Anspruchsvolle Kunststoff - Optik Einleitung - ViaOptic GmbH

Anspruchsvolle Kunststoff-Optik 

-Designbeispiel und Herstellung- 

Dr.-Ing.Ralf Mayer 

VIAOPTIC GmbH | Ludwig-Erk-Straße 7 | D-35578 Wetzlar | Tel: +49(0) 64 41 / 90 11-0 | mayer@viaoptic.de | www.viaoptic.de Mr/15.10.2007 1 

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Einleitung 

Anspruchsvolle Kunststoff - Optik 


Designbeispiel Head Up Display: 

Fertigungstechnik: Abformung und 

Werkzeugtechnik 

Zusammenfassung 




•Einsatzgebiete für Optiken aus Kunststoff 

Laser Technologie 

•Laser Optiken 

•Strahlformung 

Industr. Fert./Logistik 

•Scannersysteme 

•Lichtschranken 

•Optische Sensoren 

Automotive 

•Regensensoren 

•Head-Up Displays 

•Lenkwinkelsensoren 

CE-/IT-/TK-Technik 

•Handy-Objektive 

•Scan-Stifte 

•Glasfaser-Koppler 

Life-Science 

•Diagnostik Geräte 

•Hautsensoren 

•Spritzen 

Beleuchtung/Energie 

•Bewegungsmelder 

•Solarkonzentratoren 

•Reflektoren 




•Abform-Qualitäten 

Brennweite 

Krümmungsfehler 

Irregularitäten 

(D = 25mm Durchmesser) 

Formfehler 

(asymmetrische 

Fläche) 

Oberfläche 

(scratch/dig) 

Rauheit R a 

Zentriergenauigkeit 

Mittendicke 

Durchmesser 

Reproduzierbarkeit 

Low Cost Qualität 

+/-3.... 5% 

+/-3.... 5% 

6....10 

Ringe 

20....50µm 

80 / 50 

10...15nm 

+/-3 min 

+/- 0.1 mm 

+/- 0.1 mm 

1...2% 

+/-2.... 3% 

5...20µm 

60 / 40 

5..10nm 

+/- 2min 

+/- 0.05mm 

+/- 0.05mm 

0.5...1% 

0.5....2 

0.5...5µm 

40 / 20 

2...5nm 

+/- 1min 

+/- 0.01mm 

+/- 0.01mm 

0.3...0.5% 


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Standard 

Qualität 

+/-2.... 3% 

2....6 

Ringe 

State of the Art 

+/-0.5.... 1% 

+/-0.5.... 1% 

Ringe


•Thermoplaste für Präzisions Anwendungen 

Material 

PC 

COC 

Brand 

Name 

common 

used 

Type 

nd 

589nm 

[23°C] 

dn/ dT 

[*10-4/K] 

vd 

Transmission 

2mm 

Thickness 

[%] 

Birefingeance 

[*10 -6 mm²/N] 

Waterabs 

orption 

[%] 


Max. 

Service 

Temp. 

[C°] 

Melting 

Point 

[C°] 

Density 

[g/cm³] 

Elastic 

Modulus 

[N/mm²] 

Ultrimate 

Strength 

[N/mm²] 

Coeff. of 

Expansion 

[1/K] 

Makrolon 2405 1.590 -1.3 31.0 91 66...70 0.35 120 280-320 1.20 2300 ca. 60 6.00E-05 

Lexan 940-A 1.590 -1.3 34.0 91 66...70 110 280-320 1.20 

Topas 5013 1.533 -1.0 56.0 92 -2.....-7


•Thermoplaste für Präzisions Anwendungen 





Designbeispiel Head Up Display 






Designbeispiel Head-Up-Display 

•Grundlagen 

Darstellung von relevanten Daten in der Sichtlinie des Fahrers 

hohe Bildqualität 

keineAkkommodation 

schnelle Informationsaufnahme 




•Grundlagen 

virtuelles Bild 

~2400mm 

HUD-Optik 

HUD Einbau in I-Tafel zw. Instrument-Cluster und Spritzwand 

bauraumangepaßte und bauraumoptimierte Optik notwendig 

Windschutzscheibe 

Eyebox 




•Prinzipielle Varianten 

Variante 1: 

Projektion über Windschutzscheibe 


beste Fahrzeugintegration 

„unaufällig“ 

aber: fahrzeugspezifisch und 

toleranzempfindlich, da Windschutzscheibe 

ein Bestandteil der Optik 

Variante 2: 

Projektion über separaten Kombiner 

Kombiner 


im Prinzip fahrzeugunabhängig 

beste optische Performance 

erfordert ausfahrbaren Kombiner 

mechanisch aufwändig 

schwieriges I-Tafeldesign 




•HUD Design Varianten 

optischer Aufbau 

Flexibilität bei der 

Korrektur der Optik 

Bauraumbedarf 

Chromatische 

Bildfehler 

Aufwand 

Rückreflexverhalten bei 

externem Lichteinfall 

Gewicht 

Reflektiv 

sehr groß 

groß 

keine 

mittel 

günstig 

mittel 

mittel...klein 

problematisch 

sehr groß 

problematisch 



Refraktiv 

groß 

groß 

Catadioptric 

sehr groß 

mittel...klein 

beherrschbar 

groß 

beherrschbar 

mittel


•Anforderungen des menschlichen Sehapparates 

Das System "Auge" 

Super intelligenter 

„Bild Prozessor“ 

-Das Gehirn- 




•Anforderungen des menschlichen Sehapparates 

Ideale biokulare Optik 

li. Auge 

re. Auge 

HUD Optik (schematisch) 

Bildgeber 

Reale biokulare Optik 

li. Auge 

re. Auge 

HUD Optik (schematisch) 

Bildgeber 

asymmetrische Öffnungsfehler 

Eine HUD Optik weist eine große Apertur auf, in der sich 2 kleine Pupillen 

(Augen) bewegen: 

• Optimierung für biokulares Sehen 

• Minimierung von statischen und dynamischen Abbildungsfehlern in 

der Eyebox 

• Optimierung von Auflösung und Kontrast 

Das virtuelle Bild muß ermüdungsfrei betrachtet werden können 

Der Betrachter muß ein „angenehmes Sehgefühl“ haben 




•Anforderungen des menschlichen Sehapparates: Auflösung 

Modulation [%] 

1 

0.9 

0.8 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 

Auflösungsvermögen des Auges im Bereich der Fovea [lp/mm] 

Mouroulis/Visual Instrumentation/McGrawHill 

Brennweite des Auges 

Auflösung im Bereich der Fovea 

Auflösung im Augennahpunkt 

Auflösung bei 2000mm Betrachtungsabstand 

0.9 

0.8 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

0 

theoret. Auflösungsgrenze eines 

idealen Auges 

aberrationsbegrenzte 

Auflösungsgrenze des realen 

Auges 

Aerial Image Modulation:. 

Modulationsanforderungen 

des realen Auges im Bereich 

der Fovea (4mm Pupille) 

MTF des Auges 

Res ≈ 110 



fAuge ≈ 17.3mm 

Fovea 

lp 

mm 

fAuge 

Res254mm = * ResFovea 

≈ 7.5 

Bildweite 

Res ≈ 1 

2000mm 

lp 

mm 

lp 

mm


• Anforderungen des menschlichen Sehapparates: Bildparameter 

Physiologisch wichtige Bildparameter 

Vertikale 

Bildlagendifferenz 

(linkes/rechtes Auge) 

Konvergenz Fehler 


Divergenz Fehler 


Vergrößerungs 

Differenz 


Bild Rotation 


Fokus Differenz 


mrad 

mrad 

% 

Grenzwerte nach 

Gold and Hyman 

(Visual Instrumentation/McGrawHill) 

