Freiform Optiken - Systeme der Zukunft

Freiformoptiken 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.

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+.

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.

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