Was ist Mikrooptik?

Mikrooptiken sind mikroskalige optische Komponenten mit einer Größe von 1 µm bis 1 mm (seitliche Ausdehnung oder Durchmesser, je nach System). Das Feld ist eng mit der Photonik verwandt, bei der Licht auf kleinen Skalen mithilfe miniaturisierter Systeme manipuliert, übertragen und gesteuert wird.

Heute gibt es viele Arten von Mikrooptiksystemen, von denen die meisten kleinere Versionen sperrigerer optischer Systeme sind, die aus traditionellen optischen Materialien wie Glas und Polymeren hergestellt werden. Einige Mikrooptiksysteme werden jedoch auch in Infrarotanwendungen eingesetzt, bei denen lithografisch hergestellte Halbleitermaterialien verwendet werden.

Die heutigen Mikrooptiksysteme nutzen viele der grundlegenden Prinzipien und optischen Funktionen größerer optischer Systeme, jedoch in wesentlich kleineren Maßstäben. Dazu gehören Brechung, Beugung und Reflexion verschiedener Lichtwellenlängen. Die kleineren Skalen von Mikrooptiken können manchmal optische Aberrationen verursachen, doch die Gesamtvorteile der Systemminiaturisierung machen Mikrooptiken für viele fortschrittliche Technologieanwendungen entscheidend.

Es gibt zahlreiche Arten von Mikrooptiken, und viele werden ähnlich wie herkömmliche optische Komponenten hergestellt – darunter Linsen, Spiegel, Prismen, Beugungsgitter und Blenden –, jedoch in einem wesentlich kleineren Maßstab. Nachfolgend sind einige der gängigen mikrooptischen Komponenten aufgeführt, die heute verwendet werden.

Mikrolinsen

Mikrolinsen sind sehr kleine Linsen mit einem Durchmesser im Mikrometer-Maßstab anstelle von Millimeter-, Zentimeter- oder größeren Skalen. Einer der größten Fortschritte in der Mikrolinsentechnologie der letzten Jahre ist die Gradient-Index-Technologie (GRIN-Linsen). GRIN-Linsen haben mehrere Oberflächen (die aus verschiedenen Materialien hergestellt werden können), die alle unterschiedliche Brechungsindizes besitzen. Die mehrschichtigen Strukturen brechen Licht, indem die Variationen des Brechungsindex der einzelnen Schichten das Licht periodisch zur nächsten Schicht weiterleiten. GRIN-Linsen haben auch begonnen, diffraktive optische Elemente zu integrieren, indem ein Gitter über die Oberfläche der Mikrolinse gelegt wird. Diese sind jedoch keine herkömmlichen GRIN-Linsen und ähneln eher einer Metalinse. Die andere Hauptklasse von Mikrolinsen ist die Mikro-Fresnel-Linse, die eine Reihe konzentrisch gekrümmter Oberflächen verwendet, um Licht mittels Brechung zu fokussieren.

Mikrolinsen-Arrays

Mikrolinsen-Arrays – auch bekannt als Lenslet-Arrays – sind eine Reihe winziger Linsen (Lenslets), die gefertigt und in einem bestimmten Muster angeordnet werden. Dies ist oft ein Raster oder ein periodisches Muster, und sie werden in diese spezifischen Muster gebracht, um verschiedene Funktionen auszuführen, wie das Manipulieren, Fokussieren oder Lenken von Licht. Mikrolinsen-Arrays können auch als refraktive Mikrolinsen-Arrays oder diffraktive Mikrolinsen-Arrays gefertigt werden, abhängig von ihrer vorgesehenen Funktion und den jeweiligen Funktionsprinzipien.

Lichtwellenleiter

Optische Fasern sind für die Übertragung von Licht in der alltäglichen Telekommunikation bekannt. Optische Fasern mit einem mikroskaligen Kerndurchmesser gelten als mikrooptische Systeme. Diese Fasern mit ultraschmalen Durchmessern werden gebündelt, um Licht (mit Daten) über große Entfernungen in Glasfaserkabeln zu übertragen. Optische Fasern bestehen aus einem Kern mit niedrigerem Brechungsindex, einer Ummantelung mit höherem Brechungsindex und einer äußeren Schutzbeschichtung. Der höhere Brechungsindex reflektiert das Licht zurück in den Kern, leitet es zum vorgesehenen Ziel und stellt sicher, dass die Faser während der Übertragung keinen Verlust erleidet. Dieses Reflexionsprinzip wird als totale interne Reflexion (TIR) bezeichnet. Während das Prinzip hauptsächlich für die Lichtübertragung über große Entfernungen genutzt wird, wird das kontrollierte Austreten von Licht aus optischen Fasern auch für Umgebungslichteffekte in Autos, Flugzeugen, Schiffen, Nachtclubs und ähnlichen Anwendungen eingesetzt.

Mikroprismen

Mikroprismen sind kleinere Versionen optischer Prismen, die aus Vollglas bestehen und eine spezifische Geometrie aufweisen, die es ihnen ermöglicht, Licht zu drehen, zu verschieben und zu streuen. Obwohl Mikroprismen kleinere Versionen herkömmlicher optischer Prismen sind, werden sie in erster Linie zur Lichtlenkung eingesetzt und haben in der Glasfaserkommunikation als optische Schalter weite Verbreitung gefunden.

Mikrospiegel

Mikrospiegel sind kleinere Versionen großer Spiegel und arbeiten nach den gleichen Grundprinzipien der Reflexion. Wie herkömmliche Spiegel werden Mikrospiegel mit einer reflektierenden Beschichtung versehen – entweder aus einer dielektrischen oder metallischen Mehrschichtstruktur – um Licht auf deutlich kleineren Skalen zu reflektieren. Sie werden oft mit kleinen Stellgliedern kombiniert, die eine präzise Positionierung während des Betriebs ermöglichen. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind ein Beispiel für Mikrospiegelsysteme. Während MEMS viele Komponenten enthalten können, besteht eine typische MEMS-Architektur aus einer Reihe von Mikrospiegeln, von denen jeder den Winkel schnell ändern kann, entweder gemeinsam oder unabhängig voneinander.

Vorteile der Mikrooptik

Es gibt viele Arten von Mikrooptiken – alle bieten spezifische Vorteile für bestimmte Anwendungen – doch der Hauptvorteil liegt in ihrer geringen Größe. Darüber hinaus bringt die kleine Größe eine Reihe sekundärer Vorteile mit sich, darunter die Möglichkeit, optische Geräte leichter und kompakter zu gestalten, insbesondere da herkömmliche optische Systeme mit mehreren Bandbreiten in der Größe oft unhandlich sind. Zudem können fortschrittliche optische Komponenten für Mikroelektronik und Optoelektronik mit weniger Materialeinsatz und geringeren Kosten entwickelt werden.

Der kleine Maßstab der Mikrooptik eröffnet auch neue Anwendungen, wie fortgeschrittene chirurgische Endoskope und Roboterchirurgie, die es erlauben, durch verschiedene Arten von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten und Transparenzen zu sehen.

Mikrooptische Komponenten tragen dazu bei, die Leistung vorhandener optischer Geräte zu verbessern, deren Größe zu verringern, Linsen und andere optische Komponenten für neue Anwendungen zu erschließen und bestehende Technologien durch fortschrittlichere Systeme zu ersetzen. Im Folgenden sind einige gängige Anwendungsbereiche aufgeführt.

Photogrammetrie

Photogrammetrie ist ein Verfahren, das der Lidar-Erkennung ähnelt, jedoch Kameras anstelle von Lasern verwendet. Dabei werden Objekte und Umgebungen mithilfe von Fotografien rekonstruiert. Fotos werden aus verschiedenen Winkeln mit Kameras am Boden und in der Luft aufgenommen, und fortschrittliche Software-Algorithmen verarbeiten und kombinieren diese, um topografische Karten und 3D-Modelle zu erstellen.

Photogrammetrie ermöglicht die Vermessung auf wesentlich größeren Skalen und kann automatisiert mit Computern durchgeführt werden. Sie kann Millionen von Punkten im Sichtbereich der Kamera erfassen und die Entfernung zu jedem dieser Punkte berechnen. Photogrammetrie ist genauer als Lidar und erfasst Entfernungen passiv, während Lidar Strahlen aussenden und Flugzeitberechnungen durchführen muss. Lenslet-Arrays werden in Photogrammetrieanwendungen in Form von Lichtfeld-Bildgebungskameras (LFI) eingesetzt. Diese Kameras müssen sich nicht physisch bewegen, da jedes Objektiv – alle in bestimmten Abständen angeordnet – ein eigenes Sichtfeld besitzt, um die Umgebung zu erfassen.