1 

2.5 

1 

n/a 

zu minimieren 

derzeit nicht eindeutig spezifizierbar, muß auf jeden Fall kleiner 

0.25 dpt. sein 



mrad 

Grenzwerte nach 

Peli 

(Visual Instrumentation/McGrawHill) 

7.5 

10 

10 

1 

6


• Anforderungen des menschlichen Sehapparates: Bildparameter 

„Kosmetische“Bildparameter 




•Optik-Desing: Realisierung 

• aus Bauraum- und Kostengründen werden in aller Regel reflektive oder katadioptrische 

HUD Systeme realisiert. 

• alle reflektiven optischen Elemente (z.B. die Windschutzscheibe) werden i.A. unter großen 

Einfallswinkeln betrieben und erzeugen so erhebliche optische Fehler 

Haupt-Einfallswinkel: 66.5° Wellenfrontfehler: 4090 l 

• neben der Aufgabe ein vergrößertes virtuelles Bild zu erzeugen, muß die HUD-Optik 

die Abbildungsfehler der Scheibe und der „verkippten“ Spiegel korrigieren 

• daher werden i.A. Freiformflächen Spiegel verwendet 





• eine polynominale Darstellung der Freiformflächen (Scheibe und Spiegel) in der 

folgenden Form hat sich bewährt 

z( 

x, 

y) 

= 

1 + 

+ p1⋅ 

x + p2 

⋅ y 

+ p3 

⋅ x 

+ p6 

⋅ x 

2 

3 

+ p10 

⋅ x 

+ p15 

⋅ x 

+ p21⋅ 

x 

+ p4 

⋅ x ⋅ y + p5 

⋅ y 

+ p7 

⋅ x 

4 

5 

6 

2 

+ p11⋅ 

x 

+ p16 

⋅ x 

3 

4 

+ p22 

⋅ x 

c ⋅ ( x 

5 

2 

+ y 

1 − ( 1 + k) 

⋅ c 

2 

⋅ ( x 

2 

) 

⋅ y + p8 

⋅ x ⋅ y 

2 

⋅ y + p12 

⋅ x 

⋅ y + p17 

⋅ x 

2 

2 

3 

⋅ y + p23 

⋅ x 

+ y 

+ p9 

⋅ y 

⋅ y 

4 

⋅ y 

2 

2 

⋅ y 

2 

) 

3 

+ p13 

⋅ x ⋅ y 

+ p18 

⋅ x 


2 

+ p24 

⋅ x 

3 

3 

⋅ y 

+ p14 

⋅ y 

3 

⋅ y 

3 

4 

+ p19 

⋅ x ⋅ y 

+ p25 

⋅ x 

2 

4 

⋅ y 

+ p20 

⋅ y 

4 

5 

+ p26 

⋅ x ⋅ y 

5 

+ p27 

⋅ y 

• Sorgfalt ist bei der Festlegung des Polynomgrades wichtig, wählt man ihn 

zu groß, neigen die Flächen zum „Schwingen“ 

• diese Art der Darstellung ist in Optik-Design Software leicht zu handhaben 

• sie erlaubt eine weitreichende „Formenvielfalt“/Deformation der Spiegel und somit 

einen hohen Grad an Kompensationswirkung 


6



• darüberhinaus wird eine Analyse gegebener Freiformflächen, wie z.B. der 

Windschutzscheibe, wesentlich erleichtert 

-100 

0 

100 

100 

0 

Krümmungsverlauf einer typ. 

Windschutzscheibe im 

benutzten Bereich 

0.0002 

0.0001 

0 

-0.0001 

-0.0002 

-100 

-5 ´10 

-100 

-8 

-2.5 ´10 -8 

2.5 ´10 

0 

-8 

-100 



-100 

0 

100 

100 

Krümmungsänderung einer typ. 

Windschutzscheibe im benutzten 

Bereich 

0 

5´10 -8



• zur Berechung der optischen Komponenten wird bei Viaoptic ZEMAX EE im 

sequentiellen Modus für die Abbildungsoptik und im non-sequentiellen Modus für die 

Streulichtanalyse eingesetzt 

• die Systemoptimierung erfolgt ausgehend vom virtuellen Bild (Reverse Raytracing), was 

die Optimierung der optischen Performance in der gesamten Eyebox wesentlich 

erleichtert 

• Startpunkt für die Optimierung ist eine Einfallswinkel-minimierte Spiegelanordnung, die 

immer die beste Abbildungsqualität im jeweiligen Bauraum erreicht 

virtuelles Bild Eyebox 





• eine Optimierung ausgehend vom Bildgeber, führt in ZEMAX zu Problemen mit der 

Berechung der für die Abbildungsleistung wichtigen Eintrittpupille(=Augenpupille), da 

diese nun im optischen System nach den zu optimierenden Spiegeln liegt 

• nachteilig bei "Reverse Raytracing„: berechnete Abbildungsfehler auf dem TFT müssen 

auf das virtuelle Bild umgerecht werden, was beherrscht ist (siehe: Korsch, Reflective 

Optics) 

3-Spiegel-1-Linsen Design 

Windschutzscheibe 

A3 A2 

Bildgeber 

A1 

3 Freiformspiegel A1..A3 

1 Feldlinse 

Feldlinse 





erreichte Bildperformance innerhalb der Eyebox 

blau = linkes Auge 

grün = rechtes Auge 

oben links 

unten links 

mitte Eyebox 

oben rechts 

unten rechts 






MTF für HUD Optik 

1lp/mm = Augenauflösung 

1 



-600mm 

75mm 

600mm 

Bildfeldkrümmung/Astigmatismus




X-Distortion 

Y-Distortion 

Smile 

X Rotation 

Y-Magnification variation 

X-Magnification variation 

Focus variation / Astigmatismus 

Spot size 

Schärfe 

1lp/mm bei 60% Kontrast 



Einheit 

% 

% 

% 

° 

% 

% 

dpt 

mm 

Lp/mm 

Typical spec 

1.5 

1 

0,1 

0.1 

1 

1 

1/10 

0.5



Auszug einer Spezifikation für HUD Optik : 

•Temperaturbereich: -40°C...105°C 

•max. Feuchte: 95% 

•keine/minimalste Wasserabsorption 

•Freiformflächen bis 230mm x 100mm 

•max. Geometriefehler (21°C): +/- 5...8µm 

•slope error < 5´ 

•Rauheit < 5nm R a 

•Spiegel-Beschichtung : R > 93% zw. 450 und 650 nm 

•AR coating (Linsen): R < 1.5% zw. 450 und 650 nm 

•keine Fließlinien, keine n-Inhomogenitäten, keine "Black-spots" 

•Linsen "frei" von Eigenspannungen/Spannungsdoppelbrechung 

•Material Linsen: z.B. Zeonor 330R 

•Material Spiegel: z.B. Topas 6015 











Fertigungstechnik 

• Spritzguß Technik: Spritzprägen 

Distanzfedern 

Auswerferseite 

1 

3 

Werkzeug offen 

Prägespalt einstellen 

und einspritzen 

Formplatte 

Düsenseite 

4 

Prägehub 

höchste Formgenauigkeit, geringste Eigenspannungen 

erfordert sehr präzise schließende Spritzmaschinen 

liefert reproduzierbare Ergebnisse 



2 

Werkzeug schließen 

5 

Werkzeug öffnen und 

Teil auswerfen


• Werkzeugherstellung 

Geometrie: +/- 3µm 

Ra 0.??nm... 5nm 

Konstruktion 

AV 

Vorfräsen,HSC 

Wärmebehandlung, min 55HRC 

Nickelbeschichtung 

Polieren 

Diamantdrehen 

Einbau/Verwendung 

Geometrie: +/- 2µm 

Geometrie: +/- 0.1µm, 

Ra


• Werkzeugherstellung: Beispiel eines Präzisionswerkzeuges 

Formeinsatz 

Typ. Durchmesser: (1) 2....100mm 

Form : asphärisch 

sphärisch 

Freiform 

Material : Stahl +Nickel 

Formfehler :


