Je kleiner die Lichtquelle, umso höher sind die Anforderungen an die Optik. So lässt sich das Potenzial einer LED nur mit Hilfe einer sehr guten Optik nutzen und hier bieten sich Asphären- und besonders Freiformoptiken an. Dank ihrer beliebig geformten Oberflächen gelten Freiformen als besonders vielversprechend, da sie nicht nur kompakt sind, sondern auch sehr viel bessere Abbildungseigenschaften besitzen als klassische Optiken. Die Oberflächen von Freiformoptiken haben beliebig viele geometrische Freiheitsgrade. Mit klassischen Linsen lassen sich solche Funktionen z. T. nur über Kombination vieler Linsen erreichen und manche sind mit herkömmlichen Optiken überhaupt nicht realisierbar. Die Systeme spielen überall dort eine Rolle, wo besondere Funktionen gefragt sind oder der Bauraum knapp ist. Der Siegeszug scheiterte daran, dass sie einfach zu teuer in der Herstellung sind.

Speziell bei LEDs bietet sich der Einsatz von Freiformoptiken an, dank der geringen Abmessungen von wenigen Millimetern und der entsprechenden räumlichen Abstrahlung des Lichts. Hier kommt man mit klassischen Optiken nicht weit. Und das besonders bei Beleuchtungsaufgaben, bei denen die Lichtleistung genau auf ein gewünschtes Areal gelenkt wird und möglichst wenig Licht ungenutzt »verschwinden« soll, wie z. B. bei Autoscheinwerfern, wo das ganze Licht auf der Straße gebraucht wird. Mit Freiformen lassen sich hier optimale Optiken realisieren. Lediglich deren Design und vor allem die Herstellung sind außerordentlich aufwändig und teuer. In gewissen Grenzen lassen sich hier Kunststofflinsen einsetzen, die kostengünstig mittels Spritzguss zu fertigen sind, aber diese werden oft mit der Zeit »blind«. D. h. bei LEDs mit hoher Leistung kommt man an Glasoptiken nicht vorbei und die mussten bisher aufwändig in Form geschliffen werden, was zu teuer und langsam für eine Produktion in größeren Serien ist. Dazu kommt die Möglichkeit, die Wirkung optischer Komponenten zu simulieren und so völlig neue optische Funktionselemente zu konzipieren mit entsprechend komplexerer Herstellung.

Im Projekt setUP (Fertigung von Quarzglas-Optiken mittels Selective Laser Etching auf Ultrapräzisions-Drehmaschinen) hat man sich des Fertigungsproblems angenommen. Unter der Koordination von Innolite arbeiten hier LightFab, das Fraunhofer ILT und die Technische Hochschule Deggendorf zusammen mit dem assoziierten Partner Berliner Glas.

Beim klassischen Scannen fährt der Scanner linienweise die Oberfläche ab. Am Ende einer jeden Linie muss die Scanrichtung umgekehrt werden, sprich abbremsen und dann wieder beschleunigen; es gibt also keine kontinuierliche Bewegungsführung. »Die setUP-Innovation ist, auf einer Drehmaschine den Laserstrahl kontinuierlich entlang einer Spirale zu führen (Polarkinematik). Man muss nicht mehr an und absetzen wie beim Scanner. Diese Kinematik ist weniger flexibel als der Scanner, aber prädestiniert für i.d.R. runde Optiken«, berichtet Dr. Christian Wenzel, Koordinator des Projekts und CEO von Innolite.

