Ziel der Entwicklung

Das Ziel des Forschungsvorhabens lag in der Entwicklung und Qualifizierung flexibler, lasergestützter Fertigungstechnologien für monolithische Mikrolinsenarrays aus Glas, die den technischen und wirtschaftlichen Anforderungen auch im Kleinserienmaßstab gerecht werden.
Existierende Herstellungsmethoden brauchen im Allgemeinen Lithografiemasken, die sehr teuer sind und sich erst in großen Stückzahlen rentieren. Zudem dauern diese Verfahren sehr lange; insbesondere, wenn sehr tiefe Linsenprofile (~50 µm) ins Glas geätzt werden sollen. Im ersten Fertigungsschritt sollte ein 2,5D-Bearbeitungsprozess zur Erzeugung linsenförmiger Oberflächenprofile in Glasoberflächen entwickelt werden. Der Formgebungsprozess ist hierbei durch schichtweisen (= 1 µm), selektiven Materialabtrag mittels Ultrakurzpulslaser charakterisiert. Hierzu mussten materialangepasste Laser- und Prozessparameter zum Abtragen dünner Glasschichten ermittelt und auf die Generierung linsenförmiger Oberflächenstrukturen mit geringer Rauheit übertragen werden. Im zweiten Fertigungsschritt wurde ein Politurprozess entwickelt, um nach dem Abtragprozess wieder eine hohe optische Transparenz an der Linsenoberfläche zu erzielen. Hierbei musste eine mikrometerdünne, oberflächennahe Schicht durch Umschmelzung mittels CO2-Laser geglättet werden. Dazu waren materialangepasste Temperaturregime für eine spannungsarme Bearbeitung sowie geeignete Laser- und Prozessparameter zum Laserpolieren profilierter Glasoberflächen zu bestimmen. Aufgrund der hohen optischen Transparenz und der guten mechanischen, chemischen und thermischen Beständigkeit sollten im Vorhaben silikatische Werkstoffe (optische Gläser wie Borosilikat und Quarz) für anspruchsvolle Einsatzbedingungen als Substratmaterial verwendet werden. Neben der Entwicklung der gesamten Prozesskette vom 3D-Modell bis zur Prüfung der gefertigten Mikrolinsenarrays (siehe Abbildung 1) waren weitere Schwerpunkte des Projektvorhabens unter anderem die Herstellung von Mikrolinsenarrays mit unterschiedlichen Linsenanordnungen und in unterschiedliche Materialien sowie die Charakterisierung gefertigter Mikrolinsenarrays und die Bewertung der Prozessstabilität. Hierfür sollte neben der mikroskopischen Messung der Linsenoberflächen auch ein optischer Prüfstand für Einsatztests aufgebaut werden, um anhand kleiner Funktionsmusterserien die Reproduzierbarkeit sowie die Funktionalität zu untersuchen.

