Freiformoptik-Design

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickeln Experten für Kunden aus Forschung und Industrie maßgeschneiderte Freiformoptiken für nicht-abbildende Anwendungen. Zusammen mit ansässigen Fertigungsunternehmen realisieren wir Ihre Idee vom virtuellen Prototyp mit fertigungsangepasster Auslegung bis hin zur Charakterisierung von hergestellten Optiken.

Als Freiformoptiken werden brechende und reflektierende Oberflächen bezeichnet, die sich von sphärischen und asphärischen Geometrien deutlich unterscheiden. Zum Einsatz kommen diese Optiken 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 Auslegung optischer Freiformflächen folgt nicht mehr notwendigerweise den Konzepten abbildender Optik, sondern strebt die Umverteilung von Leistung durch Lichtbrechung und -reflexion an. Das Design von Freiformoptiken soll in der Regel eine maßgeschneiderte Leistungsdichteverteilung bei gleichzeitiger Maximierung der nutzbaren Lichtleistung mit einer minimalen Zahl optischer Flächen realisieren.

Die am Fraunhofer ILT 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 Fraunhofer ILT wurden Phasenraum-basierte Verfahren entwickelt, mit denen optische Freiformflächen mit ausgedehnten Quellen nun auch ohne Näherung berechnet werden können.

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 unsere Kunden 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 Fraunhofer ILT 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.

Als abschließende Leistung im Bereich Freiformoptik-Design bietet das Fraunhofer ILT seinen Kunden die Vermessung und Funktionsüberprüfung von hergestellten Optik-Prototypen. Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichtemessungen sowie die Erfassung von Lichtstärkeverteilungskurven (LVK) der Prototypen stellt sicher, dass die gewünschte Funktionalität präzise in der Serienfertigung umgesetzt werden kann.

Prototypenentwicklung

• Virtual Prototyping
• Optikdesign-Aufbereitung für die Fertigung

Als Eigenentwicklungen lassen sich die Auslegungsalgorithmen für einen breiten Anwendungsbereich von hocheffizienten LED-Freiformoptiken erweitern und anpassen:

• Allgemein-, Straßen- und Architekturbeleuchtung
• Speziell angepasste Beleuchtungsgeometrien, die in ihrer Ausdehnung und Platzierung limitiert sind (z. B. Wallwasher, Design-Leuchten, Light Engines)
• Optimale Prozessbeleuchtung
• Automobile Anwendungen (z. B. multifunktionale Linsen für kombinierte Leuchtenfunktionen)
• LED-Faserkopplung

Messtechnik für die Beleuchtungsanwendung

• Messung von Beleuchtungsstärke-, Leuchtdichte und Lichtstärkeverteilungen (LVK)
• Abgleich zwischen Simulation und Experiment