Simulation ermöglicht Linsenproduktion fast ohne Ausschuss

Moderne Kunststoffe bieten für die Herstellung optischer Systeme viele Vorteile gegenüber Glas. Kunststofflinsen sind deutlich leichter, lassen sich schnell in hohen Stückzahlen fertigen und vergleichsweise einfach zu komplexen Systemen zusammensetzen. Für das optimale Design von Linse und Fassung müssen aber materialspezifische Eigenheiten berücksichtigt werden. Feuchtigkeit, Umgebungstemperatur und mechanische Spannungen durch falsche Montageaufnahme der Linsen beeinträchtigen den optischen Strahlengang stärker als bei Glaslinsen. Für die Entwicklung hochpräziser optischer Geräte, wie Sensoren, lassen sich Optik-Systeme mithilfe der hohen Rechenleistung moderner IT-Systeme 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 die Bedingungen am Einsatzort. Hier bietet Imos Gubela, Renchen, umfangreiche Unterstützung an. Grundlage ist eine Simulations-Software, die zusätzlich zu den theoretischen Grundlagen die material- und fertigungsbedingten Toleranzen berücksichtigt. In der angeschlossenen Fertigung lassen sich auf Grundlage der Simulation dann auch komplexe Kunststofflinsensysteme in der Serienfertigung exakt herstellen. So liegt zum Beispiel die Abweichung einer Doppellinse mit zwei Brennweiten bei 3 μm (= 0,003 mm). Statistisch gesehen weichen dabei von einer Million Linsen ein bis zwei Optiken vom errechneten Wert ab.

Die sogenannte Ray-Tracing-Simulation berücksichtigt auch materialspezifische Eigenheiten. Das Bild zeigt das Beispiel der Laserstrahlkollimation, also das parallele Ausrichten von Laserstrahlen durch eine Linse. (Bildquelle: Imos)

Simulation ermöglicht es, Temperaturschwankungen auszugleichen

Bei der Umsetzung einer Optikidee berücksichtigt die Simulation je nach Praxisanforderungen viele Parameter, die nicht unbedingt auf Anhieb ersichtlich sind. So verändern sich die üblichen optischen Kunststoffe, PMMA zum Beispiel, in ihrer Ausdehnung bei Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchte. Für präzise Sensoren, die weltweit in unterschiedlichen Klimazonen eingesetzt werden, ist das schon bei der Entwicklung zu berücksichtigten. Eine Kombination aus Linsen, die zum Beispiel bei Temperaturschwankungen die jeweiligen Veränderungen gegenseitig kompensieren, ist eine 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 Abweichungen unter 1/10 mm sind hier entscheidend. Die Spezialisten simulieren auf Basis langjähriger Erfahrung das Zusammenspiel aller Einflüsse von der Linse über die Fassung bis zur Dichtung. Berücksichtigt werden dabei auch fertigungsbedingte Toleranzen beziehungsweise Vorgaben, wie die optimale Formfüllung beim gemeinsamen Spritzguss unterschiedlicher Linsengeometrien. Als Ergebnis entstehen so Linsen und optische Systeme mit sehr geringen Toleranzen. Am Beispiel der Doppellinse zeigt sich das unter anderem durch eine Brennweitentoleranz von unter 1 Prozent mit einem Prozessfähigkeitsindex (cpk) von > 1,66.