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Mikroobjektive für Sensoren Optische Mini-Linsen aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Rainer Graefen

Wissenschaftler der Universität Stuttgart gelang es mikroskopisch kleine optische Linsen per 3D-Druck zu fertigen. Werden diese auf CMOS-Chips aufgebracht, lassen sich kompakte Sensoren beispielsweise für Maschinen der Industrie 4.0 herstellen.

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3D-gedruckte Mikrolinsen auf einem CMOS-Bildsensor.
3D-gedruckte Mikrolinsen auf einem CMOS-Bildsensor.
(Bild: Universität Stuttgart)

Bei dem neu entwickelten Verfahren, mit dem sich erstmals mehrlinsige Objektive für Abbildungen in höchster Qualität produzieren lassen, kommt ein Kurzzeitlaser in Kombination mit optischem Fotolack zum Einsatz. Hierfür wird ein Laser mit einer Pulsdauer von weniger als 100 Femtosekunden durch ein Mikroskop gelenkt und auf einen Tropfen flüssigen Fotolack fokussiert, der zuvor auf ein Glasplättchen oder auf einer Glasfaser aufgebracht wurde.

Zwei Photonen des roten Laserstrahls mit der Wellenlänge 785 Nanometer werden im Brennpunkt gleichzeitig absorbiert und belichten ihn. Dadurch härtet der Fotolack aus. Der Laserstrahl fährt im Anschluss mit einem Scanner oder durch Verfahren des Substrates die gewünschte Form in alle drei Raumrichtungen ab. Dadurch lassen sich mit einer Submikrometer-Genauigkeit optische Freiformflächen herstellen. Die Präzision erlaubt es, nicht nur kugelförmige Linsen herzustellen, sondern auch Flächen wie Paraboloide oder Asphären höherer Ordnung.

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Miniobjektive für den Einsatz in Endoskopen

Der Doktorand Timo Gissibl aus der Arbeitsgruppe von Professor Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut druckte solche Mikroobjektive auch auf Glasfasern. Damit lassen sich kleinste flexible Endoskope verwirklichen, die auch in minimalste Körperöffnungen oder in Maschinen vordringen können, um dort Untersuchungen vorzunehmen.

Das Optikdesign, also der Bauplan, stammte im Rahmen einer Zusammenarbeit im Stuttgarter Zentrum für Photonic Engineering (SCoPE) vom Doktoranden Simon Thiele aus der Arbeitsgruppe von Professor Alois Herkommer am Institut für Technische Optik.

Sensoren für verschiedene Einsatzbereiche

Gissibl druckte die optischen Freiformflächen und die Miniatur-Mikroskop-Objektive auch direkt auf CMOS-Chips, die somit einen extrem kompakten Sensor darstellten. Mit einer solchen Optik könnten Kameras für Drohnen realisiert werden, die nicht viel größer als eine Biene wären, oder auch kleinste Sensoren für selbstfahrende Autos, autonome Roboter oder für Maschinen der Industrie 4.0. Auch Körpersensoren im Mini-Format und Rundum-Kameras für Handys sind vorstellbar.

Die Forscher konnten ihre Optiken auch mit Beleuchtungssystemen kombinieren. Dadurch kann die Optik einer LED, die das Licht in eine bestimmte Richtung konzentriert, extrem verkleinert werden.

Ein Tag von der Idee bis zum fertigen Objektiv

Die Stuttgarter Forscher glauben, dass mit Hilfe des 3D-Drucks eine neue Ära in der Fertigung von Miniaturoptiken anbricht. "Der Zeitraum von der Idee über das Optikdesign zum CAD-Modell und zum fertigen, gedruckten 3D-Mikro-Objektiv verkürzt sich auf unter einen Tag", sagt Professor Harald Giessen. "Damit eröffnen wir ähnliche Möglichkeiten, wie sie seit einigen Jahren beim Computer Integrated Manufacturing im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung bestehen."

Enge Zusammenarbeit mit der Industrie

Das Projekt, das im Rahmen der Spitzenforschungs-Initiative der Baden-Württemberg-Stiftung gefördert wurde, arbeitet eng mit der Industrie zusammen. Das Startup-Unternehmen Nanoscribe, eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Karlsruhe, baut die hochpräzisen 3D-Drucker mit integriertem Femtosekunden-Laser. Die Firma Carl Zeiss aus Oberkochen berät die Forscher in allen Fragen der Optik.

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