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Mikro-Objektive im 3D-Druck

Objektive für Bienen-große Kameradrohnen, flexible Endoskope, die auch in kleinste Körperöffnungen eingeführt werden können und Rundum-Kameras für Smartphones gehören zu den denkbaren Anwendungen der an der Universität Stuttgart gedruckten Linsen.

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Mikro-Objektive im 3D-Druck

(Bild: Uni Stuttgart)

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Optische Linsen, die im Durchmesser kaum größer sind als ein menschliches Haar, lassen sich mit den am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart eingesetzten 3D-Druck-Systemen herstellen. Dabei wird ein Tropfen aus flüssigem Fotolack, der zuvor auf ein Substrat – beispielsweise ein Glasplättchen – aufgebracht wurde, mit einem Femtosekundenlaser zeilenweise ausgehärtet. Der eingesetzte Laser hat eine Pulsdauer von weniger als 100 Femtosekunden und wird mithilfe eines Mikroskops in den flüssigen Fotolack fokussiert. Zwei Photonen des roten Laserstrahls mit der Wellenlänge 785 nm werden im Brennpunkt gleichzeitig absorbiert und belichten ihn. Dadurch härtet der Fotolack.

Der Laserstrahl fährt nun mit einem Scanner oder durch Verfahren des Substrates die gewünschte Form in allen drei Raumrichtungen ab. Dadurch sollen sich optische Freiformflächen mit einer Submikrometer-Genauigkeit herstellen lassen. Die erreichte Präzision soll es erlauben, nicht nur kugelförmige Linsen herzustellen, sondern auch die idealeren Flächen wie Paraboloide oder Asphären höherer Ordnung. Auch mehrlinsige Objektive für Abbildungen in höchster Qualität sollen mit diesem System möglich sein.

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Druckt man solche Mikrolinsen direkt auf eine Glasfaser, so lassen sich damit kleinste flexible Endoskope herstellen. Werden die optischen Systeme direkt auf CMOS-Chips gedruckt, lassen sich extrem kompakte Sensor herstellen, mit welchen Kameras für Mini-Drohnen realisiert werden können, die kaum größer als eine Biene wären. Auch bei Sensoren für selbstfahrende Autos, autonomen Robotern oder für Maschinen der Industrie 4.0 und Rundum-Kameras für Smartphone scheinen vorstellbar. Bei den in Stuttgart eingesetzten 3D Drucker mit integriertem Femtosekunden-Laser handelt es sich um Geräte des Startup-Unternehmen Nanoscribe, einer Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Optische Elemente werden üblicherweise durch Schleifen in Form gebracht. Seit einigen Jahren werden Linsen, wie sie beispielsweise in Autoscheinwerfern eingesetzt werden auch blankgepresst. Bei Asphären ist zudem auch der Einsatz von Kunststoffen möglich, wobei bei hybriden Versionen der Kunststoff auf einem Glasträger aufgebracht wird.

Der 3D-Druck von optischen Elementen ermöglicht auch Baugrößen, die mittels schleifen, polieren, läppen oder vergleichbaren abtragenden Prozessen nicht erreichbar sind. (Christoph Jehle) / (keh)