Smart Liquid Crystal Optics mit Simulation entwickeln

Woran arbeitet FlexEnable hauptsächlich in der Produktentwicklung?

FlexEnable Technology ist ein Spin-off des Cavendish Lab der Universität Cambridge und konzentriert sich vor allem auf Technologien im Bereich organischer Dünnschichttransistoren (OTFTs). Zentrale Komponenten sind optische Flüssigkristallelemente, die insbesondere in Anwendungen der Augmented Reality zum Einsatz kommen. Mit diesen ultradünnen, flexiblen Flüssigkristalloptiken lassen sich Lichtstrahlen gezielt lenken, modulieren und fokussieren.

Diese bahnbrechende optische Technologie kann biaxial um bestehende Komponenten geformt werden – ein Traum für jeden Industriedesigner. Da sich die optischen Elemente direkt an gestaltete Oberflächen anpassen lassen, können Produkte noch kompakter gebaut werden. Gleichzeitig verbessert sich die optische Leistung im Vergleich zu planaren Glasbauteilen. Leichtbauweise und hoher Nutzerkomfort sind entscheidend für VR/AR-Geräte. Eine Reduktion des Gerätegewichts und eine erleichterte Bildfokussierung fördern die Immersion und helfen, Schwindelgefühle bei Anwendern zu vermeiden.

Was sind die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von AR-Optiken?

Bei der Entwicklung und Optimierung optischer Linsen sowie ergänzender Dimm-Technologien setzt FlexEnable auf einstellbare Flüssigkristalllinsen, sogenannte LC-Linsen. Uns ist es gelungen, neue LC-Linsen zu entwickeln, die auf speziellen Kunststofftypen basieren – konkret auf TAC, einem Material aus Triacetatcellulose. Dieses zeichnet sich durch extrem geringe Doppelbrechung, hohe Lichtdurchlässigkeit und geringe Trübung aus.

Damit können wir die Fokussierung aktiv anpassen, sodass wahrgenommene und tatsächliche Bildtiefe konsistent aufeinander abgestimmt werden – ein entscheidender Faktor, um Fokusunterschiede zwischen virtuellen und realen Bildelementen im Sichtfeld auszugleichen. Dank der Simulationssoftware von Ansys und der Unterstützung durch CADFEM konnten wir den Nutzerkomfort und den Bildkontrast in VR/AR-Geräten deutlich verbessern.

Mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern – dünner als ein menschliches Haar – und einem Gewicht von nur einem Bruchteil eines Gramms lassen sich LC-Linsen auch stapeln, um die Brennweite zu erhöhen. Durch die Kombination mit weiteren flexiblen LC-Zellen können zusätzliche Funktionen integriert werden – etwa das Dimmen virtueller Objekte in unterschiedlichsten Umgebungen.

Können Sie den Einsatz von Simulation konkreter beschreiben?

Ein Beispiel: Wir haben die Optimierung mehrschichtiger Elemente effizient mit dem Ansys Lumerical Stack Tool durchgeführt. Dieses nutzt die Transfermatrix-Methode – eine analytische Lösung der Maxwell-Gleichungen für Dünnschichtsysteme. Da die Optimierung von Transmission und Transmissionsbereich für uns entscheidend ist, waren die numerischen Stacks äußerst hilfreich. Sie ermöglichten es uns, Oberflächenreflexionen zu eliminieren, indem wir die Schichtdicken gezielt auswählten.

Wir entwickeln Linsen, die auf der optischen Achse eine sehr gute Leistung zeigen – außerhalb der Achse nimmt die Leistung jedoch ab. Deshalb arbeiten wir kontinuierlich mit Simulationsunterstützung daran, auch die Off-Axis-Performance zu verbessern.

Wie sieht diese Optimierung in der Praxis aus?

Unser Ziel war es, einlagige LC-Linsen mit hoher Off-Axis-Leistung und exzellenter Bildqualität zu entwickeln. Dafür mussten wir das Elektrodenlayout so gestalten, dass eine punktweise Optimierung der molekularen Orientierung über den winkelabhängigen optischen Response erreicht wurde.

Wir arbeiten mit einem optischen Modell, das es uns erlaubt, ein symmetrisches Linsenprofil mit einem ovalen Spannungsprofil zu erzeugen. Dieses Spannungsprofil wird durch das LC-Material und die Eigenschaften von Near-Eye-Anwendungen beeinflusst.

Dieser Ansatz lässt sich auch auf andere optische Systeme übertragen, etwa für Weitwinkelabbildung oder endoskopische Geräte. Auch refraktive Korrekturen sind denkbar, beispielsweise zur Anpassung der Augenbrechkraft bei Sehbeeinträchtigungen.

