due to the integration of multiple functions into one optical element. The research conducted in the scope of the project »ERANET-OPTICALSTRUCT« strongly contributed in enabling these new and innovative lighting solutions based on hybrid optics. The aim of the project was to improve the whole process chain starting with the optical design, the flexible machining of molds by diamond cutting, and ending with the manufacturing and characterization of the final product by replication. Beside the replication as final manufacturing step, ultra-precision machining using diamond cutting tools is the key technology for the production of hybrid optics and the corresponding molds. However, the ultra-precision machining systems as well as the process technology needed improvements and a new hybrid Fast Tool Servo system to enable the production of hybrid optics.