Insbesondere für Sensorik- oder Abbildungsanwendungen werden neben mikro-elektronischen, -mechanischen und -fluidischen Bauteilen immer kleinere und leistungsfähigere optische Komponenten und System benötigt. Die optische System- und Funktionsintegration stellt die dafür erforderlichen Werkzeuge in Form von Konzept- und Optikdesignansätzen sowie Fertigungsprozessen zur Verfügung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung innovativer Methoden zur Realisierung hoch-funktionsintegrierter, miniaturisierter und robuster optischer Freistrahlsysteme. Durch Faltung des Strahlenganges kann ein für viele Anwendungen interessanter Kompromiss aus Systemgröße und -funktionalität erreicht werden. Als eine der zentralen Herausforderungen beim Optikdesign solcher Systeme, wird in der vorliegenden Arbeit sowohl auf etablierte als auch innovative Methoden zur Startsystemfindung im Detail eingegangen. Aus theoretischen Betrachtungen wird deutlich, dass eine optimale Leistungsfähigkeit gefalteter optischer Systeme häufig nur mit komplexen, von der Rotationssymmetrie abweichenden Oberflächenprofilen erreicht werden kann. Durch die ebenfalls eingehend untersuchte Integration zusätzlicher optischer Funktionalitäten wird die Oberflächenkomplexität weiter erhöht. Um den damit einhergehenden steigenden technologischen Anforderungen gerecht werden zu können, steht ein neuartiger integrierter Fertigungsprozess zur Verfügung. Durch sukzessive Anwendung unterschiedlicher Fertigungsverfahren innerhalb eines Bearbeitungs-, Mess- und Positioniersystems werden eine hohe Flexibilität und Präzision bei der Fertigung einzelner Oberflächen und kompletter optischer Systeme erreicht. Ausgehend von den theoretischen und technologischen Grundlagen wird die Integration optischer Funktionen am Beispiel zweier komplexer optischer Strahlformungskomponenten und die optische Systemintegration eines Gasdetektors vorgestellt. An den profilometrischen und optischen Charakterisierungsergebnissen werden die Möglichkeiten und Grenzen der optischen System- und Funktionsintegration diskutiert.
For a large variety of demanding detection and imaging applications miniaturized optical elements and systems with potentially high performance are required besides micro-electronic, -mechanical and -fluidic components. For their realization, sophisticated concept and design approaches as well as fabrication techniques are investigated within the field of optical system and function integration. The investigation and development of innovative methods for the realization of highly functional integrated, miniaturized and robust free space optical systems is the main focus of this thesis. Folding the beam path allows for a well-balanced trade-off in terms of system size and optical functionality which provides a huge potential for different applications. As a one of the key challenges of the optical design process, within this thesis sate of the art as well as innovative and novel techniques for the synthesis of generalized starting systems are presented. Theoretical considerations clearly show, that optimum performance of such systems is typically only achieved with non-rotationally symmetric surface geometries. By integrating additional optical functions the complexity of optical surfaces is further increased. To keep up with the technological requirements connected to optical system and function integration, a novel fabrication approach is introduced. By successively applying different machining techniques within one machining, measuring and positioning system high flexibility and precision for the fabrication of optical surfaces and systems are achieved. After introducing theoretical and technological aspects, optical system and function integration is illustrated on several applications, from the optical design to the fabrication process and functional demonstration. The combination of multiple optical functions within only one component is demonstrated for two complex optical beam shaping elements. By means of optical system integration a robust and miniaturized gas sensor is realized. With profilometric measurements and characterizations of the optical as well as overall performance the opportunities and limitations of optical system and function integration are discussed.