• Werkzeugherstellung: Beispiel eines Präzisionswerkzeuges 




• Werkzeugherstellung: Datenformate 

*.step 

• *.iges 

•........ 

Genauigkeit 

des 

Ausgabefiles 

nicht 

ausreichend ! 

2....5µm 

CAD-Ausgabe 

Datenpunkte 

Genauigkeit 

des 

Ausgabefiles 

bedingt 

ausreichend ! 

~1µm 

NURBS 

Non-Uniform 

Rational B-Splines 

Genauigkeit 

des 

Ausgabefiles 

ausreichend ! 


• Werkzeugherstellung: Präzisions-Zerspanung 

Wichtig: 

Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide: 

•CBN 

•PKD Diamant 

•monokristallines SiC 

•CVD Diamant 

•Naturdiamant 

zunehmende Qualität 

Werkzeugfinisch + definierte Werkzeuggeometrie 





•Schneidenradius 

•Keilwinkel 

•Spanflächenwinkel 

•Freiwinkel 

•Formfehler 

•Spanflächenfinish 

•Schneidenfinish 

•Schneid-Kantenschärfe 





Maschinentechnik: 

• Stabilität (termisch+mechanisch) + Dämpfung 

•Präzision 

•Bedienbarkeit: Programmierung etc.... 

•integrierte Meßsysteme für Tools und Bauteil 

•"Slow-Servo" Funktionalität 





Zerspant werden überwiegend Nicht-Karbid-Bildner: 

•Aluminium 

•Nickel (überwiegend als Schicht auf Stahleinsatz) 

•Neusilber 

•Bronze 

•Großer Wunsch: direkte Zerspanung von Stahl, dies spart 

die Nickelschicht 

Materialkorngrenzen 

Verunreinigungen, z.B. Carbide 





Mikrozerspanung mit definierter Schneide ist derzeit das Verfahren der Wahl zur 

Herstellung hochpräziser Formwerkzeuge ohne Politur 

Ein optimales Ergebnis erfordert z.B.: 

• optimale Justage des Werkzeugs in Höhe und Lage zur Drehachse, z.B. durch 

integrierten Interferometer 

• integrierte Bauteilmeßtechnik, z.B. zur Korrektur von Radienfehlern des Diamanten 

• optimal gewählte Bearbeitungsparameter, z.B.Vorschub,Drehzahl 

• geeigneter Schneidenradius 

• höchste Qualität der Schneidkante 

• ............. 

Defizite gibt es aus unserer Sicht derzeit im Wesentlichen in: 

•der Bedienbarkeit der Maschinen 

•der eingeschränkten WZ-Materialwahl (diamantbedingt) 

•der eingeschränkten Werkzeuggeometrie (bedingt durch das Diamantgitter) 

•Bestimmung der Schneidkantenschärfe/Werkzeugverschleiß 












HUD-Design 

Optik Design komplexer HUD-Systeme ist beherrscht 

HUD müssen hinsichtlich Kosten, Bauraum und 

Performance optimiert werden 

die verfügbare Displaytechnologie ist für HUD 

entscheidend 

Präzisions-Kunststoffoptik und deren Herstellung 

Weiterentwicklung verfügbarer Kunststoffe 

Weiterentwicklung von Formenbaumaterialien 

Optimierung der WZ-Maschinentechnik 

Metrologie muß in Bedienung vereinfacht werden

Anspruchsvolle Kunststoff - Optik Einleitung - ViaOptic GmbH

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