Freiformoptiken für innovative Lichtlösungen

Optische Freiformflächen basieren auf dem gleichen Funktionsprinzip wie konventionelle Optiken: Einfallendes Licht wird entweder reflektiert oder gebrochen. Im Vergleich zu klassischen optischen Flächen können Freiformoptiken beliebig geformt und optimal auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden, denn sie müssen keinerlei Symmetrie aufweisen. Dadurch eröffnen sich vielseitige Möglichkeiten für effiziente und kompakte Lösungen für Beleuchtungsoptiken sowohl im Nischen- als auch im Massenmarkt. Etwa ist eine homogene Ausleuchtung begrenzter Flächen möglich. Ebenso können mit dieser Technologie optische Messprinzipien gezielt umgesetzt werden, was für optische Sensoren zu sehr kostengünstigen Lösungen führen kann. Helbling entwickelt seit Jahren neue Anwendungen, bei denen die Vorteile optischer Freiformflächen genutzt werden. Darunter waren etwa Regen-Lichtsensoren für die Automobilindustrie oder Beleuchtungsoptiken für Kameramodule.

Die Vorteile optischer Freiformflächen liegen auf der Hand: Lichtquellen selbst erzeugen meist einen breiten Lichtkegel ohne wesentliche Struktur. Wenn jedoch nur ein definierter Bereich homogen ausgeleuchtet werden soll, so muss die Optik die Lichtstrahlen gezielt umlenken und passend verteilen. Anstelle einer Kombination einfacher optischer Komponenten eignen sich in solchen Fällen Freiformflächen besonders gut. Häufig erzielt hier bereits ein einzelnes optisches Element die gewünschte Wirkung. Dies erlaubt es, die Anforderungen an Bauraum und Lichtverteilung optimal zu erfüllen und führt in der Regel zu einer hohen optischen Effizienz. Darüber hinaus lassen sich neben homogenen Flächen auch beliebige Lichtverteilungen erzeugen.

Bei der Entwicklung von Freiformflächen setzt Helbling auf eine Kombination von zwei sehr unterschiedlichen Simulationstools: Mit «FFOptik» wird die Freiformfläche zunächst unter idealisierten Bedingungen für eine gewünschte Lichtverteilung mathematisch exakt berechnet. In einem zweiten Schritt erlaubt «LightTools» dank umfangreicher Material- und LED-Datenbanken die Durchführung von realitätsnahen optischen Simulationen und Analysen. Anhand der Simulationsergebnisse können gegebenenfalls iterativ Anpassungen der Optik definiert werden.

In enger Zusammenarbeit mit seinen Partnern kann Helbling erste Funktionsmuster einer Kunststoffoptik einfach und zeitnah realisieren. Die Optiken werden mit modernsten Ultrapräzisionsmaschinen durch Diamantdrehen oder -fräsen innerhalb kurzer Zeit gefertigt. Basierend auf Rapid Prototyping wird diese Optik dann mit der entsprechenden Lichtquelle in ein Funktionsmuster integriert. Anschliessend kann die Lichtverteilung im Labor vermessen oder vom Kunden bereits in der gewünschten Anwendung getestet werden. In der Serienproduktion werden Freiformoptiken in der Regel per Spritzguss oder Blankpressen hergestellt. Für die Produktionskosten spielt es dabei keine Rolle, ob es eine klassische sphärische Optik oder eine Freiformfläche ist.

Ein häufiger Wunsch von Kunden ist eine homogene Ausleuchtung von Flächen. Gerade wenn die Optik aufgrund des Bauraums nicht zentral über der Zielfläche, sondern seitlich angebracht werden soll, eignen sich Freiformoptiken hervorragend für die Verbesserung der Lichtverteilung. Die Optik kann dann so ausgelegt werden, dass keine Kompromisse bei der Anwendung oder beim Design eingegangen werden müssen. Ein konkretes Beispiel ist die Beleuchtung für eine Kameraanwendung. Hier kompensiert die Freiformoptik den Helligkeitsabfall im Randbereich des Objektivs, die sogenannte Vignettierung. Weitere Beispiele sind die gezielte Formung des Strahlprofils eines Lasers, die Beleuchtungen für HMIs oder Anwendungen mit Lichtleitern. In der Beleuchtungsoptik verteilt die Freiformfläche die optische Leistung im Raum. Komplementär hierzu kann eine Freiformfläche ebenso das Licht der Umgebung sammeln und auf einen Detektor leiten.

Freiformflächen bieten vielfältige Möglichkeiten bei der Gestaltung optischer Systeme und Anwendungen.