Optics 2.0: de toekomst van freeform optics

Vrije-vormoptiek is een trend in de optica die het mogelijk maakt kleinere, compactere systemen te maken met gelijke of zelfs betere prestaties. TNO kan hoogwaardige lenzen en spiegels maken én verwerken in optische apparatuur: een unieke combinatie. Dat, en de komst van drie nieuwe machines, is gevierd met het symposium ‘A Freeform Optics Future’ op donderdag 30 november.

Optics Manufacturing, het kloppend hart van Dutch Optics Centre, maakt componenten voor optische (meet)systemen. “Onze specialistische lenzen en spiegels worden verwerkt in allerlei toepassingen, van ziekenhuis- tot communicatieapparatuur. Voor het vervaardigen van deze hoogwaardige componenten hebben we naast veel ervaring ook precieze machines nodig. Onlangs hebben we drie nieuwe machines kunnen aanschaffen, waarmee we deze componenten nog nauwkeuriger kunnen maken. Een stap vooruit richting ons doel om samen met de industrie en andere kennisinstellingen innovatieve optische instrumenten en bijbehorende systemen te ontwikkelen”, legt Jantine Slinger, projectmanager TNO Optics, uit.

Freeform optics
Vrije-vormoptiek, oftewel freeform optics, is een techniek die wordt gebruikt voor de ontwikkeling van hoogwaardige optische systemen. Conventionele lenzen en spiegels met een eenvoudige (bolle of holle) vorm hebben hun beperkingen. Om bepaalde lichtstraalgangen voor elkaar te krijgen zijn lenzen en spiegels met een complexer oppervlak nodig: asferische of freeform (bijvoorbeeld een lens in de vorm van een banaan of paardenzadel).

“Wat voorheen met meerdere lenzen werd bewerkstelligd kan nu met één (of enkele) speciale freeform lens”

Met deze methode is het bovendien mogelijk om hoge resolutie lenzen en spiegels te ontwikkelen die kleiner en lichter zijn en dus compactere systemen mogelijk maken; een grote plus voor bijvoorbeeld ruimtevaartinstrumenten. Deze lenzen en spiegels zijn door hun bijzondere vormen echter wel lastiger om te maken, testen en meten. Daar komen de drie nieuwe machines – een meet-, slijp- en polijstmachine – om de hoek kijken. TNO maakt al meer dan tien jaar freeforms, maar de nieuwe machines zorgen voor een grote uitbreiding van de mogelijkheden. Met hun hulp kunnen freeforms nog nauwkeuriger gemaakt en getest worden.

Klanten vooruit helpen
“Bij Optics Manufacturing maken we specifieke componenten – lenzen en spiegels – die vervolgens in innovatieve systemen worden verwerkt en zo leiden tot unieke, nieuwe producten”, benadrukt Merijn Voets, business developer Optics Manufacturing. “We hebben hier specifieke expertise in huis op het vlak van optica. De combinatie van die vaardigheden én de juiste apparatuur, stelt ons in staat bijzondere, complexe en nauwkeurige instrumenten te ontwikkelen voor extreme omstandigheden. Dat kunnen niet veel bedrijven of kennisinstituten. Daarnaast kunnen we advies geven over maakbaarheid en productkosten. Met onze expertise helpen we anderen vooruit.”

“De adviezen en producten van TNO worden onder meer gebruikt in de ruimtevaart, door klanten als NASA, ESA en Airbus”

Zo worden de adviezen en producten onder meer gebruikt in de ruimtevaart, door klanten als NASA, ESA en Airbus. Een voorbeeld daarvan is satellietinstrument TROPOMI, onlangs als onderdeel van de Sentinel-5P satelliet gelanceerd, dat vanuit de ruimte de luchtkwaliteit en verspreiding van broeikasgassen in de gaten houdt. TROPOMI is gebaseerd op een freeform telescoop.

Unieke producten
Ook in ziekenhuis-, lithografie- en communicatieapparatuur worden spiegels en lenzen verwerkt. “Samen met de Nierstichting werken we bijvoorbeeld aan een nieuw dialyseapparaat dat nierpatiënten thuis kunnen gebruiken. Deze draagbare kunstnier is klein en handzaam en past thuis op het nachtkastje. Waar bij conventionele dialyseapparatuur nog 100 liter dialysevloeistof nodig is, is dat nu nog maar een paar liter. De vloeistof kan namelijk hergebruikt worden dankzij een innovatieve sensor die ionen-concentraties in de vloeistof monitort. Deze sensor kan alleen met freeform optics gemaakt worden“, aldus Bart Snijders, business consultant Optics. Een ander voorbeeld is de ontwikkeling van een nieuw soort microscoop voor medisch onderzoek. Dankzij een freeform spiegelsysteem, bestaande uit twee spiegels, is een compacte microscoop ontwikkeld die goedkoper is vergeleken met de huidige microscopen en bovendien nog scherpere beelden maakt.

“Samen met de Nierstichting werken we bijvoorbeeld aan een nieuw dialyseapparaat dat nierpatiënten thuis kunnen gebruiken”

Nieuwe vorm van wifi
Mogelijk kunnen optische componenten ook bijdragen aan een nieuwe vorm van wifi. Snijders: “In de telecomsector maakt men nu verbindingen via radiogolven, maar zitten we inmiddels tegen de grenzen van de capaciteit aan. Er zijn andere middelen nodig, dat kan met licht. Een laser kan lichtstralen van een grondstation naar satellieten en tussen satellieten verspreiden. Daarvoor zijn zenders en ontvangers nodig die compact en heel precies zijn, die kunnen met freeform optics ontwikkeld worden. Met lasercommunicatie kunnen we ook in de toekomst voorzien in onze groeiende behoefte aan dataverkeer. Eigenlijk geldt voor alle toepassingen dat de functie die voorheen met meerdere lenzen werd bewerkstelligd nu in één (of enkele) speciale freeform lens gelegd kan worden.”

Nauwkeurige machines
Dit alles wordt mede mogelijk dankzij de drie nieuwe machines die TNO onlangs heeft kunnen aanschaffen; een slijpmachine, een polijstmachine en een meetmachine. Het bijzondere aan de nieuwe slijpmachine, Cranfield Precision TTG 350, is dat het naast bolle, holle en vlakke vormen ook freeforms kan maken. Uniek aan de machine zijn de twee verticaal roterende assen, in plaats van het gebruikelijke drie assensysteem (x,y,z). Hierdoor kan nauwkeuriger geslepen worden.

Met de polijstmachine, Q-flex 300, kunnen keramische en glazen lenzen en spiegels gepolijst worden. Met behulp van licht wordt de ruwheid van het oppervlak gemeten en deze kan dankzij computeralgoritmes naar wens en met extreme nauwkeurigheid worden gecorrigeerd. Het polijsten gebeurt met ceriumoxide of diamant (vloeistof), een techniek die MRF (magnetorheological finishing) heet.

Voor, tijdens en na de productie en afwerking van optische componenten worden ze gemeten om te zien of ze aan de voorwaarden voldoen. De ZEISS PRISMO ultra kan freeforms met hoge nauwkeurigheid meten. Deze nieuwe CMM (Coordinate Measurement Machine) is een volautomatische meetmachine, die met een taster de gemaakte componenten meet nadat ze van de werkplaats komen en ze na het slijpen nogmaals controleert. Met deze drie nieuwe machines onderscheidt TNO zich nog verder.

“Op 30 november was de officiële ingebruikname van onze machines. Tijdens het event hebben we aan alle aanwezigen laten zien dat we hier iets bijzonders kunnen”, besluit Voets.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *