Individuelle Formanpassung von Mikrolinsen mittels elektrischer Felder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Additive Fertigung ermöglicht die individualisierte Realisierung nicht nur von mechanischen Bauteilen, sondern auch von optischen Komponenten. Kommen jedoch „Standard 3D Druckverfahren“ wie z.B. 3D Ink-Jet Druck oder Stereolithografie mittels Laser oder Projektoren zum Einsatz, so zeigen sich drei wesentliche Nachteile: 1. Diese Verfahren basieren auf einer lagenweisen Abscheidung des Materials (z.B. UV härtbares Material). 2. Die Oberfläche der Elemente weist aufgrund der Lagenabscheidung eine hohe Rauheit auf (z.B. Druck einer gekrümmten Oberfläche ergibt eine „Treppenstruktur“) 3. Wird zusätzlich ein DMD-Projektionssystem zur Aushärtung verwendet, kommt es aufgrund der Pixelstruktur des Projektors zu periodischen Variationen im Brechungsindex. Das Projekt Elektro3D bietet eine Lösungsmöglichkeit für diese Herausforderungen. Der Grundgedanke ist dabei, mit Hilfe eines Dispensersystems Tropfen eines flüssigen UV härtbaren Polymers auf einem Substrat zu akkumulieren. Dabei entsteht ein flüssiger, sphärischer größerer Tropfen, dessen Radius durch die Anzahl der deponierten „sub-Tropfen“ bestimmt ist. Dieser stellt bereits eine Mikrolinse dar. Aufgrund der Oberflächenspannung ergibt sich dabei ein geringe Oberflächenrauheit trotz Krümmung. Auch entstehen keine einzelnen Drucklagen im Tropfen, welche zur Lichtstreuung führen. Wird zusätzlich eine globale UV Lichtquelle zur Aushärtung genutzt, zeigt sich auch einen homogene Brechungsindexverteilung. Allerdings weist dieser Tropfen aufgrund seiner sphärischen Form eine hohe optische Aberrationen auf. Um nun eine asphärische Mikrolinse zu ermöglichen wird deshalb der flüssige dielektrische Polymertropfen in elektrischen Feldern deformiert. Dabei bestimmt die elektrische Feldverteilung die Deformation. Dieser Tropfen wird anschließend im UV Licht ausgehärtet. Um dabei eine definierte Deformation des Tropfens und damit eine definierte optische Leistung der Mikrolinse zu erhalten, ist es wesentlich die Zusammenhänge erkenntnisorientiert zu untersuchen. Die zentrale Fragestellung ist hierbei, welche elektrische Feldverteilung unter welchen Randbedingungen (z.B. Substrat, Tropfenvolumen etc.) zu welcher Deformation des Tropfens führt und wie dies beschrieben werden kann. Genau diese Zusammenhänge wurden im Projekt herausgearbeitet. Die Applikation solcher individualisierter Mikrolinsen findet sich sowohl in der Innraum-, als auch in der Außenbeleuchtung. Diese findet in der Regel nicht abgestimmt auf die zu beleuchtende Fläche statt und es kommt zur sogenannten „Lichtverschmutzung“. Eine auf die zu beleuchtende Fläche optimierte Lichtverteilung erfordert jedoch eine individualisierte Optik, welche mit dem hier untersuchten Ansatz ermöglicht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Additive manufactured and electrically deformed lenses on optical fibers for improved coupling. Advanced Fabrication Technologies for Micro/Nano Optics and Photonics XVII, 18. SPIE.
Dohmen, Mike; Heinrich, Andreas & Neumann, Cornelius
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Next generation micro optics. Additive Manufacturing of Glass, 235-257. Elsevier.
Dohmen, Mike; Geiß, Marco; Ilhan, Murat-Jakub & Heinrich, Andreas