Vorteile und Lösungen

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens lag in der Entwicklung und Qualifizierung flexibler, lasergestützter Fertigungstechnologien zur Herstellung von Mikrolinsenarrays aus Glas. Um dieses Ziel zu erreichen mussten mehrere Zwischenziele erreicht werden. Ein Schwerpunkt in der Entwicklungsarbeit lag im Laserabtrag dünner Glasschichten (zirka 1 µm) und der Erzielung polierfähiger Oberflächen geringer Rauheit. Hierfür konnten geeignete Prozessparameter für alle drei Glaswerkstoffe (Borofloat® 33, Borosilikatglas D263 und Quarzglas) ermittelt und die Zielparameter Abtragtiefe und Rauheit eingehalten werden. Darauf aufbauend sollte mittels 2,5D-Abtrag die Formung von Mikrolinsenprofilen in Glasoberflächen realisiert werden. Dieses Ziel konnte ebenfalls erreicht werden. Ein weiterer Schwerpunkt im Projekt war die Politur der rauen, profilierten Glasoberflächen. Um thermisch induzierte Spannungen im Glas minimal zu halten konnte eine Temperierung der Glassubstrate mittels eines temperaturgeregelten Flächenheizers erfolgreich umgesetzt werden. Desweiteren konnten geeignete Temperaturregime und Prozessparameter für die Laserpolitur von Borofloat- und Quarzglas ermittelt werden, um zum einen eine Verformung der Linsenprofile zu vermeiden und zum anderen eine möglichst geringe Rauheit und ausreichende Transparenz der Glasoberflächen zu erzielen. Die Streuung der Zielwerte ist nach dem Politurprozess noch etwas zu hoch und bedarf weiterer Optimierung. Die Spannungen in den Glassubstraten nach der Laserpolitur sind für die Anwendung unkritisch, sodass keine nachfolgende Wärmebehandlung erfolgen muss. Durch die Fertigung und umfassende Charakterisierung und Prüfung von Testmusterserien konnte die Reproduzierbarkeit sowie die Prozesssicherheit bewertet werden. Die Ergebnisse sind insgesamt gut reproduzierbar und belegen, dass eine Serienfertigung mittels Laserverfahren realisierbar ist. Ebenso konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Linsengrößen und Linsenanordnungen ausgehend von 3D-CAD-Daten schnell und einfach umsetzbar sind. Die Prüfung der gefertigten Mikrolinsenarrays zeigte, dass diese zur Strahlformung für Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden können. Ob die Qualität auch für abbildende Anwendungen ausreicht, ist nicht bekannt, weil hierzu keine ausreichend präzise Messtechnik vorhanden war. Die Mikrolinsen haben allerdings alle die gleiche Brennweite, Fokusform und Fokusabstand, was auf eine hohe Qualität hinweist, wie in Abbildung 2 dargestellt. Im Vergleich zu konventionellen Fertigungstechnologien ist das entwickelte Verfahren aufgrund seiner hohen Flexibilität und Geschwindigkeit für die Einzel- und Kleinserienfertigung interessant, kann aber hinsichtlich der Genauigkeit weiter verbessert werden, um an das Qualitätsniveau konkurrierender Verfahren und Produkte heranzukommen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mikrolinsenarrays (MLA) sind vergleichsweise komplexe Optiken, die aber die Funktion mehrerer größerer optischer Elemente übernehmen können. In der Medizintechnik können MLA in Sensoren in Endoskopen, zur Homogenisierung von Laserlicht zur Haarentfernung/Tattoo-Entfernung oder zur Abbildung von Laserstrahlen zur refraktiven Chirurgie eingesetzt werden. In der Kommunikationstechnik werden MLA für LED/OLED-Signaltechnik, die Ein-/Auskopplung von Licht in Glasfaserkabel, die Miniaturisierung von Abbildungsoptik in Smartphones oder die Lichthomogenisierung für Beleuchtungszwecke und Projektoren verwendet. Zudem werden MLA in komplexen Optiken von Satelliten, Drohnen oder Forschungsgeräten verwendet, um mit reduzierter Masse komplexe optische Funktionen verfügbar zu machen. MLA sind also in vielen Hochtechnologieprodukten enthalten, oft ohne, dass die Nutzer davon Notiz nehmen. Die Projektentwicklung ist insofern relevant, als dass sie es ermöglicht, Kleinserien und Einzelstücke kostengünstig herzustellen. Dies war bisher aufgrund der Lithografieverfahren nicht möglich. Durch die Projektergebnisse kann das ifw Jena für interessierte Partner direkt und ohne größere Vorarbeiten Mikrolinsenarrays aus Glas mit variablen Parametern wie Pitch, Anordnung und Brennweise herstellen. Zudem kann die Bearbeitungstechnik aus Abtrag und Politur auch auf andere Freiformen wie off-axis-Parabeln oder segmentierte Optiken übertragen werden.
Die Projektergebnisse wurden mehrfach veröffentlicht (siehe zum Beispiel Kahle, Martin, et al. "Direct, Laser-based Production of Optics." Journal of Laser Micro Nanoengineering 17.3 (2022): 156-161.), um möglichst viele Interessenten zu erreichen. Firmen, die Bedarf an derartigen Optiken oder Weiterentwicklung der Technik haben, können das ifw Jena gerne ansprechen.