Advanced fabrication strategies for complex micro-optics

Abstract

Die rasante Weiterentwicklung additiver Fertigungsverfahren und eine anhaltende Tendenz hin zur Miniaturisierung in den verschiedensten Industriezweigen ermöglichen völlig neue Möglichkeiten für die Herstellung von High-Tech Komponenten mit Abmessungen im Millimeter- oder sub-Millimeterbereich. Gerade bei optischen Komponenten konnten durch die Fortschritte in der 3D-Drucktechnik vielfältige neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren für Oberflächen optischer Güte hat vor allem ein laserbasiertes 3D-Druckverfahren in den letzten Jahren für Aufsehen gesorgt, welches das Prinzip der Zwei-Photonen-Polymerisation nutzt. Dabei wird ein flüssiger, transparenter Fotolack durch einen fokussierten Laserstrahl mit sub-Mikrometer Auflösung lokal ausgehärtet. Durch die gezielte Verschiebung des Fokus im Fotolack können nahezu beliebige 3D-Strukturen hergestellt werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Optimierung verschiedener Aspekte der Zwei-Photonen-Polymerisation für die Herstellung von optischen Elementen. Hierbei kam ein kommerziell erhältliches 3D-Drucksystem zum Einsatz. Damit war es zunächst nicht ohne Weiteres möglich, Optiken mit Durchmessern > 500 μm zu fertigen. Dieser Größenbereich ist interessant, da hier Kombinationen mit anderen Bauteilen ähnlicher Größe möglich werden, z.B. mit kleinen Kamerachips für optische Sensoren oder mit Bildleitfasern für die Nutzung in der Endoskopie. Der 3D-Druck von Linsen mit bis zu 2mm Durchmesser wird ermöglicht, indem der bestehenden 3D-Drucker um neue optischen Komponenten und ein neues Material erweitert wird. Ein weiteres wichtiges Thema war die Formtreue der gedruckten Optiken. Zwar ist es mit 3D-Druck problemlos möglich, komplizierte Oberflächen wie z.B. Asphären oder nicht-rotationssymmetrische Geometrien herzustellen, aber durch das Schrumpfen des Linsenmaterials kommt es zwangsläufig zu Abweichungen von der Soll-Form. Durch ein iteratives Optimierungsverfahren können Abweichungen < 1 μm erreicht werden. Zweilinsige Abbildungssysteme mit ~500 μm Durchmesser, die auf diese Weise optimiert wurden, besitzen eine hervorragende Abbildungsqualität. Solche Linsensysteme können ebenfalls direkt auf Kamerachips und Glasfasern gedruckt werden, was viele neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Um das Drucksystem effizient zu nutzen wurde weiterhin untersucht, wie die Prozesszeit verringert werden kann. Dies ist mit einer neuartigen Druckstrategie möglich, die eine um 25% kürzere Druckdauer ermöglicht. Ein bewährtes Mittel, um die Leistungsfähigkeit eines optischen Systems zu erhöhen, ist das Hinzufügen weiterer Linsen. Solche Mehrlinsensysteme lassen sich über 3D-Druck in einem einzigen Prozessschritt fertigen, indem die einzelnen Linsen durch ebenfalls gedruckte Abstandshalter miteinander verbunden sind. So wird gleichzeitig der korrekte Abstand zwischen den Linsen und die perfekte Zentrierung auf der optischen Achse gewährleistet. Durch die vielen optischen Grenzflächen entstehen jedoch vermehrt Reflexionen, die einen negativen Einfluss auf die Abbildungsqualität haben können und das transmittierte Licht reduzieren. Deswegen sollte ein Prozess gefunden werden, der die Herstellung von Antireflexbeschichtungen auf 3D-gedruckten Mehrlinsensystemen ermöglicht. Da bei klassischen Beschichtungsverfahren das Material meist aus einer bestimmten Richtung auf die Linsen trifft, können nie alle Oberflächen eines 3D-gedruckten Mehrlinsensystems gleichzeitig beschichtet werden, weil die innenliegenden Flächen nicht getroffen werden. Weiterhin darf die Prozesstemperatur für Polymerlinsen maximal 200 °C betragen. Diese Anforderungen werden durch einen Niedrigtemperaturprozess mit Hilfe von Atomlagenabscheidung erfüllt. Dabei wird die Beschichtung aus der Gasphase heraus aufgebracht. Da die Gasmoleküle problemlos auch die innenliegenden Flächen erreichen, wird die Antireflexbeschichtung gleichzeitig und homogen auf allen Oberflächen des Mehrlinsensystems aufgebracht. Die gezeigten Beschichtungen reduzieren die Reflektivität im sichtbaren Spektralbereich auf maximal 1% und steigern die Transmission durch ein zweilinsiges Abbildungssystem um 20%. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Polymerlinsen, z.B. für Smartphonekameras, sind Verfahren zur Massenfabrikation solcher Optiken ebenfalls von Interesse. Ein Spritzprägewerkzeug aus Titan soll mit einem fokussierten Ionenstrahl direkt strukturiert werden. Spritzprägen ist ein Standardverfahren für die Massenherstellung, bei dem normalerweise Werkzeuge aus Nickel benutzt werden, welche die inverse Geometrie der gewünschten Optik beinhalten. Das harte Titan verspricht im Vergleich zu Nickel eine längere Lebensdauer und damit eine größere Anzahl von Spritzprägevorgängen. Durch das direkte Strukturieren wird ein Inversionsschritt vermieden, was die Fehleranfälligkeit in der Prozesskette reduziert. Für die Optimierung der inversen Geometrie im Titan wurde ein ähnliches Verfahren wie bei den 3D-gedruckten Linsen eingesetzt. Am Beispiel einer durch Spritzprägen gefertigten Fresnel-Linse konnte die gute Abbildungsqualität in Übereinstimmung mit Simulationen gezeigt werden, was die hohe Qualität des hergestellten Titanwerkzeugs bestätigt. Die hier vorgestellten neuartigen Herstellungsprozesse erweitern die Liste der zur Verfügung stehenden Methoden für die Fertigung von Mikrooptiken, können jedoch potentiell auch auf andere Themengebiete übertragen oder mit diesen kombiniert werden. Gerade der 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Polymerisation ist eine sehr vielseitige Fertigungsmethode und wird in vielen verschiedenen Feldern genutzt, z.B. für Mikrofluidik und in biomedizinischen Anwendungen. Die Kombination aus den hier gezeigten 3D-gedruckten Optiken und gedruckten Elementen aus anderen Themengebieten könnte zu neuen, hochintegrierten Komponenten führen und zur Erschließung neuer spannender Forschungsfelder beitragen.