Warum ist ein solcher Aufwand für Flüssigkristalllinsen notwendig?

Da Flüssigkristalle in der Regel aus länglichen Molekülen bestehen, sind sie von Natur aus asymmetrisch. Um ein Flüssigkristalllinsenprofil mit radialer Symmetrie zu erzeugen, können mehrere Zellen gestapelt werden. Im Wesentlichen entsteht ein symmetrisches System durch das Ausbalancieren der verschiedenen Schichten.

Wir haben jedoch herausgefunden, dass sich dieselben Eigenschaften auch in einer einzelnen Schicht erzeugen lassen, wenn die molekulare Orientierung in verschiedenen Bereichen der Linse gezielt optimiert wird. Die Simulation mit Ansys Zemax war dabei äußerst hilfreich.

Hat sich der Aufwand gelohnt?

Absolut, der Aufwand hat sich mehr als gelohnt! Wie bei vielen technischen und physikalischen Aufgaben geht es auch darum, die Komplexität zu reduzieren. Deshalb wollten wir die Anzahl der Schichten verringern, teils aus Kostengründen, teils um Trübungs- und Unschärfeeffekte zu minimieren.

Wir haben eine Design-Optimierungs-Pipeline aufgebaut, mit der sich die optische Leistung aus verschiedenen Blickwinkeln simulieren lässt. Dadurch konnten wir die Elektrodenstruktur so optimieren, dass sich aus der anisotropen Flüssigkristallumgebung ein symmetrisches Linsenprofil ergibt.

Simulation ist dabei das zentrale Optimierungswerkzeug. Sie ermöglicht es uns, die wichtigsten Stellhebel bereits vor dem Gang ins Labor zu identifizieren und gezielt zu testen. Das verkürzt die Entwicklungszeiten erheblich.

Können Sie weitere Beispiele für die potenziellen Vorteile der Nutzung von Simulationswerkzeugen geben?

Ansys Zemax ist definitiv unsere wichtigste Grundlage für Simulationen und das erste Werkzeug meiner Wahl für jede Art von optischer Bewertung. Kürzlich habe ich es verwendet, um den bildgebenden Teil eines Interferometers zu entwerfen. Dieses Gerät ist mittlerweile ein zentrales Instrument für uns, um die optische Leistung von Linsen und ähnlichen Komponenten zu bewerten. Wir nutzen es sowohl für bildgebende Optiken als auch für Beleuchtungsoptiken. Dadurch können wir Designs schnell iterieren und sowohl unsere Produkte als auch Technologien im Labor effizient optimieren.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Physical Optical Propagation Toolbox, die sich in der Flüssigkristalloptik besonders gut für Fresnel-Korrekturen der Lichtphase eignet. Der Linsenkatalog hilft uns zudem, Tischversuche schneller aufzubauen, indem wir Standardkomponenten von Zulieferern in das Design integrieren.

Darüber hinaus bietet die Zemax-Software die Möglichkeit, die Ausbreitung eines komplexen elektrischen Feldes zu berechnen, was eine präzise Analyse weiterer Effekte wie Beugung innerhalb eines Systems ermöglicht.

Welche zukünftigen Perspektiven sehen Sie für den Einsatz von Ansys-Software bei FlexEnable?

Ich sehe bereits jetzt die große Bandbreite an Interoperabilität zwischen den Plattformen, die Ansys anbietet. Auch die Integration optischer Anwendungen schreitet voran. Bei der kombinierten Nutzung verschiedener Produkte ist eines der wichtigsten Kriterien die Verfügbarkeit von APIs.

Ein Beispiel ist die Python-API für Zemax, die den Großteil der Verbindungen zwischen unterschiedlichen Softwaresystemen ermöglicht und eine umfassende Systemkopplung erlaubt. Mit den von Ansys bereitgestellten Simulationswerkzeugen lassen sich maßgeschneiderte Lösungen relativ einfach realisieren – und wir freuen uns darauf, diese Möglichkeiten weiter auszuloten. Sie ermöglichen zudem eine anwendungsspezifische Simulationsautomatisierung, mit der wir kommende Herausforderungen effizienter, schneller und sicherer bewältigen können. Das stärkt und erweitert unsere Marktposition und erlaubt es uns, unseren Kunden noch bessere und leistungsfähigere AR/VR-Lösungen zu präsentieren.

Schauen Sie sich das Interview mit Daniel Jimmerskog (Senior Optical Design Engineer, FlexEnable) an:

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