RGB-Projektor mit vier Freiformen auf einem Substrat

Demonstrator des RGB-Freiformprojektors

Strahlformungsoptiken erlauben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von der Laserstrahlformung bis hin zu Beleuchtungsanwendungen in der Architektur. Dabei lassen sich mittlerweile selbst für komplexe Zielverteilungen strahlformende Optiken numerisch berechnen. Zudem ermöglichen ultrapräzise (UP) Fertigungstechniken die Herstellung feiner Freiform-Strukturen über eine große Fläche. Zu Demonstrationszwecken wurde im Projekt KoSimO ein Projektor mit Freiformlinse gebaut. Dieser überlagert drei RGB-Farbkanäle zu einem Bild. Dargestellt wird Joseph von Fraunhofer, der Namensgeber der Fraunhofer-Gesellschaft, in einer Popart-Variante. Zusätzlich ist ein monochromer Kanal vorhanden. Kernstück des Projektors ist eine Freiformlinse mit 160 mm Durchmesser aus PMMA. Die Freiformfläche besteht aus vier Segmenten, die jeweils aus einem kollimierten Laserstrahl die gewünschten Zielverteilungen formen. Diese überlagern sich dann auf der Projektionsfläche in 1 m Abstand zu einem farbigen Bild von 300 mm Kantenlänge.

Herstellung der Linse für den RGB-Freiformprojektor

Da die Zielprofile im Gegensatz zu den gaußschen Profilen der umzuformenden Laserstrahlen keine Symmetrien aufweisen, ist bei der Flächenberechnung die Verwendung komplexer numerischer Algorithmen notwendig. Mit dem verwendeten numerischen Verfahren /2/ lassen sich zudem die steilen Intensitätsgradienten, sowie die zahlreichen Graustufen der Abbildung umsetzen. Basierend auf der Energiebilanzgleichung und dem Brechungsgesetz gewährleistet es die Stetigkeit der Fläche, was zur Vereinfachung der Herstellbarkeit und der Verminderung von Beugungseffekten der Freiform führt. In /2/ konnte zudem gezeigt werden, dass es möglich ist, den Freiformdesignprozess für kollimierte Eingangsstrahlen in einer paraxialen Näherung in zwei separate Schritte zu zerlegen, was den Berechnungsaufwand reduzieren kann.

Demonstrator mit RGB-Projektion eines Joseph von Fraunhofer Portraits im Pop Art-Stil

Die notwendige Toleranz für die Überlagerung der vier Zielverteilungen der einzelnen Bilder ist durch die gemeinsame Fertigung aller Flächen mittels UP-Bearbeitung gewährleistet. Dabei wird zunächst die Grundform mit einer Genauigkeit von < 50 µm vorgefertigt. Im Anschluss erfolgt die UP-Bearbeitung in optischer Qualität mit Hilfe eines Diamantwerkzeuges. Der Werkzeugpfad wurde unter Minimierung der Beschleunigung generiert. Diese Berechnung berücksichtigte außerdem die Begrenzung der Gradienten- und Hubterme durch die Bearbeitungsmaschine /3/. Zudem ist ein erhöhter mathematischer Aufwand notwendig, um die Übergänge zwischen den einzelnen Funktionsflächen auf dem Substrat zu verstetigen. Basierend auf Raytracing-Simulationen wurden die berechneten Flächenbeschreibungen während der Entwicklung geprüft und der Geräteaufbau konzipiert. Generell weist das Fraunhofer IOF Expertise für Design und Fertigung von sowohl strahlformenden als auch abbildenden Freiformoptiken auf.

Beschleunigung (logarithmisch in Einheiten der Gravitation g aufgetragen). Gut zu erkennen sind die filigranen Strukturen, die die Intensitätsverteilung auf dem Schirm erzeugen.

Literatur
/1/    B. Satzer, C. Bösel, J. Hartung et al.: Photonik (2016).
/2/    C. Bösel and H. Gross: Opt. Express, 24, 14271 (2016).
/3/ M. Beier, J. Hartung et al.: Appl. Optics 54, 3530 (2015).

Autoren
Britta Satzer, Christoph Bösel (Institut für Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universität Jena), Robert Jende, Kevin Srokos, Johannes Hartung