Freiform Optiken - Systeme der Zukunft

Freigeformte optische Flächen ohne Rotationssymmetrie ermöglichen die Umsetzung völlig neuartiger Konzepte für optische Systeme. Die Verwendung von Freiform Optiken kann zur Reduktion der Elementanzahl in einem optischen System führen, wodurch kleinere, leichtere und effizientere Systeme hergestellt werden können. Das Optikesign und die Fertigung von Freiform Optiken setzen ein Höchstmaß an Präzision und Fertigungs-Know-how voraus.

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.

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.

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.

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

Gemeinsam mit regionalen Partnern, Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten wir seit 2014 am Forschungsprojekt „Freeform Optics Plus (fo+)” an der Entwicklung und Vermarktung innovativer freiformoptischer Systeme. Bisheriger Höhepunkt dieser Zusammenarbeit ist die Auszeichnung mit dem Wissenschaftspreis »Forschung im Verbund« des Stifterverbandes der Deutschen Wissenschaft für innovative Ansätze zur Fertigung von Freiformen im Jahr 2018.

Details zur Fertigung von Freiform Optiken bei asphericon erhalten Sie auch in folgendem Video von fo+, welches im Rahmen der Photonics West 2020 gedreht wurde.

 

AsphericonAsphericon
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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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High-End-Finishing

Durchmesser8 – 300 mm4 – 300 mm1 - 150 mm
Durchmesser Toleranz± 0,1 mm± 0,01 mm 
Mittendicke2 - 60 mm2 - 60 mmab 0,5 mm
Toleranz Mittendicke± 0,1 mm± 0,05 mm 
RMSi Unregelmäßigkeit0.75 – 0.3 µm0.09 µm0.1 µm
Oberflächenrauheit2.0 – 3.0 nm1.5 – 2.0 nmbis zu 1 nm
Vollflächig interferometrische Vermessungoptional
Beschichtungkundenspezifisch
Materialkundenspezifisch (einschließlich Keramik)
Fassungkundenspezifisch
kontakt
Ansprechpartner
Angela Eckstein

+49 (0) 3641 3100 560
sales@asphericon.com