Herstellung mikrostrukturierter Werkzeuge für die Replikation von Hybrid-Optiken mittels 3D-Laserlithographie (LithOStrukt)

Optische Komponenten sind Innovationstreiber in einer Vielzahl moderner technischer Produkte, von der anspruchsvollen Beleuchtungseinheit im Auto bis hin zu miniaturisierten Beleuchtungssystemen der Displaytechnik. Hier leisten immer kleinere und komplexere Bauteile einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Optiken und der Entwicklung neuer, innovativer Hightech-Produkte.

Allerdings stößt der fortschreitende Trend zur Miniaturisierung und zu erweiterten Funktionen optischer Komponenten mit den herkömmlichen Fertigungsverfahren an seine Grenzen. Sowohl in Bezug auf die gesteigerte Komplexität der geforderten Optiken, als auch auf die damit einhergehende aufwendige Herstellung vieler Einzelkomponenten in hoher Qualität mit daraus resultierenden hohen Kosten, sind neue Lösungswege erforderlich. Vor diesem Hintergrund stellen sogenannte Hybridoptiken einen eleganten Lösungsansatz dar. Derartige Optiken verbinden die physikalische Eigenschaft der Lichtbrechung mit der der Lichtbeugung. Durch diese Kombination lassen sich optische Elemente einsparen und der Platzbedarf für das optische System verringern. Gleichzeitig ist eine Verbesserung von Abbildungsqualität, Ausleuchtung oder anderer Eigenschaften möglich. Leider fehlen bisher sowohl kostengünstige Fertigungsverfahren für derartige Optiken als auch auf sie abgestimmte Entwurfssysteme.

Ziel des Forschungsprojekts LithOStrukt ist daher die Entwicklung einer kostengünstigen Prozesskette zur Herstellung hybrider Optiken und der dazu notwendigen Teilprozesse. Als erster Schritt in der Prozesskette sind spezielle Berechnungsmethoden zur Auslegung der Bauteilfunktion zu erarbeiten, mit denen die erforderliche Geometrie und Struktur festgelegt werden kann. In den nachfolgenden Forschungsarbeiten zur Werkzeugherstellung werden die berechneten Strukturen in das Abformwerkzeug (Werkzeug zum Pressen der Linsen) eingebracht. Dafür ist zunächst die konventionelle Herstellung des Abformwerkzeugs, beispielsweise durch hochpräzises Ausdrehen einer Metallform, nötig. Auf diese Oberfläche wird eine Beschichtung aus Kunststoff aufgebracht, welche anschließend durch einen Hochleistungslaser strukturiert wird. Das Verfahren nutzt den Effekt der Zwei-Photonen-Polymerisation aus und ermöglicht damit eine echte dreidimensionale Bearbeitung bei äußerster Feinheit. Die Optiken wiederum entstehen durch Abformung einer Kunststoffmasse an dem Werkzeug. Hierbei ist dessen Standzeit von entscheidender Bedeutung für die Kosten.

Als Projektergebnis ergibt sich auf diese Weise eine vollständige und qualifizierte Prozesskette zur Fertigung hybrider Optiken, die ihre effiziente und präzise Herstellung nach industriellen Maßstäben ermöglicht. Die erzeugten Präzisionsoptiken können in fernoptischen Präzisionsgeräten, in neuartigen Beleuchtungseinheiten oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• LightTrans International UG (haftungsbeschränkt)
• micro resist technology Gesellschaft für chemische Materialien spezieller Photoresistsysteme mbH
• polyoptics GmbH