Freiform Optiken - asphericon ist Ihr Experte für Freiform Systeme

Freigeformte optische Flächen ohne Rotationssymmetrie ermöglichen die Umsetzung völlig neuartiger Konzepte für optische Systeme. Die Verwendung von Freiform Optiken führt zur Reduktion der Elementanzahl in einem optischen System, wodurch kleinere, leichtere und effizientere Systeme hergestellt werden können. asphericon ist Ihr kompetenter Partner für Freiform Optiken mit einem Höchstmaß an Präzision vom Optikdesign bis zur (Serien-)Fertigung.

Freiform Optiken von asphericon

Entdecken Sie die Vorteile von Freiform Optiken und Systemen die mit asphericons innovativen Technologien gefertigt werden können.

Unkonventionelle Formen in nahezu allen Materialien (auch Keramik und IR-Materialien)
Linsen, Spiegel, monolithische Elemente mit Durchmessern bis zu 300 mm
Multi-fokale, kompakte Systeme
Hervorragende Oberflächenqualität (bis mind. RMS_i 50 nm)
CGH-freie Messung einschließlich aller Positionstoleranzen
Individuelle Beschichtung und Fassungskonzepte
Optikdesignberatung für fertigungsoptimierte System-Designs

Beispielmessung für eine durch asphericon mittels Schleifen und Polieren gefertigte Freiform. Zu sehen ist die Wellenfrontkarte mit dazugehörigen gemessenen Oberflächen und Teiltoleranzen nach zwei Korrekturpolituren (Leistungsziel: RMS WFE < 35 mλ).

Von der Vision zur Serie

Bereits seit vielen Jahren arbeitet asphericon an der (Serien-)fertigung von Freiformen. Gemeinsam mit starken Partnern aus der Region konnte im Rahmen der Projektserie „Freeform Optics Plus (fo+)” die Entwicklung und Vermarktung innovativer freiformoptischer Systeme entscheidend vorangetrieben werden. Die international stark beachteten Arbeiten erhielten im Jahr 2018 die Auszeichnung mit dem Wissenschaftspreis »Forschung im Verbund« des Stifterverbandes der Deutschen Wissenschaft für innovative Ansätze zur Fertigung von Freiformen.

Im Zuge diverser Projekte konnte asphericon neue Fertigungsstrategien implementieren sowie Messkonzepte weiterentwickeln und sich so in den letzten Jahren zum Experten für Freiform Optiken und Systeme etablieren.

Zur Laser World of Photonics 2022 in München wurde ein reflektiver Strahlformer basierend auf Freiform Optiken vorgestellt. Die Freiformflächen kompensieren Asymmetrien und sorgen für eine Volumenreduzierung von 50%. Mit dem neuen Strahlformer wird der Laser zu einem flexiblen Werkzeug: geeignet für hohe Laserleistungen bis zu 10 kW sowie für eine breite Palette von Wellenlängen.

Alvarez System

Entdecken Sie auch unsere Freiform-Systeme auf Basis von Alvarez Linsen. Derartige Systeme überzeugen vor allem durch ihre kompakte Bauweise. Dank der Oberflächenform ist es möglich, eine optische Funktion stufenlos zu variieren. Beispiel hierfür ist die dynamische Veränderung der Brennweite eines Systems, das Kompensieren der Divergenz von Laserstrahlen, sowie die Erzeugung quadratischer Top-Hat Profile. Fragen zu unseren Alvarez Linsen beantworten wir Ihnen gern im persönlichen Kontakt.

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Systemlayout und Messung zum Oberflächendurchgang der Freiform Optik

Spezifizierung einer Freiformlinse

Freiform Optiken sind brechende und reflektierende Oberflächen, die sich deutlich von sphärischen und asphärischen Geometrien unterscheiden. Die Fertigung einer Freiform beginnt mit der Definition der Oberfläche. Benötigt wird, neben einer klaren Beschreibung der Optik, eine Gleichung, Punktwolke oder ein 3D-Modell für die Fertigung.