Selective Laser Etching (SLE)

Zunächst wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung (fs, pk) in ein Quarzglasvolumen fokussiert. Die Energie wird im Fokusvolumen absorbiert und modifiziert das Material rissfrei, so dass im »belichteten« Bereich die Ätzbarkeit deutlich steigt. Der Fokus wird durch das transparente Material bewegt, bis die vorgesehene Form belichtet ist. In dem modifizierten Bereich liegt die Ätzbarkeit bei Quarzglas 500-mal höher als im nichtbehandelten Bereich und je höher diese Selektivität ist, um so komplexere Strukturen lassen sich erzeugen. Dann wird das modifizierte Material selektiv durch nasschemisches Ätzen entfernt. So können nicht nur komplexe Glaskörper, sondern auch Mikrokanäle, Formbohrungen, strukturierte Bauteile und komplexe, zusammengesetzte mechanische Systeme in Glas oder Saphir erzeugt werden.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile beim SLE-Verfahren sind die Energie- und Materialeffizienz. Außerdem ist das Verfahren sehr präzise in drei Dimensionen (1 μm Fokus) und schnell bei Einsatz von gepulsten Lasern mit großer Repetitionsrate.
Der Nachteil bei SLE war bisher, dass der Prozess wegen des Ätzens nicht »in-line-fähig« war, sprich das Bauteil muss nach der Belichtung von der Bearbeitungsanlage genommen und separat geätzt und für die weitere Bearbeitung neu ausgerichtet werden. Leider kann man auch zukünftig nicht auf der Ultrapräzisions(UP)-Maschine ätzen, dies bleibt ein off-line-Prozess. Das ist aber kein Nachteil, denn das Ätzen dauert im Vergleich zum Lasern deutlich länger. Das Ätzen ist ein sogenannter Batch-Prozess. Man kann viele Grundkörper mit gelaserter Linsengeometrie »schneller« belichten und in ein Ätzbad geben, wo sie dann gemeinsam gefertigt werden.

»Freiformflächenanteile werden mit einem neu im Projekt entstehenden hochdynamischen Achssystem gefertigt, das in der Lage ist, den Fokus des Laserstrahls kontinuierlich zu variieren. Das System besteht aus zwei Schlitten mit jeweils zwei Objektiven. Das erste fokussiert in der Tiefe, das zweite korrigiert die dabei auftretende sphärische Aberration,« so Christian Wenzel. Da weder teure Masken noch Werkzeuge nötig sind, bietet das SLE -Verfahren großes Potential für eine Massenproduktion, wie für Losgröße 1. Die Bearbeitungspfade lassen sich direkt aus den CAD-Daten erzeugen und das in wenigen Sekunden. So kann man Prototypen wie auch eine Kleinserie genauso wirtschaftlich fertigen wie Großserien. Aber das Verfahren hat Grenzen: »Wir können mit dem Laserstrahl bis zu 30 mm in die Tiefe, aber in dem sich so ergebenden Volumen sind wir sehr frei«, berichtet Christian Wenzel. Die Präzision von bis dato bestehenden Scananlagen ist jedoch durch die Anlagen- und Prozesstechnik auf ca. ±2 μm begrenzt und somit eigentlich noch nicht für Optiken geeignet. Diesen Part übernehmen Ultrapräzisions(UP)-Drehmaschinen wie sie z. B. für die Diamantzerspanung von Metalloptiken verwendet werden. Diese erlauben eine Präzision im sub-μm-Bereich.

Ziel des Projekts

Ziel des setUP-Projektes ist daher die Erforschung einer innovativen wirtschaftlichen Fertigung von Asphären und Freiformoptiken aus Quarzglas durch die Implementierung des SLE-Prozesses auf einer Ultrapräzisions(UP)-Drehmaschine. Damit soll direkt aus dem SLE-Prozess »Schleifqualität« erzeugt werden, d. h. eine Formgenauigkeit PV < 2 μm, eine Rauheit Rz von < 2 μm und keine Sub-Surface-Damages – bei einer Bearbeitungszeit von unter drei Minuten. Im Vergleich dauert das konventionelle Schleifen ca. 25 Minuten. Für die abschließende Politur der gefertigten Optiken werden sowohl Laserpolieren als auch klassische Polierverfahren untersucht. Die Prozessketten aus Geometriefertigung und Politur werden dann abschließend technisch und wirtschaftlich bewertet. Die Verwertung der Projektergebnisse geschieht durch die Firmen Innolite und LightFab, sowohl durch Lohnfertigung als auch durch die Entwicklung, den Bau und den Vertrieb von UP-SLE-Maschinen.