Funktionalisierbare Linsensysteme aus dem 3D-Drucker: Filter, Blenden und Linsen in einem Stück drucken und durch ein Magnetfeld steuern

Mit diesem Verfahren lassen sich 3D-gedruckte optische Elemente optimieren bzw. funktionalisieren. Durch befüllte Mikrokavitäten können Funktionseigenschaften wie Blenden, Farbfilter oder Achromate in das Design optischer Bauteile direkt integriert werden. Durch die Verwendung von Ferrofluiden lassen sich sogar mehrlinsige Zoom- oder Fokussier-Systeme realisieren.

Ausgereifte 3D-Drucktechnologien, die einen hohen Frei­heits­grad beim Design und eine hohe Auf­lösung beim Dru­cken bieten, machen den Druck von optischen Elemen­ten zu einer vorteilhaften Alternative zu herkömmlichen Fertigungsver­fahren.

Der 3D-Druck von optischen Elementen hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen, da er häufig flexibler und kostengünstiger ist, als die herkömmlichen Mikroguss­verfahren. Auf dem Markt sind 3D-Drucker erhältlich, mit denen kom­plexe Optiken herge­stellt werden kön­nen. Bislang ist allerdings ein Schwach­punkt, dass ins­be­sondere beim stereolithografischen Ver­fahren das zu dru­ckende Bauteil zu­mindest im nahen Inf­rarot­bereich kom­plett transparent sein muss, also keine absor­bie­renden Be­reiche in die Optik „einge­druckt“ werden können. Zudem sind die Druckteile bislang starr und können nicht, etwa durch externe Aktuierung, durchstimmbar gemacht werden.

In einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH ge­förderten Projekt entwickelten Wissenschaftler der Uni­ver­sität Stuttgart nun ein Verfahren, mit dem einfach und prä­zise funktionale Bereiche wie Blenden und Strukturen zur Streu­licht­absorption auch in komplexe gedruckte 3D-Opti­ken inte­griert werden können. Hierzu wird das mikro­opti­sche Element bereits beim Druck mit kleinsten Hohl­räumen (Mikrokavitäten) ver­sehen, die später zur Auf­nahme von funktionalen Sub­stanzen dienen. Durch die ge­ringe Größe der Hohlräume übernehmen Kapillarkräfte die Verteilung der Flüssigkeit in den Hohl­räumen. Anschlie­ßend wird die funktionale Flüssigkeit getrocknet oder aus­gehärtet.
Eigenschaften wie z. B. Absorptions-, Reflexions- oder Streueigenschaften der funktio­nalen Bereiche werden durch die Auswahl der Substanz bzw. der darin enthal­te­nen Nanopartikel präzise festgelegt.
Werden die Hohlräume mit einem Ferrofluid befüllt, so können die physikalischen Eigenschaften zusätzlich durch ein Magnetfeld verändert werden. So sind z. B. mehrlinsige Zoom- oder Fokussier-Systeme möglich, die direkt auf eine Bildleitfaser gedruckt werden können.

• Erweiterung der Funktionalitäten optischer Bauteile durch bspw.
  • Blenden
  • Farbfilter
  • Achromate
• Einsatz von marktüblichen 3D-Druckern
• Bei Verwendung von Ferrofluiden
  • Zoom-Linsensystem
  • Verstellbare Blenden
• Einfaches und kostengünstiges Verfahren
• Einfache Integration neuer Materialien in das Optik-Design

Gedruckte optische Ele­mente können jetzt mithilfe mikro­fluidischer Strukturen, die in das Drucklayout der optischen Bauteile integriert sind und beim 3D-Druck mit ausgebildet werden, mit funktionalen Bereichen, wie z. B. Blenden und Strukturen zur Streulichtabsorption, einfach und kosten­günstig hergestellt werden. Wird dabei ein Ferrofluid verwendet, so können durch ein Magnetfeld kontrolliert Kräfte ausgeübt und damit aktive Systeme realisiert werden.

A. Toulouse, S. Thiele, H. Giessen, and A. Herkommer,
"Alignment-free integration of apertures and nontransparent hulls into 3D-printed micro-optics,"
Opt. Lett.  43, 5283-5286 (2018). https://doi.org/10.1364/OL.43.005283

Andrea Toulouse, Simon Thiele, Harald Giessen, Alois M. Herkommer,
"Super-fine inkjet process for alignment-free integration of non-transparent structures into 3D-printed micro-optics,"
Proc. SPIE 10930, Advanced Fabrication Technologies for Micro/Nano Optics and Photonics XII, 109300W (4 March 2019). https://doi.org/10.1117/12.2513520