forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2002]
Projekt:
Ausschreibung 2002: Aktive Optik
Viele Anwendungen der Optik wie z.B. Laser-Scanner, Kameras
oder Abstandssensoren erfordern eine schnelle, variable
Fokussierung. Häufig ist der Stellmechanismus komplex und
verteuert daher das optoelektronische System signifikant. Ziel
des am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg
laufenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines
variablen optischen Hohlspiegels, der elektromechanisch in seiner
Brennweite verändert werden kann. Dabei soll der Spiegel
mit kostengünstigen Massenprozessen aus Kunststoffen hergestellt
werden. Grundidee ist, eine Reflektorschale durch eine
zentrale Kraft auszulenken und so das Strahlenbündel zu fokussieren.
Bisher verwendete, einfache Kunststoffspiegel weichen
jedoch von der idealen Form ab und erzeugen dadurch einen zu
großen Brennpunkt. Um einen scharfen Fokus zu erhalten, wird
die Geometrie der Schale so gestaltet, dass sich immer die ideale
Form eines Parabolspiegels ergibt, Abb. 1. Der Spiegel ist verformbar
und weist eine definierte Biegelinie auf, wenn er durch
elektromechanisch erzeugte Kräfte ausgelenkt wird.
Das durchgeführte Vorhaben gliedert sich in die vier Arbeitspakete
Spiegelkonstruktion und Auslegung, Kunststoff-Technik,
Aktor-Integration und messtechnische Charakterisierung.
Abb. 1: Aufbau des Spiegels variabler
Brennweite zur Fokussierung von
Laserstrahlen.
Integrations- und Präzisionstechnologien für
aktive optische Spiegelelemente
Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Der erste Schritt hat die Konstruktion eines Bauteiles zum Ziel,
welches eine definierte Verformung und definiertes strahlenoptisches
Verhalten aufweist. Dazu kann mit den Methoden
der Automatisierten Design-Optimierung die ideale Form für
das Bauteil gefunden werden. Aus diesem Grund wurde im
Rahmen des Projektes zunächst ein neues Optimierungsverfahren
entwickelt, welches bei der Simulation die physikalischen
Domänen der Strahlenoptik, der Wellenoptik, der Mechanik und
der Elektromagnetik umfasst und automatisiert abläuft. Dabei
wird die Geometrie mit dem Programm „OPTIME“ systematisch
so lange variiert, bis die Simulationen eine Toleranzschwelle des
Fehlers der erwünschten Verformung unterschreiten. Auf diese
Weise wird die Dicke über den Spiegelradius so bemessen, dass
sich die Spiegelschale unter jeder Ansteuerkraft zu einer Parabel
verformt. Durch die Erweiterung der Dickenanpassung um
den Umfang konnte auch eine Form entwickelt werden, die
besonders für schrägen Lichteinfall geeignet ist. Neben der
Optimierung der Schichtdickenverteilung durch Simulation
wurden auch analytische Lösungen untersucht. Der Vergleich
zeigte die Konsistenz beider Methoden, für praxisrelevante
komplexe Bedingungen ist aber die Optimierung auf Basis der
Finite-Elemente-Simulation wesentlich vielseitiger.