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FORSCHUNGS- BEREICH

 

Optik – Design, optische Simulation und Fertigung von Optiken und mikrooptischen Elementen

Design, Optische Simulation und Fertigung

Der Forschungsbereich OPTIK zielt darauf ab,  Gesamtlösungen für Design (Berechnung) und die Realisierung von optischen (Mikro-)Strukturen und Komponenten zur gezielten Lichtlenkung anzubieten, beispielsweise für Beleuchtung, Photovoltaik und optische Sensorik. Die zugrundeliegende Prozesskette umfasst das Design und die Überprüfung der optischen Strukturen mittels Simulations-Tools, die Herstellung von Prägemastern mittels laserlithographischer Methoden und die Replikation der Strukturen über Prägeprozesse wie UV-Nanoimprintlithographie oder Hot-Embossing im Batch- und auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Darüber hinaus bieten wir die Unterstützung bei der Überführung in die großflächige und kosteneffiziente Fertigung der optischen (Mikro-)Strukturen und Komponenten an. Unser Angebot beinhaltet zudem ein umfangreiches Arsenal an Geräten zur optischen Analytik (Transmissions- und Fluoreszenzspektroskopie, (winkelabhängige) Reflexion, Ellipsometrie, Goniometrie, photometrische und radiometrische Vermessungen…).

Die Entwicklung und das Design von maßgeschneiderten optischen Systemen und Komponenten vereint drei Disziplinen: Berechnungsalgorithmen für das Design der Lichtlenkungsstrukturen und die optische Simulation, sowie die Fertigung und Charakterisierung optischer Komponenten. Dabei gilt es schon beim Design und der optischen Simulation im Sinne eines virtuellen Prototypings Aspekte der Optikfertigung und des Gesamtaufbaus mit einfließen zu lassen.

Mit den im Forschungbereich OPTIK eingesetzten Design- und Simulationsmethoden (Algorithmen zur Berechnung von optischen Freiformstrukturen, Ray-tracing und wellenoptischen Methoden, sowie kombinierte Ray-tracing und wellenoptische Simulationen (Multiskalen-Simulation)) können maßgeschneiderte optische Elemente und Komponenten in Strukturgrößen sowohl kleiner als auch größer als die Wellenlänge des Lichts designt, analysiert und optimiert werden. Das Portfolio an optischen Strukturen reicht von diffraktiven und refraktiven optischen Elementen bis hin zu extrem flachen Freiform-Optiken (FF-Mikrooptiken). Damit kann eine große Bandbreite optischer Effekte in der Beleuchtung, der Photovoltaik oder der optischen Sensorik zielgerichtet ausgenutzt und im Sinne der Energieeffizienz zur Optimierung der oft komplexen optischen Systeme herangezogen werden.

Als Ergebnis dieses virtuellen Prozesses im Zuge der optischen Simulation werden Geometriedaten der (Mikro)-Optiken in Form von CAD-Files für die Fertigung bereitgestellt. Diese Files können von Kunden für deren hausinterne Produktion oder bei MATERIALS für die Fertigung von ultraflachen Polymeroptiken weiterverwendet werden. Zur Anwendung kommt dabei insbesondere die maskenlose UV-Graustufen-Laserlithographie.

Für das Design und die optische Simulation unterschiedlicher Optiken kommen folgende Simulationsmethoden und Werkzeuge zum Einsatz:

  • Berechnung von Freiform-Mikrooptiken zur gezielten Lichtlenkung
  • Ray-tracing (ASAP, Zemax) – Simulationstools basierend auf geometrischer Optik

    • Optimierung der Farbhomogenität von Weißlicht-LEDs
    • Optimierung der Lichtstärkeverteilung und der Effizienz von LED-Modulen
    • Optimierung von Beleuchtungssystemen (basierend auf LED, aber auch herkömmliche Leuchtmittel wie Halogenlampen, Leuchtstoffröhren, etc.)

