Individualisierte Freiformlinsen

Foto: Bauteile

In optischen Systemen wie Scheinwerfern, Projektoren, Fotoobjektiven und Brillengläsern sorgen Linsen für die Bündelung des Lichts und bestimmen mit ihrer Oberflächenform und -güte maßgeblich die Abbildungsqualität. Bei den üblicherweise verwendeten sphärischen Linsen besteht jedoch stets die Gefahr von Abbildungsfehlern, denen häufig durch die Verwendung mehrerer Linsen in einer Optik begegnet wird. Dadurch erhöhen sich allerdings das Gewicht und der Platzbedarf des optischen Systems. Durch den Einsatz nichtsphärischer Linsen, deren Oberflächenform von der kugelförmigen Wölbung einer sphärischen Linse abweicht, lassen sich diese Abbildungsfehler effektiv verringern.

So können mehrere konventionelle sphärische Linsen durch eine Asphäre ersetzt werden und ermöglichen eine höhere Lichtausbeute. Dadurch reduzieren sich auch die Abmessungen und das Gewicht des gesamten optischen Systems. Bislang wurden nichtsphärische Optiken in kleiner Stückzahl durch eine Vielzahl kosten- und zeitaufwändiger Schleif- und Poliervorgänge hergestellt. Eine Alternative stellt das Blankpressen von Optiken dar, welches jedoch lediglich für größere Stückzahlen wirtschaftlich ist. Ein junges Forscher-Team des Fraunhofer ILT entwickelt im Rahmen des Projekts „Formgebung und Politur optischer Glaskomponenten durch Abtragen und Umschmelzen mit Laserstrahlung“, kurz FoPoLas, ein neuartiges Verfahren zur individualisierten Fertigung von Asphären und Freiformoptiken.

Sebastian Heidrich und seinem Team ist es gelungen, innerhalb weniger Minuten aus einem quaderförmigen Quarzglas nichtsphärische Oberflächen verschiedener Krümmungsgrade und Freiformflächen herzustellen. Dazu haben sie verschiedene Bearbeitungsverfahren zu einer Prozesskette verbunden: Zunächst erwärmt ein CO2-Laserstrahl das Ausgangsmaterial auf über 2230 Grad Celsius, die Verdampfungstemperatur von Quarzglas. Dadurch wird das nicht benötigte Material punktuell verdampft und abgetragen. So kann gemäß den computergenerierten Daten nahezu jede beliebige Oberflächenform erzeugt werden.

In einem nachfolgenden Schritt wird die Oberfläche des Bauteils erneut durch CO2-Laserstrahlung bis kurz unterhalb der Verdampfungstemperatur erwärmt, so dass sich die Viskosität der obersten Materialschicht verändert. Sie wird fließfähig und reduziert aufgrund ihrer Oberflächenspannung ihre Rauheit. Nach dem Abkühlen bleibt das Material poliert zurück. Verbleibende Formfehler sollen nach dem Laserpolieren zukünftig durch einen nachgelagerten, ebenfalls laserbasierten Feinstabtrag korrigiert werden.

Diese Prozesskette richtet sich insbesondere an Hersteller von individualisierten, nichtsphärischen Optiken. Da die Erzeugung der gewünschten Oberflächenform auf Computer-Daten basiert, lässt sich diese ohne aufwändigen Werkzeugwechsel verändern. Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden kann der Einsatz dieser Prozesskette die Fertigungsdauer der optischen Glaskomponenten vermutlich um einen Faktor 10 verkürzen.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT