Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme

MEMS und optische Systeme - zunehmend in miniaturisierter Form - sind wesentliche Bestandteile unseres täglichen Lebens. Neben den linsenbasierten axialen Optiksystemen, wie sie beispielsweise in den meisten Kameraoptiken, insbesondere in Mobiltelefonen, verwendet werden, bieten nichtaxiale Spiegel basierte Optiksysteme hohes Potenzial in spektral anspruchsvollen Anwendungen. Dem Vorteil des Fehlens von Linsen-Farbfehlern (chromatische Aberration) und Absorption in den Linsen steht die Herausforderung der komplexen Montage und Justage der Optikkomponenten gegenüber. Hierdurch wurde bislang die breite Markteinführung, beispielsweise für kompakte Nahinfrarotspektrometer in Lebensmittelanwendungen oder Multispektral-kameras für die Fahrerassistenz, verhindert.
Ein neuartiger Ansatz des Fraunhofer IPMS, die Faltmontage von planaren Substraten – in Anlehnung an die japanische Kunst des Papierfaltens „Origami“ - könnte die bisherigen Einschränkungen beseitigen und den heutigen Stand der Technik wesentlich verbessern. 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 planaren Substrates realisiert, der komplexe Strahlengang im Inneren entsteht dabei automatisch. Wird eine ausreichende Genauigkeit des Substrats, der Bestückung und des Faltprozesses erreicht, sind keine aufwendigen nachfolgenden Justageschritte notwendig. In Vorlaufforschungsprojekten wurden mit Substraten aus der additiven Fertigung (3D Druck) bereits erfolgreich Kamerasysteme und NIR Spektrometer realisiert. Die grundlegende Eignung von Spitzgussverfahren für die Faltmontage wurde in Kooperation mit dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal nachgewiesen. Für die Überführung dieses technischen Ansatzes in die Volumenfertigung ist die Validierung der „Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme“ (ProFamOS) notwendig.
Im Rahmen dieses Projekts werden, aufbauend auf den vorherigen Forschungsprojekten, wichtige Innovationen angestrebt: (1) Die volumenfertigungstaugliche und skalierbare Substratherstellung durch Spritzgussverfahren mit hoher Präzision wird gezeigt, (2) Vorzugsmaterialien - gegebenenfalls gefüllte Polymere oder sogar mehrkomponentige Substrate – werden ermittelt, (3) die bisherige Genauigkeit der Herstellung wird um eine Größenordnung gesteigert und (4) weiterhin werden optische Funktionsflächen integriert sowie Designrules erstellt, mit denen das Optikdesign effizient in einen Substratentwurf per CAD Design überführt werden kann.
Aufbauend auf die benannten Innovationen werden zusätzlich als wesentliche Projektziele ein vollständiges (Mikro-)Spritzguss- und Werkzeugkonzept für die spätere Fertigung erstellt und zwei Funktionaldemonstratoren für auf dem Faltmontageansatz aufbauende Systeme realisiert: Eine Multispektralkamera für den Pkw Spiegelfuß zeigt Potenzial für den Einsatz im Bereich Fahrerassistenzsysteme und ein NIR Spektrometer gleichermaßen für mobile Spektralanalytik bei Anwendungen in der Landwirtschaft und dem Lebensmittelsektor.