Eine mögliche Form einer Freiform-Optik ist die dezentrierte Verwendung einer eigentlich rotationssymmetrischen Linse, welche hierdurch an den Off-Axis-Bereich angepasst wird. Der optische relevante Teil wird dazu ausgeschnitten (Vgl. Abb. 1), auch um Platz in Systemen zu sparen. Im Hinblick auf die Fertigung ist eine symmetrische Linse auf diese Weise kostengünstiger und einfacher zu fertigen. Hinsichtlich des optischen Designs ist ihre Oberfläche aufgrund des erzielten optischen Effekts bereits eine Freiform. Ein Nebeneffekt einer solchen dezentrierten Linse ist jedoch die Zunahme von Aberrationen bei schräg einfallendem Licht, was letztlich rasch zur Verschlechterung der Bildqualität führt. Der große Vorteil von „echten“ Freiformen ist, dass sie Dank der speziellen Geometrie und hohen Anzahl von Freiheitsgraden eine sehr gute Abbildungsqualität ermöglichen. Allerdings sind die Anforderungen an das optische Design und den Herstellungsprozess im Vergleich zu herkömmlichen symmetrischen Linsen wesentlich komplexer und anspruchsvoller.

Entwicklung verschiedener Linsenformen: von der Sphäre zur Freiform Optik — Abbildung 1: Evolution verschiedener Linsenformen von der Sphäre zur Freiform Optik (Steigerung der Komplexität von links nach rechts)

Vorteile und Herausforderungen von Freiform Optiken

Basierend auf ihrer speziellen Oberflächenform können Freiform Optiken Funktionen erfüllen, die mit klassischen Optiken nicht realisierbar sind. Besonders bei optischen Systemen, die eine Faltung des Strahlengangs erfordern, wie z.B. bei Monolithen, sind freiformoptische Flächen extrem von Vorteil und können bestehende, größere Anordnungen, wie Spiegelsysteme, ersetzen. Zur Veranschaulichung hierfür zeigt folgende Abbildung das Optikdesign eines monolithischen Systems bestehend aus drei asphärischen und einer freigeformten Oberfläche mit simulierter Faltung des Strahlengangs. Entstanden ist der gezeigte Monolith innerhalb des Wachstumskerns fo+.

Abbildung 2: Optikdesign eines monolithischen Systems. Entstanden innerhalb des Wachstumskerns fo+.

Im Vergleich zu Sphären und Asphären können durch den Einsatz von Freiformen Verbesserungen bezüglich des Gesichtsfelds (FOV) und der numerischen Apertur (NA) sowie in Größe und Gewicht erzielt werden (Vgl. Abb. 3). Eine hohe Qualität der Freiform-Optik ist dabei jedoch zwingende Voraussetzung für eine gleichbleibend hohe Güte des optischen Systems.

Vergleich im Hinblick auf Sichtfeld (FOV), numerische Apertur (NA) und Größe von Freiform Optiken mit Sphären und Asphären — Abbildung 3: Vergleich zwischen Sphäre, Asphäre und Freiform im Hinblick auf Sichtfeld (FOV), numerische Apertur (NA) und Größe.

Die Vorteile von Freiform Optiken liegen vor allem in

ihrer kompakten Form,
der potenziellen Verkleinerung optischer Systeme und
der Ermöglichung neuer optischer Funktionen.

Durch ihre optischen Formen/Flächen, die wenig bis gar nicht symmetrisch gestaltet sind, weisen Freiform Optiken viele Freiheitsgrade auf. Ihre Herstellung ähnelt der hochkomplexer Asphären. Die Oberflächenform und lokale Neigungsänderung beeinflussen die Komplexität der Geometrie und des Herstellungsverfahrens sowie der Vermessung. Dank moderner Fertigungs- und Messanlagen fertigt asphericon auch unkonventionelle Freiformen und Systeme. Darüber hinaus bieten wir eine Optikdesignberatung, die optische Beschichtung, Fassung und CGH-freie Vermessung (komplette Komponente, einschließlich aller Positionstoleranzen) an.

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Vergleich

	Standard-Qualität	Präzisions-Qualität	Diamond-Turning
Durchmesser	8 – 300 mm	4 – 300 mm	1 - 150 mm
Durchmesser Toleranz	± 0,1 mm	± 0,01 mm
Mittendicke	2 - 60 mm	2 - 60 mm	ab 0,5 mm
Toleranz Mittendicke	± 0,1 mm	± 0,05 mm
RMSi Unregelmäßigkeit	0.75 – 0.3 µm	0.09 µm	0.1 µm
Oberflächenrauheit	2.0 – 3.0 nm	1.5 – 2.0 nm	bis zu 1 nm
Vollflächig interferometrische Vermessung	optional	optional	optional
Beschichtung	kundenspezifisch	kundenspezifisch	kundenspezifisch
Material	kundenspezifisch (einschließlich Keramik)	kundenspezifisch (einschließlich Keramik)	kundenspezifisch (einschließlich Keramik)
Fassung	kundenspezifisch	kundenspezifisch	kundenspezifisch
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