Drohnen und autonome Fahrzeuge

Drohnen und andere unbemannte Fahrzeuge sind schwer, und es besteht ein Bedarf, die Größe und das Gewicht der Komponenten zu reduzieren. Optische Komponenten machen zwar nur einen kleinen Teil des Gewichts aus, ermöglichen jedoch auch die Skalierung von Bildgebungssystemen und Überwachungstechnologien, wenn Drohnen kleiner werden. Neben der Miniaturisierung herkömmlicher optischer Systeme können Drohnen und andere autonome Fahrzeuge auch mit Photogrammetriesystemen ausgestattet werden.

Drohnen mit Photogrammetriesystemen können einen Standort in weniger als einer Stunde überfliegen und vermessen – im Vergleich zu manuellen Methoden, bei denen zwei oder drei Personen mehrere Tage benötigen, um dieselbe Aufgabe durchzuführen. Da die Kameras mehrere Sichtfelder gleichzeitig abdecken können, könnten sie zudem die heute in autonomen Fahrzeugen eingesetzten Lidar-Systeme potenziell ersetzen.

Biomedizinische Anwendungen

Medizinische Geräte – insbesondere solche, die in den Körper eingeführt werden – müssen klein sein. Mikrooptiken tragen zur Miniaturisierung der optischen Elemente in verschiedenen medizinischen Geräten und chirurgischen Instrumenten bei.

Ein zentraler Anwendungsbereich ist die Verbesserung der Leistung und die Verringerung der Größe der Objektive in Endoskopen. Mikrooptiken ermöglichen nun den Einsatz von Multiwellenlängenfunktionen in Endoskopen, wodurch Chirurgen durch unterschiedliche Flüssigkeiten wie Blut und Wasser sehen können. Früher war es zu umständlich, alle erforderlichen optischen Komponenten zu integrieren, die Endoskopen diese Funktionen ermöglichen würden. Die Entwicklung mikrooptischer Systeme hat jedoch dazu geführt, die Anforderungen an die optischen Komponenten so weit zu reduzieren, dass dies in der Chirurgie nun realisierbar ist.

Bei chirurgischen Eingriffen können robotische Operationssysteme Laser unterschiedlicher Wellenlängen enthalten, von denen einige für Blut durchsichtig, aber für Wasser undurchlässig sind und andere umgekehrte Eigenschaften besitzen. Dies erlaubt es der operierenden Person, gezielt bestimmte Gewebe anzusprechen, während andere Gewebe geschützt bleiben.

Lichtmanipulationsgeräte

Mikrolinsen können auch verwendet werden, um Licht von kleinen Lichtemittern zu kollimieren und zu fokussieren, wie etwa VCSELs (vertikale Hohlraumflächen-emittierende Laser), Laserdioden und Wellenleiter auf photonischen integrierten Schaltungen (PIC)-Chips. Mikrooptiken können Licht korrigieren, das von seinen idealen Eigenschaften abweicht, die Helligkeit des Lichts erhöhen und Licht aus mehreren Fasern koppeln. Darüber hinaus können Mikrooptiken in Strahlteilern und Polarisatoren eingesetzt werden, um Laserstrahlen in ihre polarisierten Komponenten aufzuteilen.

Phased Array-Antennen sind in viele Plattformen und Pakete integriert und können verwendet werden, um die in eine bestimmte Richtung gerichtete Energie zu maximieren. Die obige Animation zeigt eine HFSS-Software-Animation zur dynamischen Strahllenkung und zeigt auch elektrische Ströme, die die Antenne auf andere Teile des Host-Pakets induziert.

Der kleine Maßstab von Mikrooptiken macht ihre Konstruktion und Herstellung besonders anspruchsvoll. Von der Wahl der Fertigungsmethode bis hin zu potenziell begrenzenden Blendengrößen – Ingenieur*innen müssen bei der Entwicklung mikrooptischer Systeme viele Aspekte berücksichtigen.

Herstellung von Mikrooptiken

Der kleine Maßstab und der hohe Leistungsbedarf erfordern Fertigungstechniken mit großer Präzision. Werden Mikrooptiken nicht in hoher Qualität gefertigt, leidet die Leistung des Gesamtsystems. Aus diesem Grund kommen eine Reihe fortschrittlicher Fertigungsmethoden zum Einsatz, darunter:

• Fotolack-Reflow: Dabei wird ein Fotolack auf einen kleinen kreisförmigen oder kugelförmigen Bereich aufgebracht. Das Bauteil wird auf eine Schwellentemperatur erhitzt, bei der der Fotolack schmilzt und über die Oberfläche eines Substrats fließt. Dieses Verfahren wird häufig verwendet, um Mikrolinsen mit abgerundeten Kanten auf optoelektronischen Chips herzustellen.
• Replikationstechniken: Hierbei handelt es sich um Fertigungsmethoden, die für sperrige Optiken eingesetzt werden, sich aber auch für Mikrooptiken eignen. Dazu zählen Spritzguss, UV-Guss und Heißprägung.
• Microcontact-Druck: Dies ist ein Soft-Lithografie-Verfahren, mit dem glatte, gekrümmte und optisch transparente Oberflächen erzeugt werden. Es wird bei weicheren Materialien eingesetzt und häufig zur Herstellung flexiblerer Substratschichten verwendet.
• Wafer-basierte Lithografie: Dieses konventionelle Halbleiter-Lithografieverfahren wird zur Herstellung halbleiterbasierter Mikrooptiken für Infrarotanwendungen eingesetzt.

