IR-Freiformoptiken für Fahrassistenzsysteme
Referenzprojekt
Monolithische Freiformen aus Germanium zur Objekterkennung
Gemeinsam mit regionalen Partnern, Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeitete asphericon seit 2014 im Rahmen des Projektes „Freeform Optics Plus (fo+)” an der Entwicklung und Vermarktung innovativer Freiformoptiken und freiformoptischer Systeme. Höhepunkt dieser Zusammenarbeit war die Auszeichnung mit dem Wissenschaftspreis „Forschung im Verbund“ des Stifterverbandes der Deutschen Wissenschaft für innovative Ansätze zur Fertigung von Freiformen im Jahr 2018.
Entstanden sind innerhalb des Forschungsprojektes unter anderem IR-Optiken für ein Fahrassistenzsystem. asphericons innovative Fertigungstechniken ermöglichten die Entwicklung und Fertigung von Freiformen, die den Anforderungen an eine kompakte Bauweise, einfache Integration und hohe Auflösung in derartigen Systemen übertrifft.
Projektdetails
Thermografische Aufnahmen sind neben zahlreichen Sensoren ein wesentlicher Bestandteil von Fahrassistenzsystemen, z.B. zur Erkennung von Fußgängern. Neben einer möglichst kompakten Bauweise sind auch die unkomplizierte Integration der Optiken in den Sensor, eine geringe Störanfälligkeit und hohe Auflösung erstrebenswert. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde im Rahmen von fo+ unter der Schirmherrschaft des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ein monolithisches IR-Freiformelement entwickelt. Wesentlicher Bestandteil des Projektes war die Konzeption der kompletten technischen Fertigungskette für das optische Freiformsystem, die Definition eines Referenzsystems und das Optikdesign des monolithischen Elements.
Projektrealisierung
asphericon entwickelte und produzierte einen IR-Monolithen, der drei asphärische und eine Freiformfläche miteinander kombiniert. Gefaltet wird der Strahl innerhalb des so entstandenen Spiegelsystems (siehe Abb. 1). Die gefertigte Freiformfläche besitzt eine Abweichung von 25 μm von der Best-Fit Sphäre mit einem Sag von etwa 200 μm und kompensiert die Aberrationen des kompletten Systems. Dadurch konnte das Volumen der Optik um 75 % auf 2,6 cm3 reduziert werden, ohne die Abbildungsqualität zu reduzieren.
Abbildung 1 Aufbau des monolithischen Systems, bestehend aus drei asphärischen und einer Freiformfläche.
Größte Herausforderung bei der Herstellung der Freiform war die korrekte Positionierung aller optischen Flächen zueinander, da Neigung und schlechte Ausrichtung direkt zu einem Verlust der Bildqualität führen. Definiert wurden dazu für den Monolithen eine Reihe von Koordinatensystemen und ein Hauptnullpunkt (siehe Abb. 2).
Abbildung 2 Alle Oberflächenkoordinatensysteme beziehen sich auf ein Basiskoordinatensystem des Monolithen, das als Hauptnullpunkt dient und gemäß ISO 10110 definiert ist.
Zur leichteren Integration der Optik in den Thermografie-Sensor wurden zudem Referenzflächen entwickelt. Die Anforderungen an die Formabweichung der Oberfläche und das Abbildungsvermögen konnten dadurch z.B. mit einem RMSi von 31 nm deutlich übertroffen werden (siehe Abb. 3).
Abbildung 3 Vollflächige Messung der Oberflächenformabweichung der Freiform. Ergebnis ist eine hervorragende Qualität mit einem RMSi von 31 nm.
Seit Abschluss des Projektes im Jahr 2022 arbeitet asphericon intern an der Entwicklung innovativer Freiformoptiken und -systeme sowie der kontinuierlichen Optimierung einer Serienfertigung weiter. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Freiformoptiken.
Optiken für fo+ auf einen Blick:
- Entwicklung von Verfahren zur Bearbeitung von Freiformflächen aus verschiedenen Materialien (UV, VIS, IR) sowie eines Germanium-Monolithen zur vereinfachten Positionierung von IR-Optiken, z.B. in Thermografiesystemen
- Reduzierung des Volumens der Optiken um 75%
- Erzielung einer hervorragenden Bildqualität mit einem RMSi von 31 nm
