Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme

Sdrenka, S.; Stein, K.; Sabiha, M.; Schulz, M. GND; Ziegmann, G. GND; Grüger, H.

Optische Systeme sind wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens. Neben den linsenbasierten axialen Optiksystemen, wie sie beispielsweise in den meisten Kameraoptiken verwendet werden, bieten nichtaxiale spiegelbasierte Optiksysteme hohes Potenzial in spektral anspruchsvollen Anwendungen. Dem Vorteil des Fehlens von Linsen-Farbfehlern, wie chromatische Aberration und Absorption in den Linsen steht die komplexe Montage und Justage der Optikkomponenten gegenüber. Hierdurch wurde bislang die breite Markteinführung, beispielsweise für kompakte Nahinfrarotspektrometer in Lebensmittelanwendungen oder Multispektralkameras für die Fahrerassistenz, verhindert. Ein neuartiger Ansatz des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) könnte die bisherigen Einschränkungen beseitigen. Der Ansatz der sogenannten Faltmontage basiert auf der Idee des Faltens von Substraten, einer Idee die beispielsweise in der japanischen Kunst des Papierfaltens „Origami“ verwendet wird. Im technischen Ansatz wird ein planares Substrat mit Biegestrukturen entlang gezielt einstellbarer Biegelinien versehen. Nach der Bestückung der Komponenten mit verfügbaren hochgenauen 2D Bestückungsautomaten wird der dreidimensionale Körper durch Falten des Substrates realisiert, der komplexe Strahlengang in Inneren entsteht automatisch. Wird eine ausreichende Genauigkeit des Substrats, der Bestückung und des Faltprozesses erreicht, sind keine Justageschritte notwendig. In Vorversuchen wurden mit Substraten aus der additiven Fertigung (3D Druck) bereits erfolgreich Kamerasysteme und NIR Spektrometer realisiert. Die grundlegende Eignung von Spritzgussverfahren für die Faltmontage wurde in Kooperation mit dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PUK) der TU Clausthal nachgewiesen.Für die Überführung des technischen Ansatzes in die Volumenfertigung ist die Validierung der Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme notwendig. Aufbauend auf vielversprechenden Ergebnissen aus Vorversuchen werden wichtige Innovationen angestrebt. Dabei dient das Spritzgussverfahren unter Berücksichtigung spezieller Designrules als volumentaugliches Verfahren für die Substratherstellung mit hoher Präzision sowie Option auf Integration von optischen Funktionsflächen. Neben der Entwicklung eines Spritzguss- und Werkzeugkonzeptes werden zwei stark vereinfachte Funktionaldemonstratoren für auf den Faltmontageansatz aufbauende Systeme realisiert. Eine Multispektralkamera für Pkw-Spiegelfuß zeigt Potenzial für den Einsatz im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und ein NIR Spektrometer für mobile Anwendungen in der Landwirtschaft und dem Lebensmittelsektor.

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Sdrenka, S. / Stein, K. / Sabiha, M. / et al: Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme. Düren 2021. Shaker.

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