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3D-Druckmaterial für Mikrooptiken

Fotolack für die 3D-Mikrofabrikation miniaturisierter optischer Systeme
3D-Druckmaterial für Mikrooptiken

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Nanoscribe präsentiert das neue Druckmaterial IP-n162 für mikrooptische Elemente wie Mikrolinsen, Prismen und komplexe Freiformoptiken.

Für mikrooptische Anwendungen sind zwei Eigenschaften des Fotolacks besonders wichtig: ein hoher Brechungsindex gepaart mit einer geringen Abbe-Zahl, was eine hohe Dispersion bedeutet. Die 3D-Mikrofabrikation mit diesem Druckmaterial ermöglicht neue mikrooptische Designs, sogar ohne Rotationssymmetrie, sowie refraktive dreidimensionale Verbundsysteme mit mehr als einer brechenden Oberfläche. Aufgrund der geringen Absorption von IP-n162 im Infrarotbereich ist das Druckmaterial besonders gut geeignet für die additive Herstellung von Infrarot-Mikrooptiken und Anwendungen, welche geringe Absorptionsverluste erfordern. Dazu zählen Anwendungen für optische Kommunikationssysteme, die Quantentechnologie und das Photonic Packaging.

Der Fotolack wurde speziell für die auf der Zwei-Photonen-Polymerisation basierende additive Herstellung innovativer mikrooptischer Designs entwickelt und ermöglicht die Fertigung von Strukturen mit hoher Formtreue und Oberflächengüte. Der hohe Brechungsindex von IP-n162 ist attraktiv für die 3D-Mikrofabrikation von hochpräzisen Mikrolinsen und Freiform-Mikrooptiken.

Aufgrund ihrer optischen Materialeigenschaften unterstützen hochbrechende Polymere eine Vielzahl neuer Technologien. Zum Beispiel optimieren hochbrechende Druckmaterialien bei optoelektronischen Anwendungen die visuellen Eigenschaften von Displays, Kameras und optischen Projektoren. Mit hochbrechenden Materialien kann sich eine neue Klasse kompakter und komplexer Mikrolinsendesigns etablieren. Diese sind im Vergleich zu heutigen klassischen Optiken sehr viel kleiner und können miniaturisierte bildgebende Systeme und Sensoren für Anwendungen in den Bereichen Augmented und Virtual Reality (AR/VR) prägen.

Hoher Brechungsindex und hohe Dispersion

Der große Vorteil von IP-n162 liegt in seinem hohen Brechungsindex von 1,62 bei einer Wellenlänge von 589 nm. Im Vergleich zu den Fotolacken im bisherigen Portfolio der Nanoscribe-Druckmaterialien ist IP-n162 der Fotolack mit dem höchsten Brechungsindex. IP-n162 zeichnet sich gleichzeitig durch eine geringe Abbe-Zahl von 25 aus und repräsentiert damit zugleich den Fotolack mit der höchsten Dispersion im Nanoscribe-Portfolio.

Die optischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Strukturen mit dem neuen Fotolack sind ähnlich zu den optischen Polymeren, wie sie typischerweise beim Spritzgussverfahren zum Einsatz kommen. Sie sind also mit den von Polycarbonaten und Polyestern vergleichbar. Ein großer Pluspunkt von IP-n162 ist außerdem seine hohe Formgenauigkeit, weshalb nahezu jedes mikrooptische Design auf der Mikrometerskala realisiert werden kann. Das Prototyping von Mikrooptiken in 3D oder 2,5D überzeugt aufgrund eines einfachen und schnellen Workflows. Denn zeitaufwendige und damit teure Fabrikationsschritte wie die Herstellung von Spritzgussformen mit Diamantfräsen entfallen. Und für nachfolgende Replikationsprozesse entfällt die zeitaufwändige und teure iterative Herstellung von Spritzgussformen durch Diamantfräsen in der Entwicklungsphase.

Achromatische optische Systemen

Eine hohe Dispersion ist beispielsweise beim 3D-Druck von achromatisch optischen Systemen entscheidend. Erst die Kombination unterschiedlicher Druckmaterialien mit hohem und geringem Brechungsindex zur additiven Fertigung von Verbundoptiken aus mehreren Elementen erlaubt die Korrektur der chromatischen Aberration. “Die derzeit kommerziell angebotenen Fotolacke ähneln sich stark in ihrem Brechungsindex und begrenzen daher das Innovationspotenzial mikrooptischer Systeme. IP-n162 ist aufgrund seiner optischen Eigenschaften vielversprechend für die Entwicklung von achromatischen Systemen, wie sie zum Beispiel für Displays, ultra-sensible Detektoren und medizinische Anwendungen gebraucht werden“, sagt Matthias Kraus, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena, nach einem Pilottest des neuen Druckmaterials.

3D-Mikrofabrikation für Mikrooptiken

„Ein Fotolack mit einem hohem Brechungsindex wie IP-n162 eröffnet neue Möglichkeiten beim Design von leistungsfähigeren, dünneren und weniger gekrümmten Linsen, die damit wiederum kompakter, schneller und kostengünstiger hergestellt werden können“, meint Simon Thiele, Teilnehmer im BMBF-geförderten Projekt Printoptics und CTO des gleichnamigen Spin-off-Unternehmens. In diesem Forschungsprojekt arbeitet Nanoscribe gemeinsam mit der Universität Stuttgart und dem Medizintechnik-Unternehmen Karl Storz am 3D-Druck von Miniaturoptiken auf Fasern für Endoskopie-Anwendungen. „Ein innovatives Design, das ich mit IP-n162 bereits drucken konnte, war ein komplexes optisches System, bestehend aus zwei Linsen mit vollständigen Freiformflächen, um ein verzerrungsfreies Bild zu erhalten. Eine Besonderheit dabei ist die integrierte diffraktive Linse mit feinen Treppenstrukturen auf der Oberseite zur Korrektur von Farbfehlern,“ sagt Thiele über seine Erfahrungen mit dem neuen Fotolack. „Der hohe Brechungsindex von IP-n162 hilft, diese Stufen zu verkleinern und somit Streulicht zu reduzieren“, fasst Thiele die Vorteile von IP-n162 zusammen.

Nanoscribe GmbH
www.nanoscribe.com


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