Freiformoptiken

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Brechende und reflektierende Oberflächen, die sich von sphärischen und asphärischen Geometrien deutlich unterscheiden, haben sich unter der Bezeichnung Freiformoptik in Forschung und Entwicklung etabliert. Ihre Auslegung folgt nicht mehr notwendigerweise den Konzepten abbildender Optik sondern zielt auf die Umverteilung von Energie durch Lichtbrechung und -reflexion. Zum Einsatz kommen Freiformoptiken beispielsweise im Beleuchtungsbereich, um den Energieaufwand und somit die Betriebskosten für die jeweiligen Beleuchtungsszenarien zu senken. Zusätzlich zur Effizienzsteigerung helfen Freiformoptiken, die Ausleuchtung flexibler zu gestalten.

Die Gruppe Freiformoptiken entwickelt für Kunden aus Forschung und Industrie maßgeschneiderte Freiformoptiken für nicht-abbildende Anwendungen. Zusammen mit ansässigen Fertigungsunternehmen realisieren wir virtuelle Prototypen mit fertigungsangepasster Auslegung bis hin zur Charakterisierung von hergestellten Optiken.

 
 

Auslegung hocheffizienter Freiformoptiken

Kompakte Freiformlinse für einen Nebelscheinwerfer Urheberrecht: Fraunhofer ILT Kompakte Freiformlinse für einen Nebelscheinwerfer

Ein Hauptaugenmerk der Forschung liegt auf der anwendungsorientierten Auslegung der optischen Freiformflächen. Zu nennen sind hier Flächen mit nahezu beliebiger Berandung, Flächen mit Aussparungen, die Berechnung mehrflächiger Freiformsysteme und die Berücksichtigung der Ausdehnung realer Lichtquellen. Bei der Entwicklung der Auslegungsalgorithmen werden unter anderem Ergebnisse aus den Bereichen Differentialgeometrie, Computergraphik sowie der Nichtlinearen Optimierung genutzt.

Die am Lehrstuhl TOS entwickelten Algorithmen zur Auslegung von optischen Freiformflächen werden diesen Anforderungen gerecht. Sie zeichnen sich besonders durch ihre Flexibilität bezüglich der Auslegung zweier optisch aktiver Freiformoberflächen aus, wobei brechende und reflektierende Oberflächen in einem optischen Element kombiniert werden können. Durch Kombination zweier brechender, aufeinander abgestimmter Freiformflächen können Fresnelverluste reduziert und die Effizienz im Vergleich zu Freiformoptiken mit nur einer Freiformfläche bis nahe an die theoretisch mögliche Grenze gesteigert werden.

Mit Freiform-Tailoring-Verfahren können im Prinzip sehr komplexe Leistungsdichteverteilungen realisiert werden. Allerdings ist diese Fähigkeit auf Punktquellen beschränkt. Bisher können reale Quellen, die immer eine gewisse Ausdehnung besitzen, nur approximativ behandelt werden. Am Lehrstuhl TOS werden Phasenraum-basierte Verfahren entwickelt, mit denen optische Freiformflächen mit ausgedehnten Quellen auch ohne Näherung berechnet werden können.

 
 

Prototypenentwicklung

LED mit aufmontierter Spritzguss-Freiformoptik Urheberrecht: Fraunhofer ILT LED mit aufmontierter Spritzguss-Freiformoptik

Unsere langjährige Erfahrung bei der Umsetzung von Freiformoptiken und die enge Vernetzung mit fertigenden Unternehmen garantiert die Fertigbarkeit der Optiken durch die Erstellung von virtuellen Prototypen. Wir unterstützen bei der Entwicklung zukunftsweisender Technologien – von der Optiksimulation über das Design funktionaler optischer Elemente mit glatten oder mikrostrukturierten Freiformflächen bis hin zur Optimierung des Fertigungsprozesses.

Das direkte Ergebnis des Optikdesigns ist ein virtueller Prototyp, dessen Performance zunächst mit Hilfe von Simulationssoftware überprüft wird. Hierfür stehen am Lehrstuhl TOS unterschiedliche kommerzielle sowie selbst entwickelte Softwarepakete zur Verfügung, mit deren Hilfe die lichttechnische Funktion verifiziert sowie der Einfluss von Fertigungs- und Montagetoleranzen bestimmt werden können.

 
 

Messtechnik für Beleuchtungsanwendungen

Hocheffiziente LED-Freiformoptiken zur Straßenbeleuchtung Urheberrecht: Fraunhofer ILT Hocheffiziente LED-Freiformoptiken zur Straßenbeleuchtung

Der Lehrstuhl TOS führt die Vermessung und Funktionsüberprüfung von hergestellten Optik-Prototypen aus. Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichtemessungen sowie die Erfassung von Lichtstärkeverteilungskurven (LVK) der Prototypen stellt sicher, dass die gewünschte Funktionalität präzise in der Serienfertigung umgesetzt werden kann.