Sichtbare Mehrwerte
Micro Lens Arrays (MLA) stehen für eine neue Generation in der Beleuchtungstechnik. Sie sind Wegbereiter für Innovationen durch Miniaturisierung mit – buchstäblich – sichtbaren Mehrwerten bei Funktionalität, Sicherheit und Design. Um MLA präzise und individuell auszulegen, nutzt SUSS MicroOptics optische Simulationen und Robustheitsanalysen innerhalb eines effizienten Workflows.
Licht im Auto geht weit über Scheinwerfer, Innen- und Cockpitbeleuchtung hinaus. Vielmehr sind Beleuchtungslösungen heute von überragender Bedeutung für Design, Ästhetik und Emotion. Mehr noch: Durch Licht erzeugte Effekte können ein Fahrzeug einzigartig machen und Kaufentscheidungen beeinflussen.
Die rasante Entwicklung in der Mikrooptik stellt in der Lichttechnik völlig neue Spielräume zur Verfügung. Denn mikrooptische Elemente stehen neben erhöhter distanz- und winkelunabhängiger Tiefenschärfe für die Miniaturisierung von Lichtlösungen. Ihr geringer Platzbedarf, ihre Universalität beim Einbau und ihre Flexibilität bei der Nutzung haben Designer und Ingenieure schon jetzt zu vorher kaum denkbaren Gestaltungsoptionen inspiriert - und die Möglichkeiten für Innovationen sind noch längst nicht ausgeschöpft.
Weil ihre kompakte Bauweise auch Gewichtreduktion und Energieeffizienz bedeutet, sind Mikroprojektoren prädestiniert für die Elektromobilität. Zusätzliches Potenzial zur Leistungsoptimierung liegt in individualisierten, d.h. exakt an der Kundenapplikation ausgerichteten MLA. SUSS MicroOptics aus Neuchâtel in der Westschweiz löst entsprechende Fragestellungen in einem simulationsgestützten Workflow mit den Ansys-Tools Zemax OpticStudio und optiSLang. Dieser vollständig digitalisierte Prozess ist nicht nur schneller und kostengünstiger als andere Methoden, sondern liefert auch sehr zuverlässig präzise Ergebnisse.
SUSS MicroOptics verbindet eine produktive und persönliche Zusammenarbeit mit den CADFEM-Experten, die durch Tutorials Unterstützung bei der Workflow-Strategie und zum effizienten Know-how-Transfer gaben. Dies hat sich für die Optikdesigner von SUSS MicroOptics als wertvoll erwiesen. Sie sind überzeugte Anwender der Ansys-Tools und haben ein umfassendes Wissen für projektionsbasierte MLA-Designs und optische Simulationen. Da Ansys in der Automobilindustrie sehr verbreitet ist, profitiert SUSS MicroOptics jetzt auch von einer optimierten Interaktion mit seinen Tier-1-Kunden, was einen schnelleren und effizienteren Austausch ermöglicht.
Micro Lens Arrays
Micro Lens Arrays (MLA) setzen sich aus vielen mikrooptischen Elementen zusammen und bilden mit einer LED ein effizientes optisches System. Über die Anordnung und Überlagerung der Mikroprojektoren auf der Trägerplatte wird ein scharfes, integrales Bild erzeugt. Das Anwendungsspektrum von MLA bzw. solchen optischen Systemen reicht von Strahltransformationen bei der Faserkopplung über die Homogenisierung von Lasern bis zur optimalen Bündelung von Diodenstacks identischer Wellenlänge. Die Größe der Arrays reicht von 5 bis zu 50 mm, die Strukturen in der Architektur sind deutlich kleiner als 1 mm.
Beispiel Bodenprojektion
Durch optische Systeme mit MLA erzeugte Bodenprojektionen, „Lichtteppiche“, sind nichts mehr Besonderes. Werden die in die Produkte integrierten Module aktiviert, projizieren sie Informationen, Sicherheitshinweise, Statusmeldungen oder auch nur grafische Lichtdesignelemente auf den Boden und verleihen der Produktwahrnehmung eine zusätzliche Emotionalität.
Beispiele sind die Zeitanzeige von Hausgeräten, Werbebotschaften vor und in Ladengeschäften oder Lichtstreifen, die beim Aussteigen aus dem Auto erscheinen. Die Möglichkeiten von Bodenprojektionen sind längst noch nicht ausgeschöpft – die Erhöhung der Leistungsfähigkeit zur Übernahme weiterer Funktionen ist eine Frage der Weiterentwicklung und Individualisierung der MLA und ihrer mikrooptischen Elemente.