Modellierung der Interaktion von Fluiden mit Mikrooptik

Für chirurgische Anwendungen wie Endoskope müssen Ingenieur*innen zeigen, wie Körperflüssigkeiten mit den optischen Komponenten interagieren und wie sich das Licht durch verschiedene Flüssigkeiten ausbreitet. Fluide, Optik und die Strahlenführung im gesamten System müssen modelliert werden – diese Interaktionen können mit der Simulationssoftware Ansys Fluent abgebildet werden.

Mechanische Probleme

Wie normale Linsen müssen Mikrolinsen montiert werden. Die Montage von Linsen kann Vibrationen verursachen, die die Leistung der Optik beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die Montage Doppelbrechung induzieren, die ebenfalls die optischen Eigenschaften der Mikrolinsen beeinflusst. Physikalische Aspekte, die Mikrooptiken beeinflussen, lassen sich mit der Finite-Elemente-Analysesoftware von Ansys Mechanical modellieren.

Thermische Probleme

Thermische Effekte können Mikrooptiken auf verschiedene Weise beeinflussen. Wärme kann zu Ausdehnung und Kontraktion von Komponenten führen, was strukturelle Verformungen des Glases, einschließlich Wellenbewegungen, verursacht. Der Brechungsindex des Glases ist temperaturabhängig, und das Glas absorbiert unterschiedliche Mengen an Licht- bzw. Laserenergie, je nach Temperatur, während es durch die Linse tritt. Daher ist die Modellierung thermischer Effekte für Hochleistungsoptiken wichtig. Dies kann mit der thermisch ausgerichteten Modellierungssoftware Ansys Thermal Desktop sowie mit Ansys Mechanical erfolgen.

Simulation der optischen Eigenschaften von Mikrooptiken

Optische Systeme können in verschiedenen Maßstäben mit der Ansys Lumerical-Software, der Design- und Analysesoftware Ansys Zemax OpticStudio für optische Systeme sowie der CAD-integrierten Simulationssoftware Ansys Speos für optische und Beleuchtungssysteme simuliert werden. Lumerical verwendet Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) und Quantenbrunnen-Solver, um optische Systeme auf sehr kleinen Skalen zu simulieren, beispielsweise Metalinsen, einzelne Substratschichten und optische Beschichtungen. Die OpticStudio-Software bildet die nächste Ebene und modelliert das komplette Mikrooptiksystem als eigenständiges System. Die Software Speos ist der großmaßstäbliche Simulator und untersucht, wie sich die mikrooptischen Komponenten in das übergeordnete Anwendungssystem integrieren lassen, beispielsweise in einem Fahrzeug.

Es gibt zwar viele verschiedene Werkzeuge zur Simulation unterschiedlicher Aspekte der Mikrooptik, doch zur Lösung mikrooptischer Designprobleme ist der Einsatz mehrerer Werkzeuge erforderlich, die zusammenarbeiten, da kein einzelnes Werkzeug alle benötigten Aspekte eigenständig simulieren kann.

Mikrooptiken werden sich weiterentwickeln und dabei kleiner, leichter und leistungsfähiger werden. GRIN-Linsen zählen bisher zu den bedeutendsten Entwicklungen, doch künftig ist mit dem Aufkommen von Metalinsen und Co-Packaged-Optiken zu rechnen. Metalinsen vereinen diffraktive und herkömmliche Optik in einer sehr dünnen, flachen nanoskaligen Linse, während Co-Packaged-Optiken ein fortschrittliches System darstellen, das die Integration von Mikrooptiken und elektronischen Bauelementen auf demselben Chip ermöglicht. Es wird außerdem erwartet, dass Quantencomputing eine der nächsten großen Anwendungen sein wird, in denen Mikrooptiken eingesetzt werden.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Sie effizientere und leistungsfähigere Mikrooptiksysteme entwickeln und neue Anwendungen erschließen können, wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team.

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