Anpassung stetiger optischer Oberflächen mittels additiv gefertigter, adaptiver Trägerstrukturen

Diese neuartige flexiblen Spiegelelemente nebst einem von der Unterseite wirkenden Aktuierungskonzept erlauben neue Anwendungsbereiche im Bereich adaptierbarer Optiken und bieten sich insbesondere in der Musterprojektion oder für die Street-Lightning-Technologie an.

Verformbare optische Elemente und adaptive Optiken bieten einen gewissen Spielraum zur Anpassung eines optischen Systems an wechselnde Anforderungen. So profitieren sowohl Teleskope als auch Laser-Bearbeitungszentren von solch flexiblen Elementen – eine Abstimmung an unterschiedliche Messaufgaben, Adaption von Brennweite und Abstrahlcharakteristiken etc.sind so realisierbar.

Zur mechanischen Manipulation von optischen Oberflächen werden diese häufig in viele kleine, mechanisch gekoppelte und bewegliche Elemente (Facetten) unterteilt. Diese Diskretisierung führt zu optischen Totzonen, was die Effizienz des Elements herabsetzt und zudem eine sehr aufwändige Aktuierung bedingt.
Eine Möglichkeit, durch lokal eingebrachte Verformungen makroskopische Anpassungen an stetigen, flächigen Oberflächen vorzunehmen, war bislang nicht bekannt.

Im Rahmen eines von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projekts wurde an der Hochschule Aalen nun ein System entwickelt, das es erlaubt, stetige flexible Oberflächen (Spiegel) mittels einer geeigneten Trägerstruktur gezielt zu verformen. Unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren werden die membranähnlichen Stützstrukturen durch Variationen in der Membrandicke oder -zusammensetzung individuell an die Einsatzbedingungen angepasst und mit direkt integrierten Gelenken und passenden Fixpunkten versehen. Das auf einem solchen Träger befestigte, flexible optische Element kann dann mittels eines oder mehrerer lokal wirkender Aktuatoren von der Rückseite her manipuliert werden, um die gewünschten Eigenschaften hervorzurufen. Es können bspw. gewisse Muster oder Formen vorgegeben und dennoch im Betrieb angepasst werden. Die Vorteile der Nutzung stetiger optischer Freiform-Flächen gegenüber Facetten-Strukturen liegen auf der Hand – Ansteuerung und Aktuierung sind technisch deutlich weniger aufwändig, das System insgesamt also robuster und damit zuverlässiger. Neue Anwendungsbereiche für flexible Optiken können so erschlossen werden.

• Individuelle Träger-Konstruktion für adaptive Spiegel je nach Einsatzzweck durch 3D-Druck
• Anpassung stetiger optischer Freiformflächen ohne Totzonen
• Makroskopische Formanpassung von Spiegelelementen
• Breiteres Anwendungsspektrum adaptiver Spiegel vergleichbar zu DLP-Projektor

Das hier vorgestellte, neue adaptive Spiegelelement macht diese Systeme nochmal deutlich flexibler und ist damit für ein weites Spektrum von Anwendungen interessant wie bspw. Musterprojektion zur Fehlerdetektion (bspw. Erweiterung des Einsatzspektrums über unterschiedliche Bauteile), die sog. Street-Lightning-Technologie, aber auch Laser-gestützte Fertigung und viele weitere.