Simulations-Tool für die Herstellung optischer Systeme

  •  Ray-Tracing-Simulation am Beispiel der Laserstrahlkollimation: neben der Physik gilt es unter anderem materialspezifische Eigenheiten zu berücksichtigen Ray-Tracing-Simulation am Beispiel der Laserstrahlkollimation: neben der Physik gilt es unter anderem materialspezifische Eigenheiten zu berücksichtigen
  •  Ray-Tracing-Simulation am Beispiel der Laserstrahlkollimation: neben der Physik gilt es unter anderem materialspezifische Eigenheiten zu berücksichtigen
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Mit einem Simulations-Tool, das zusätzlich zu den theoretischen Grundlagen auch alle fertigungsbedingten Toleranzen berücksichtigt, lassen sich komplexe Linsensysteme optimal in Serie produzieren.

 

Moderne Kunststoffe bieten für die Herstellung optischer Systeme Vorteile gegenüber Glas. Es zeigen sich jedoch Herausforderungen im Detail. Mithilfe eines leistungsfähigen Simulations-Tools können selbst komplizierte Linsensysteme - auch in der Serienfertigung - nahe an der Idealvorgabe hergestellt werden. So entwickelt sich die Idee schrittweise zur einsatzgerechten Optik.

 

Kunststoff – die bessere Wahl?

Moderne Kunststoffe bieten für die Herstellung optischer Systeme eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber Glas. Kunststofflinsen sind deutlich leichter, lassen sich schnell in großer Stückzahl fertigen und vergleichsweise einfach zu komplexen Systemen zusammensetzen. Für das optimale Design von Linse und Fassung muss man aber materialspezifische Eigenheiten berücksichtigen.

Feuchtigkeit, Umgebungstemperatur und mechanische Spannungen durch falsche Montageaufnahme der Linsen beeinträchtigen den optischen Strahlengang leichter als bei Glas-Linsen. Für die Entwicklung hochpräziser optischer Geräte, wie beispielsweise Sensoren, lassen sich Optik-Systeme dank moderner Rechenleistung zumindest vordergründig einfach simulieren.

Doch die Theorie ist nur eine Seite der Medaille, die andere Seite ist die Praxis mit unvermeidbaren Abweichungen von den Idealbedingungen in der Fertigung von Linsen - und schließlich mit den Bedingungen am Einsatzort.

 

Simulation und Produktion

Um diese Herausforderungen zu meistern, bietet die IMOS Gubela GmbH umfangreiche Unterstützung an. Die Grundlage dazu ist ein leistungsfähiges Simulations-Tool, welches zusätzlich zu den theoretischen Grundlagen auch alle material- und fertigungsbedingten Toleranzen berücksichtigt. In der angeschlossenen Fertigung können auf Grundlage der Simulation dann selbst komplexe Kunststofflinsensysteme in Serie exakt hergestellt werden. So liegt zum Beispiel die Abweichung einer Doppellinse mit zwei unterschiedlichen Brennweiten bei nur 3 µm (= 0,003 mm).

Statistisch gesehen weichen von einer Million Linsen nur ein bis zwei Optiken vom errechneten Wert ab.

Bei der Umsetzung einer Optik-Idee berücksichtigt die Simulation je nach späteren Einsatzbedingungen eine Vielzahl von Parametern, die man nicht unbedingt auf Anhieb erkennt. So verändern sich die üblichen optischen Kunststoffe wie PMMA (Plexiglas) zum Beispiel in ihrer Ausdehnung bei Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit. Für präzise Sensoren, die weltweit in unterschiedlichen Klimazonen eingesetzt werden, ist das schon bei der Entwicklung zu berücksichtigten. Eine Kombination aus Linsen, die beispielsweise bei Temperaturschwankungen die jeweiligen Veränderungen gegenseitig kompensieren, ist eine mögliche Lösung.

Auch die Fassung des Linsensystems fließt in den Rechenvorgang ein. Ist sie praxistauglich oder verursacht sie eventuell Spannungen, verzieht sich die Einheit bei Erwärmung oder Feuchtigkeit? Sind die Toleranzen der Linsenaufnahme, der Lichtquelle und des Detektors so, dass das optische System wie erwartet arbeitet? Schon kleinste Abweichungen unter 1/10 mm sind hier entscheidend. Die Experten von IMOS Gubela simulieren auf Basis langjähriger Erfahrung das Zusammenspiel aller Einflüsse von der Linse über die Fassung bis zur Dichtung.

Berücksichtigt werden selbst fertigungsbedingte Toleranzen beziehungsweise Vorgaben wie die optimale Formfüllung beim gemeinsamen Spritzguss unterschiedlichster Linsen-Geometrien. Als Ergebnis entstehen so vom Prototypen bis zur Serienfertigung Linsen und optische Systeme mit sehr geringen Toleranzen. Am Beispiel der Doppellinse zeigt sich das unter anderem durch eine Brennweitentoleranz von unter einem Prozent mit einem Prozessfähigkeitsindex (cpk) > 1,66.

 

 


Kunststoffe atmen

Kunststoffe wie PMMA, also Plexi- oder Acrylglas, die unter anderem in optischen Systemen verwendet werden, verändern ihre Ausdehnung bei Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit. Bei Wärme und/ oder Feuchtigkeit dehnen sie sich aus und ziehen sich bei Kälte und/oder Trockenheit zusammen. Diese Tatsache muss bei der Herstellung von Produkten aus PMMA berücksichtigt werden:

Beispielsweise müssen bei Plexiglasplatten, die in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden, die Plattenlängen so bemessen werden, dass das Herausrutschen der Platten aus Halte- oder Anschlussprofilen bei Kälte vermieden wird. Andererseits muss bei warmer Witterung die Materialdehnung ungehindert stattfinden können, um Schäden, wie zum Beispiel durch Beulung auszuschließen.

Bezogen auf eine Einbautemperatur von beispielsweise 10 Grad Celsius (°C) ziehen sich solche Platten in der kalten Jahreszeit bis zu 2,5 Millimeter pro Meter (mm/m) zusammen. Dagegen sollte für die Ausdehnung durch Wärme und Feuchtigkeitsaufnahme ein pauschales Dehnungsspiel vorgesehen werden. Plexiglas nimmt bei feuchter Umgebungsluft ca. 1,2 Prozent und bei Wasserlagerung ca. 2 Prozent Wasser auf. Dabei dehnt sich eine 1 Meter lange Platte je nach Lagerungsart um ca. 1 bis 2 Millimeter aus.


 

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