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Die Optik steht vor einem revo­lu­tio­nä­ren Wan­del. Über viele Jahr­hun­derte hat sich der grund­le­gende Auf­bau – sym­me­tri­scher linea­rer Strah­len­gang – opti­scher Sys­teme bei Tele­sko­pen und Mikro­sko­pen nicht geän­dert. Ledig­lich inkre­men­telle Ver­bes­se­run­gen auf Grund des Ein­sat­zes neuer Mate­ria­lien und ver­bes­ser­ter Tech­no­lo­gien konn­ten erzielt wer­den. Seit ca. 20 Jah­ren fin­den sich zuneh­mend Asphä­ren in opti­schen Sys­te­men und erst seit weni­gen Jah­ren auch erste Frei­form­kom­po­nen­ten. Ver­bes­serte Design- und Model­lie­rungs­werk­zeuge sowie prä­zi­sere Her­stel­lungs- und Mess­ver­fah­ren auf der Makro- und Mikro­skala eröff­nen die Chance, opti­sche Sys­teme mit signi­fi­kant ver­bes­ser­ter Per­for­mance und klei­ne­ren Abmes­sun­gen her­zu­stel­len. Um diese Mög­lich­kei­ten für ein brei­tes Pro­dukt­spek­trum zur Ver­fü­gung zu stel­len, bedarf es aber nicht nur der Beherr­schung ein­zel­ner Pro­zess­schritte, son­dern der abge­stimm­ten Vor­ge­hens­weise von Desi­gnern, Mate­ri­al­her­stel­lern, Kom­po­nen­ten­her­stel­lern und Sys­tem­in­te­gra­to­ren ent­lang der gesam­tem Inno­va­ti­ons­kette.

Was sind Freiformoptiken?

Frei­for­men sind opti­sche Flä­chen mit belie­big vie­len geo­me­tri­schen Frei­heits­gra­den. Frei­form­op­ti­ken ver­ei­nen ver­schie­dene opti­sche Funk­tio­nen der Strahl­for­mung, die mit klas­si­schen Lin­sen oft nur in Kom­bi­na­tion erreicht wer­den. Frei­form­op­ti­ken kön­nen aber auch opti­sche Funk­tio­nen rea­li­sie­ren, die sich mit her­kömm­li­chen opti­schen Ele­men­ten nicht errei­chen las­sen.

Wo kommen Freiformoptiken zum Einsatz?

Über­all da wo spe­zi­elle Funk­tio­na­li­tä­ten benö­tigt wer­den oder beson­ders kom­pakte Bau­for­men gefragt sind, spie­len Frei­form­flä­chen ihre Vor­teile aus. Dem ent­spre­chend kön­nen Bran­chen wie Anla­gen­bau und Auto­mo­bil­in­dus­trie, Medi­zin und Mate­ri­al­be­ar­bei­tung, Flug­zeug­bau und Frei­zeit­elek­tro­nik, Infor­ma­ti­ons­tech­nik und Lebens­wis­sen­schaf­ten adres­siert wer­den. Bei­spiele:

  • Pro­mi­nen­tes­tes Bei­spiel ist die Gleit­sicht­brille, die in einem Glas stu­fen­los scharfe Bil­der auf jede Ent­fer­nung lie­fert und gleich­zei­tig indi­vi­du­elle Augen­feh­ler kor­ri­gie­ren kann.
  • Die Leis­tungs­fä­hig­keit und Kom­pakt­heit von Kame­ras in Smart­pho­nes basiert in vie­len Fäl­len auf der Ver­wen­dung von Frei­form­op­ti­ken.
  • Bei einem Head Moun­ted Device, wo das Bild eines klei­nen Dis­plays auf engs­tem Raum mit Hilfe eines nicht-sym­me­tri­schen Optik­sys­tems in das mensch­li­che Auge ein­ge­spie­gelt wird, kann mit akzep­ta­blem Auf­wand nur eine Frei­form­op­tik ein­ge­setzt wer­den.

Was sind die Vorteile aus Kundensicht?

Durch die Kom­bi­na­tion der Wir­kung meh­re­rer Lin­sen in einer Frei­form­flä­che wird die Anzahl der ein­zel­nen opti­schen Kom­po­nen­ten redu­ziert und es kann dadurch gleich­zei­tig Platz, Gewicht und Mate­rial ein­ge­spart wer­den. Durch die maß­ge­schnei­der­ten – auf die Anwen­dung zuge­schnit­te­nen – Frei­form­ober­flä­chen, erhöht sich zudem die Qua­li­tät der opti­schen Abbil­dung enorm.

Welche Kompetenzen sind nötig, um Freiformflächen zu entwickeln?

Frei­form­flä­chen besit­zen belie­big viele Frei­heits­grade und daher benö­tigt man zur Beschrei­bung die­ser Art von Flä­chen zahl­rei­che Kenn­grö­ßen. Die feh­lende Sym­me­trie for­dert Mathe­ma­ti­ker und Inge­nieure im Design und in der Fer­ti­gung her­aus, da geeig­nete Rechen­vor­schrif­ten für die Beschrei­bung, spe­zi­elle Modell­grö­ßen für die Bewer­tung der Qua­li­tät und neue Design-Algo­rith­men und Metho­den für die Aus­le­gung und Opti­mie­rung gefun­den wer­den müs­sen. Schließ­lich wer­den ent­spre­chende Com­pu­ter­pro­gramme benö­tigt, damit Fer­ti­gungs­ma­schi­nen die ent­spre­chen­den Daten umset­zen kön­nen. Für ein opti­ma­les Ergeb­nis sind spe­zi­elle auf­ein­an­der abge­stimmte Pro­zess­ket­ten – vom Optik- und Mecha­nik­de­sign über die Her­stel­lung bis hin zum Test von Frei­form­op­tik­sys­te­men not­wen­dig. Bis­her wer­den nur ein­zelne Pro­zess­schritte meist mit begrenz­ter Genau­ig­keit beherrscht.

Die Region

Die Pho­to­nik­in­dus­trie in Thü­rin­gen ist einer der füh­ren­den Stand­orte für Licht­tech­no­lo­gien welt­weit. Rund 170 Unter­neh­men und zahl­rei­che For­schungs­ein­rich­tun­gen mit exzel­len­tem Ruf kon­zen­trie­ren sich in der Tech­no­lo­gie­re­gion Jena, Erfurt, Ilmenau und Gera. Damit sind ca. 10 % der deut­schen Pho­to­nik­un­ter­neh­men im Frei­staat ansäs­sig.

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