Tailored Optics – Hochpräzise Optikkomponenten für Massenmärkte

Auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 3, Stand D53, zeigt das Fraunhofer IPT vom 17. bis 21. Juni 2008 verschiedene Highlights seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeit für die optische Industrie.

Präzisionsblankpressen von Kollimationsoptiken für Laserdioden

Violette und blaue Singlemode-Laserdioden erfüllen in der Datenspeicherung, aber auch in der Messtechnik und Sensorik wichtige Aufgaben. Viele Anwendungen fordern parallel gerichtetes Licht, um beispielsweise in dünnen Lichtwellenleitern auch über weite Distanzen Daten sicher übertragen zu können. Durch hochpräzise Kollimationslinsen, die speziell für die blauen und violetten Laserdioden gefertigt werden, lassen sich Lichtstrahlen entsprechend ausrichten.

Ziel des Fraunhofer IPT und seiner Partner im Fraunhofer-internen Projekt „Tailored Optics“ ist es, mit neu entwickelten Werkzeugformeinsätzen bi-asphärische Kollimationslinsen in großen Stückzahlen jetzt auch durch Präzisionsblankpressen herzustellen. Für die Herstellung der Linsen soll ein Formeinsatz mit einer tiefen konkaven Geometrie dienen, der auf der anderen Seite durch einen weiteren konkaven flachen Einsatz ergänzt wird.

Die Herausforderung beim Werkzeugdesign: Während des Umformprozesses ist mit einer starken Schrumpfung der Glasoptik zu rechnen. Bisher waren zahlreiche Versuche und Nachbearbeitungsschritte am Werkzeug erforderlich, um sich nach dem Abkühlen der Glasoptiken der gewünschten Geometrie zu nähern. Das Fraunhofer IPT arbeitet daher an FEM-Simulationen, um die Schrumpfungseffekte für unterschiedlichste Bauteile präzise vorherzusagen. Durch einen Präzisionsschleifprozess lassen sich anhand der gewonnenen Daten angepasste asphärische Werkzeuge herstellen, die die Schrumpfung des Werkstoffes bereits im Vorfeld berücksichtigen.

Weitere Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ergeben sich bei der Herstellung der Formeinsätze durch die steilen Flankenwinkel und die meist kleinen Durchmesser der zu fertigen Linsen. Bei der Abformung schließlich kommt es darauf an, die optischen Flächen bis auf 5 µm genau zu zentrieren und maximal 30 nm RMS Profilabweichung einzuhalten.

Wabenkondensor für Hochleistungsprojektoren

Doppelseitig geprägte Linsenarrays lassen sich für besonders kleine Hochleistungsprojektoren nutzen. Die so genannten Wabenkondensoren bestehen aus einem einzelnen runden Bauteil mit einer Vielzahl an Einzellinsen und können die Optiken der Projektoren deutlich verkürzen. Ein rechteckiges Feld lässt sich auf diese Weise mit hoher Effizienz einheitlich ausleuchten.

Bei der Herstellung der optischen Elemente ist es wichtig, dass die beiden Seiten des Glaswafers auf weniger als 20 µm zueinander zentriert werden. Durch das Präzisionsblankpressen mit Werkzeugen aus binderfreiem Hartmetall lassen sich zurzeit Bauteile mit bis zu 1760 Einzellinsen mit den Maßen 0,4 x 0,7 mm² fertigen. Die Formabweichung der Linsen beträgt dabei weniger als 200 nm bei einer Oberflächenrauheit von weniger als 4 nm. Besonders die Herstellung der Formeinsätze stellt die Fraunhofer-Forscher vor große Herausforderungen, denn das NC-Programm muss besonders genau arbeiten, damit die Werkzeuge später exakt das gewünschte Profil aufweisen. Bei der anschließenden Abformung ist darauf zu achten, dass die Funktionsflächen hochgenau zentriert werden, damit das Bild des Projektors im Einsatz gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

„Tailored Optics“ – Wirtschaftsorientierte strategische Allianz für Präzisionsoptiken

In der wirtschaftsorientierten strategischen Allianz (WISA) „Tailored Optics“ arbeitet das Fraunhofer IPT gemeinsam mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten an den Prozessen zur Herstellung hochpräziser, heiß geformter Optikkomponenten aus Glas. Ziel ist es, die Formwerkzeuge für den Replikationsprozess und die Prozesskette mit Blick auf höchste Präzision und möglichst niedrige Fertigungskosten weiterzuentwickeln. Denn nur so können sich europäische Optikhersteller in Massenmärkten wie der Medizin- und Lasertechnik, der Telekommunikation oder auch der Automobilindustrie gegenüber ihren sehr starken asiatischen Wettbewerbern behaupten.

Partner im Projekt „Tailored Optics“

– Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden
– Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena
– Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
– Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg
– Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
Ihr Ansprechpartner
Dr.-Ing. Thomas Bergs
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstr. 17
52074 Aachen
Telefon: +49 (0) 2 41/89 04 -1 05
Fax: +49 (0) 2 41/89 04 -61 05
thomas.bergs@ipt.fraunhofer.de