Imos Gubela hat langjährige Erfahrung bei der Entwicklung hochpräziser optischer Systeme. Das Unternehmen simuliert und produziert hochpräzise Optiksysteme mit Kunststofflinsen vom Prototypen bis zur Serienfertigung. Der Optikspezialist setzt dabei auf ein Simulationstool, welches die material- und fertigungsbedingten Toleranzen mitberücksichtigt.

Moderne Kunststoffe bieten für die Herstellung optischer Systeme eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber Glas. Kunststofflinsen sind deutlich leichter, lassen sich schnell in großer Stückzahl fertigen und vergleichsweise einfach zu komplexen Systemen zusammensetzen. Für das optimale Design von Linse und Fassung muss man aber materialspezifische Eigenheiten berücksichtigen. Feuchtigkeit, Umgebungstemperatur und mechanische Spannungen durch falsche Montageaufnahme der Linsen beeinträchtigen den optischen Strahlengang leichter als bei Glas-Linsen. Für die Entwicklung hochpräziser optischer Geräte wie Sensoren lassen sich Optik-Systeme dank moderner Rechenleistung zumindest vordergründig einfach simulieren. Allerdings trifft die Praxis auf unvermeidbare Abweichungen von den Idealbedingungen in der Fertigung von Linsen und es kommen die Bedingungen am Einsatzort hinzu.

Das eingesetzte Simulationstool berücksichtigt zusätzlich zu den theoretischen Grundlagen auch alle material- und fertigungsbedingten Toleranzen. In der angeschlossenen Fertigung können auf Grundlage der Simulation dann selbst komplexe Kunststofflinsensysteme in der Serienfertigung exakt hergestellt werden. So liegt z. B. die Abweichung einer Doppellinse mit zwei unterschiedlichen Brennweiten bei nur 3 μm. Statistisch gesehen weichen dabei von einer Million Linsen nur ein bis zwei Optiken vom errechneten Wert ab.

Bei der Umsetzung einer Optikidee berücksichtigt die Simulation je nach späteren Einsatzbedingungen eine Vielzahl von Parametern, die man nicht unbedingt auf Anhieb erkennt. So verändern sich die üblichen optischen Kunststoffe wie PMMA (Plexiglas) zum Beispiel in ihrer Ausdehnung bei Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchte (Kunststoffe atmen). Für präzise Sensoren, die weltweit in unterschiedlichen Klimazonen eingesetzt werden, ist das schon bei der Entwicklung zu berücksichtigten. Eine Kombination aus Linsen, die z. B. bei Temperaturschwankungen die jeweiligen Veränderungen gegenseitig kompensieren, ist eine Lösung. Auch die Fassung des Linsensystems fließt in den Rechenvorgang ein. Ist sie praxistauglich oder verursacht sie eventuell Spannungen, verzieht sich die Einheit bei Erwärmung oder Feuchtigkeit? Sind die Toleranzen der Linsenaufnahme, der Lichtquelle und des Detektors so, dass das optische System wie erwartet arbeitet? Schon kleinste Abweichungen unter 1/10 mm sind hier entscheidend. Die Spezialisten simulieren das Zusammenspiel aller Einflüsse von der Linse über die Fassung bis zur Dichtung.