      • Reflektoren
      • Hybrid-Systeme (Reflektor + refraktive Optiken)
      • Makro- und Mikrooptik-Arrays

  • Finite Difference Time Domain (FDTD Solutions) – Simulationstool basierend auf Wellenoptik

    • Berechnung und Analyse von diffraktiven Strukturen (Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des Lichts)

      • Periodische Strukturen (1D, 2D, 3D Gitter)
      • Mikrolinsen-Array zur Lichtlenkung
      • Photonische Strukturen und diffraktive Optiken
      • Ein- und Auskoppelstrukturen für Solarzellen, Wellenleiter, optische Sensordevices
      • Simulation von Partikel- und Oberflächenstreuung

  • Multiskalen-Simulation – Gesamtheitliche optische Simulation von komplexen Systemen, die sowohl refraktive als auch diffraktive optische Komponenten beinhalten

    • Kombination von Ray-tracing und wellenoptischen Simulationen (FDTD) inklusive Schnittstellen für den Datenaustausch und Kohärenzbetrachtungen

  • CAD (Rhino, Autocad)

    • Modellerstellung für die optische Simulation
    • Datenexport von Geometrien für die Optikherstellung

  • Erstellung von Algorithmen (MATLAB)

    • Aufbereitung und Analyse von Daten
    • Schnittstellen für den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Simulationsmethoden

Für die Fertigung der mikrooptischen Strukturen kommen folgende Verfahren zum Einsatz:

  • Maskenlose Graustufen-Laserlithographie à Mastering
  • Herstellung von Prägestempeln für die Vervielfältigung der mikrooptischen Strukturen via Step-and-Repeat
  • Herstellung der Folienoptiken mittels Prägeverfahren (UV-Nanoimprintlithographie u. Hot-Embossing) im Batch-Prozess und mittels kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle-Prägeverfahren 
Darstellung einer wellenoptischen Simulation mittels FDTD: Interaktion einer (abgeschnittenen) ebenen Welle (Intensität) mit einer rechteckigen periodischen Struktur zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten.

Momentaufnahme der Interaktion einer ebenen Welle (Intensität) mit einer dreieckigen Auskoppelstruktur zur Demonstration des Größeneinflusses der Struktur in Relation zur Wellenlänge des Lichts:

Links: Wellenlänge ist um einen Faktor 10 kleiner als die Struktur: Totalreflexion an den Flanken verhindert Lichtauskopplung (Evaneszente Felder an den Flanken sichtbar); Interferenz an der Spitze der Struktur bewirkt Auskopplung von einem kleinen Teil des einfallenden Lichts. Rechts: Die Wellenlänge ist in der Größenordnung der Struktur: Auskopplung erfolgt durch Interferenzeffekte über die gesamte Strukturbreite.
Ray-tracing Simulation eines Weißlicht-LED-Moduls inklusive Darstellung der Streuung und Absorption innerhalb der Farbkonversionsschicht.

Beispiel einer flachen Freiform-Optik für die Erzeugung einer homogenen Ausleuchtung einer kreisrunden Fläche mit scharfen Kanten in einem definierten Abstand unter Verwendung einer möglichst punktförmigen Lichtquelle (LED):

Bilder links und rechts oben: Rasterelektronenmikroskopaufnahmen. Bild Mitte: Lichtmikroskopaufnahme der gesamten Linse (Durchmesser ca. 10 mm). Bild rechts unten: Lichtmikroskopaufnahme des Profils (gemessene Höhe ca. 55 µm).

Beispiel Folienoptik mit Freiform-Mikrooptikelementen (Strukturhöhe ca. 60 µm). Beleuchtung einer weißen Wand in einem definierten Abstand. Die Fotos zeigen das entstehende Beleuchtungsmuster und im Vordergrund den zugehörigen Beleuchtungsaufbau:

Links: Ohne Folienoptik nur Weißlicht-LED, Rechts: Mit Folienoptik zur Erzielung einer kreisförmigen homogenen Lichtverteilung.
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