Zusammenspiel der Bauteile

Immer anspruchsvollere Anwendungen in der Medizintechnik sowie die aktuellen technologischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Optik und der Optoelektronik erfordern zunehmend neue Herangehensweisen an die Systemauslegung. Auf dem Gebiet der Bildsensoren und Leuchtdioden (LEDs) werden Pixel und die aktive Sensorfläche weiter miniaturisiert. Beispielsweise steigt so auf gleicher Fläche die Leistung. Bei Anwendungen in der Medizintechnik sind Präzisionsoptiken aus neuartigen Hochleistungskunststoffen wegen ihrer Miniaturisierungsmöglichkeiten von Bedeutung, besonders in den Bereichen Diagnostik, Therapie, Endomedizin, Biotechnologie und Ophthalmologie.

Bildverarbeitende Systeme funktionieren jedoch nur so gut, wie es die entsprechende Optik und Optoelektronik zulässt. Neben der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten wirken sich insbesondere auch die Abstimmung und das Zusammenspiel der Bauteile stark auf die Systemfunktion aus. Werden durch Montageschritte Optik und Sensor ungenügend präzise miteinander verbunden, entsteht Leistungsverlust. Da die gesamte Systemleistung in den Vordergrund rückt, stellt die Entwicklung und Fertigung von optoelektronischen Systemen große Anforderungen an die Kompetenzen in der gesamten Prozesskette.

Polymerbasierte Optiken stellen auf Grund ihrer hohen Zuverlässigkeit, Robustheit, Präzision und geringen Herstellungskosten die Grundlage für funktionsoptimierte Systeme dar. Von jeher bietet die Kunststoffoptik hohe Design- und Gestaltungsfreiheit. Optoelektronische Systeme lassen sich neben der Anwendung von refraktiven, diffraktiven und konventionellen Flächen auch durch die Nutzung von nichtsphärischen Flächen wie Asphären, Toren oder Freiformflächen optimieren. So kann die Anzahl der aktiven Elemente reduziert oder die Leistungsfähigkeit gesteigert werden.

Insbesondere die Technologie zur Herstellung hochpräziser optischer Komponenten aus Kunststoff hat sich ständig weiterentwickelt. So können heute hohe Genauigkeiten der optischen Flächen mit geringster Streuung und Präzision sonstiger Formteilmaße gemäß den spezifischen Kundenvorgaben erreicht werden. Für das optoelektronische System sind jedoch auch die lateralen positionsbedingenden Merkmale der Komponenten von besonderer Bedeutung. So ermöglichen neue Werkzeugkonzepte neben den genannten Formteilgenauigkeiten eine exakte Positionierung der optischen Flächen zueinander. So können Abbildungsfehler im System schon auf Komponentenebene stark reduziert und der Aufwand für Montage und Justage minimiert werden. Damit ist es möglich, den Kunden kostenoptimierte Systeme zur Verfügung zu stellen.

Durch Einsatz moderner Prototyping-Verfahren wie der Ultrapräzisionstechnologie und Standard-Serientechnologien sind auch Sonderlösungen einfach und schnell realisierbar. Diese Technologien ermöglichen frühzeitig eine Prüfung und Optimierung des Designs.

Auf die Oberflächen der Komponenten können je nach Anwendungsgebiet optische Funktionsschichten aufgebracht werden, wie beispielsweise Entspiegelungen, Verspiegelungen, Filtersysteme oder Schichten zur Verbesserung von Kratzfestigkeit und Reinigung.

In der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) sind funktionsgerechte Montage und Kontaktierungsverfahren mit Chip-on-Board (COB)-Elementen Stand der Technik. Toleranzarme und funktionsorientierte Montage findet vermehrt Einsatz. So werden aktive Areale gezielt zu Referenzschnittstellen positioniert. Das Toleranzbudget kann unter Berücksichtigung aktiver Justage und Montageverfahren systematisch erweitert werden. Die Entwicklung und Produktion spezieller, für den gegebenen Anwendungsfall optimierter elektrooptischer Bauelemente wie LEDs, Fotodioden, Sensoren und der Signalverabeitungsperipherie bildet zunehmend die Grundlage solcher Systeme.

Für die Systemintegration ist das funktionsgetreue Fügen und Zusammenspiel der Einzelteile von Bedeutung. Bei der Bewertung und Beeinflussung des Montageergebnisses muss daher die Beurteilung der Endfunktion im Vordergrund stehen. Gleiches gilt für die Endkontrolle. So können Anforderungen an die verwendeten Einzelteile im Bedarfsfall gezielt verringert werden – unter Beibehaltung der hohen Anforderungen an die Systemfunktionalität. Speziell für den Bereich Lichttherapie können mit Hilfe von LEDs wellenlängenabgestimmte Erzeugnisse gefertigt werden, die dem jeweiligen Therapieansatz genau entsprechen. Für die Entwicklung und Produktion von Systemen ist es dabei von Vorteil, die gesamte Prozesskette unter einem Dach zu vereinen. So kann das optische Design auf die Gesamtanforderung des Moduls in all seinen elektronischen und mechanischen Komponenten abgestimmt werden. Nur im Zusammenwirken von Elektronik, Mechanik und Optik lassen sich die Wechselwirkungen aller Komponenten im Modul erkennen und optimieren. Reduzierte Schnittstellen ermöglichen eine produktbezogene Fertigungsorganisation mit Kosten- und Qualitätsvorteilen.

Jan Buchwald und Ingolf Reischel Jenoptik Polymer Systems, Triptis