Der simulationsgestützte Workflow von SUSS MicroOptics
Weil mit der Anzahl der Applikationen auch die Anforderungen wachsen, müssen Hersteller die MLA zum einen sehr schnell, zum anderen hochgenau an das vorgegebene Profil anpassen. SUSS MicroOptics hat dafür einen Workflow entwickelt, in dem mit Unterstützung von CADFEM Suisse Simulationstechnologie eine wesentliche Rolle spielt: Ansys Zemax OpticStudio zur passgenauen Auslegung der Mikroprojektoren und ihrer Anordnung; Ansys optiSlang um sicherzustellen, dass auch Fertigungstoleranzen aus dem Produktionsprozess im Sinne einer maximalen Qualität der MLA berücksichtigt werden.
Optimierung des Lichtstrahls mit Ansys Zemax OpticStudio
Ziel ist die exakte Projektion aus einem vorgegebenen Winkel. Da der Lichtstrahl aufgrund des Winkels und des Abstands zur Projektionsfläche inhomogen wird, muss seine Wirkung optimiert werden. In Ansys Zemax OpticStudio kann eine solche Homogenisierung auf Basis einer modifizierten Anordnung erreicht werden, in die auch die Intensität der verschiedenen Lichtkanäle einbezogen wird. Dies geschieht mit automatisierten Makros und einem „Reverse Engineering“, d.h. die Software ermittelt, wie die Mikroprojektoren auf dem Array angeordnet und ausgerichtet sein müssen, um die gewünschte Bodenprojektion, d.h. die Bodenprojektion, zu erzielen.
Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen mit Ansys optiSLang
Nachdem Elemente und Anordnung des MLA für die gewünschte Funktion mit Ansys Zemax OpticStudio ausgelegt und die Ergebnisse vom Kunden abgenommen wurden, folgt ein weiterer Simulationsschritt. Da sich jede minimale Abweichung vom als optimal eingestuften Design des optischen Systems negativ auf die Qualität der Bodenprojektion auswirkt, muss auch der Herstellungsprozess des MLA berücksichtigt werden.
Trotz Reinraumlabor und moderner Lithographietechnik bei SUSS MicroOptics sind Abweichungen bei der Herstellung der MLA unvermeidbar und müssen im Interesse eines hochgenauen Endprodukts analysiert und berücksichtigt werden. Um diese zu berücksichtigen, wird Ansys optiSLang eingesetzt, um aus Tausenden von verschiedenen Kombinationen innerhalb einer Matrix von Parametern, die stochastischen Schwankungen unterliegen, und den messbaren Eigenschaften der MLA wie Schärfe, Leuchtkraft und Brechung die optimale, d.h. robusteste, Konstellation für das Endergebnis zu ermitteln.
Über SUSS MicroOptics
SUSS MicroOptics mit Hauptsitz in Neuchâtel, Schweiz, produziert hochwertige refraktive und diffraktive mikrooptische Elemente für die Faserkopplung, Kollimation und Strahlhomogenisierung. Basis dafür ist ein Expertenteam mit umfangreicher Erfahrung in den Bereichen Optikdesign, Engineering, Wafer-Level-Fertigung, Messtechnik und Packaging. SUSS MicroOptics, eine hundertprozentige Tochter der SUSS MicroTec SE, ist ein qualifizierter Lieferant für innovative photonische Lösungen in den Bereichen Telekommunikation, Datacom, Life Science, Laser, Halbleiterausrüstung und Automobilbeleuchtung. www.suss-microoptics.com
Am Ziel
Am Ende des Prozesses steht ein robustes Optimum für das optische System, das mit digitalen Methoden und unter Berücksichtigung verschiedenster Szenarien bis hin zur späteren Nutzung und Produktion erstellt wird. Dieser von SUSS MicroOptics entwickelte digitale Workflow ist schnell, kosteneffizient und zuverlässig. Dass mikrooptische Systeme individuell an ihren geplanten Einsatzbereich, zum Beispiel als Bodenprojektion, angepasst werden können und damit ihr volles Potenzial ausgeschöpft wird, ist ein zentraler Wettbewerbsvorteil.
Ansys Zemax OpticStudio und Ansys optiSLang können die Innovation weiter vorantreiben, indem sie die vielen weiteren Einsatzmöglichkeiten solcher mikrooptischer Systeme erschließen und die Möglichkeiten der Technologie optimal ausschöpfen, wenn es um Präzision in verschiedenen Formen geht.
Hinweis: Dieser Artikel basiert auf einem Vortrag, den Giorgio Quaranta, SUSS MicroOptics, auf dem Schweizer Forum CADFEM & Ansys 2022 gehalten hat.
Robustness analysis of wafer-level optical systems (cadfem.net)
