Panorama

Auszeichung für gedruckte Mikrooptiken

21.10.2021 - Gips-Schüle-Forschungspreis an drei Wissenschaftler der Universität Stuttgart verliehen.

Harald Gießen vom 4. Physikalischen Institut sowie Alois Herkommer und Simon Thiele vom Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart wurden diese Woche mit dem Gips-Schüle-Forschungs­preis 2021 ausgezeichnet. Die Forscher erhielten die mit 50.000 Euro dotierte Auszeichnung für die Entwicklung der 3D-Drucktechnik sowie neuer Materialien und Prozesse, um die kleinsten Miniatur­optiken der Welt herzustellen. Gemeinsam mit ihren Teams arbeiten sie unter dem Dach des inter­disziplinären Forschungs­zentrums SCoPE – Stuttgart Research Center of Photonics Engineering.

Durch die Arbeiten der Forscher konnten 3D-gedruckte Linsen mit komplexen Flächen hergestellt werden, die viel geringere Abbildungs­fehler aufweisen als herkömmliche Optiken und dadurch wesentlich leistungs­fähiger sind. Auch mehrlinsige Systeme konnten durch den 3D-Druck realisiert werden. Dadurch wurden extrem gute Abbildungs­optiken wie Ultraweit­winkelsysteme möglich, die vor allem für Endoskope mit höchster Abbildungs­qualität wichtig sind. Der 3D-Druck ermöglicht dabei, die Mikrooptiken wie auch die Stütz­strukturen in einem Prozess­schritt herzustellen.

Die Wissenschaftler entwickelten zusätzlich Systeme aus mehreren Druck-Materialien, die Farbfehler der Mikro-Objektive korrigieren konnten. Hierzu wurde eine große Klasse von neuen 3D-druck­baren Materialien durch die Kombination von Polymeren und Nanopartikeln verwirklicht. Auch weitere Techniken wie zum Beispiel das Einbringen von geschwärzten absor­bierenden Stoffen zur Rea­lisierung von Blenden konnten erarbeitet werden. Für den Designprozess dieser sehr kleinen Optiken haben die Forscher spezielle Simulations­programme entwickelt.

Erstmals konnte gezeigt werden, dass qualitativ hochwertige Mikro­linsen mit Durch­messern von wenigen Mikrometern direkt auf Glasfasern aufgedruckt werden können. Dies ermöglichte die Rea­lisierung eines völlig neuartigen optischen Endoskops, das weit über den früheren Stand der Technik herausragt. Ein 3D-Druck auf CMOS Miniatur-Kamerachips, die als optischer Bildsensor funk­tionieren, ist durch die Forschungs­ergebnisse genauso möglich geworden wie der parallele Druck einer Kombination aus Weitwinkel-, Normal-, und Tele-Objektiv auf einen Chip, um elek­tronisch zu zoomen und den Blickwinkel zu verändern. Zudem konnte durch diese Technik ein Miniatur-Spektro­meter mit einem Durchmesser von einem Zehntel Millimeter demonstriert werden. Die massive Minia­turisierung bietet zusätzlich ein großes Anwendungs­potenzial in Bereichen wie Messtechnik, Produktions- und Prozess­überwachung, Robotik oder auch beim autonomen Fahren. Aktuell arbeitet das Team unter anderem an beweglichen oder variablen Mikrooptiken sowie an Beschichtungs­techniken für die Entspiegelung.

Zusammen mit der Firma Karl Storz in Tuttlingen erprobten die Forscher im Rahmen des BMBF-Projektes Printoptics ihre neue Technik mit medi­zinischen Endoskop-Systemen und konnten Möglich­keiten realisieren, die vorher undenkbar waren: Zum Beispiel wurden Endoskope gebaut, die durch ihren großen Blickwinkel gleichzeitig Aufnahmen nach vorne und zur Seite erlauben und dabei farbtreue und verzerrungs­freie Bilder liefern. Zudem passen sie mit ihrem geringen Durchmesser in engste Adern, in kleinste Drüsen­kanäle und sogar in Zahnwurzeln.

Simon Thiele, der Doktorand am Institut für Technische Optik war, hat zusammen mit einem seiner Masterstudenten die Spin-Off-Firma Printoptics TGU gegründet, die sich der Kommerziali­sierung dieser inno­vativen Druck­technik verschrieben hat. Sie bietet vom optischen Design und der Entwicklung des Druck­prozesses bis hin zur Produktion von Kleinserien der Optiken die gesamte Wertschöpfungs­kette an. Ebenso werden dort neue Endoskop­modelle entwickelt. Zudem entwickelt die Firma Anwendungen in der integrierten Quanten­technologie, etwa bei der Kombination von Einzelphotonen­quellen und Glasfasern. Optische Pinzetten für einzelne Atome werden von der Firma in Zusammenarbeit mit den Physikern an der Universität Stuttgart entwickelt.

U. Stuttgart / JOL

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