Optisches Systemdesign als nachhaltiger Beitrag in der Produkt- und Prozessentwicklung

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1 »Green Photonics«Optical solutions for the future! Optisches Systemdesign als nachhaltiger Beitrag in der Produkt- und Prozessentwicklung Ressourceneffizienz Thüringen Erfurt, 1. Dezember 2010 Ramona Eberhardt Andreas Tünnermann Foto: Simon Koppmann

2 Ressourceneffizienz - Optische Systeme Materialien - höhere Funktionalität - Miniaturisierung - Leichtgewicht Funktionenintegration - Komponenten red. Ressourceneffizienz Optische Systeme Technologien - Nutzenfertigung - Kombination - AVT Prozessverbesserung - ökologischer - effizientere Prozessketten Seite 2

3 Funktionale Oberflächen- Metamaterialien Hochreflektierender monolithischer Spiegel Hochleistungsoptik Seite 3

4 neue Materialen in der Optik Diamant [diaphainein der Durchscheinende] [adamantos der Unbezwingbare] weiter Transparenzbereich minimale Absorption im IR-Bereich hoher Brechungsindex kleine Dispersion im IR-Bereich geringe Nichtlinearität maximale Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit kleine Wärmeausdehnung chemische Beständigkeit Strahlungsbeständigkeit Biokompatibilität Seite 4

5 Nanostrukturierte Komponenten ultra-large-mode area Wellenleiterdesigns für Hochleistungsoptik Faserdesigns für Modenfeldskalierung jenseits der 100 µm Grenze Seite 6

6 Lens arrays auf gekrümmten Flächen Technologie hochkomplexe Freiformen FTS UP-Freiformbearbeitung Entwicklung eines Programmtools inkl. 2D Werkzeugkompensation Wesentliche Erweiterung der realisierbaren Form und Komplexität / Auflösung Nachweis der FTS Leistungsfähigkeit 1219 lenslets, curvature: 3.8 mm on an overall sphere Radius of mm Seite 7

7 Anz. Komponenten reduzieren Freiformoptik konventionelles Design Design mit 3 Freiformflächen Studie: 5 Megapixel Handyobjektiv Linsen Wirkflächen Max. CRA Material Performance Konventionell 3 (incl. DOE) 6 x asphaer. + 1DOE < 25grd Keine Reserven! 2xGlas +1Polymer Mäßig Freiform 1 (incl HOE) 1x sph + 3x FF + 1 HOE < 6grd Polymer Gut Klaus-F. Beckstette, Carl Zeiss AG; Trends in Aspheres and Freeform Optics Seite 8

8 Miniaturisierung optischer Systeme mit integrierter Aktorik derzeit kein ganzheitliches Lösungskonzept Stand der Technik (Lösung 1) Hybridmontage Stand der Technik (Lösung 2) Anpassung Linse / Brechungsindex + Linsenstellung (hohe opt. Qualität) Hohe Fertigungskosten + Waferlevelfertigung Verlust optischer Leistung Neuheitsanspruch Kombination der Vorteile beider Technologien Entwicklung einer Integrationstechnologie für Optik und Aktorik Quellen: LensVector, USA VarioOptic, France Seite 9

9 Funktionenintegration im Fertigungsprozess Integrationstechnologie Lithografieverfahren fotoresistiver Polymere Herstellung auf Waferlevel Abformung komplexer optischer und mechanischer Freiformflächen Realisierung der Aktorik durch zusätzliche Beschichtungsprozesse Zweite Stempelabformung Strukturierte Entfernen Metallisierung der Metallisierung Opferschicht und der und Opferschicht Belichtung Strukturierung und Isolationsschicht des Polymers Metallisierung Fotolack Ormocer Seite 10

10 integrierte Aktorik, Elektronik smarte Optik Optiklayout Nutzenmontage Kompakte opto-mechatronische Systeme = smarte optische + mechanische + elektronische Systeme Seite 12

11 Optimizing of emission characteristics of LED extraction from LED primary optics secondary optics total reflection! collimation homogenization LED Reflector Lens array Seite 13

12 Multifunktionale Komponenten- Primary optics: RXI collimator 4 3 B B 2 A 1 10 mm Seite 14

13 Effect of microoptics primary- and secondary optics primary optics chip Seite 15

14 Materialeffizienz- Leichtgewichtsysteme Rapid-Eye: beugungsbegrenztes Three-Mirror-Anastigmat-Telescope PM FPA SM TM TM Tertiary mirror (Asphere) SM Secondary mirror (Sphere) PM Primary mirror (Asphere) FPA Focal plan array Orbit: ~ 620 km, sonnensynchron Auflösung 6,5 m/pixel, Breite ca. 80 km Anwendungen: Landwirtschaft, Katastrophenhilfe, Seite 16

15 Effiziente UP Fertigungstechnologie für Spiegelbaugruppe Fertigung: 1. Referenzen für Position im Instrument und spannungsfreie Ausrichtung des Spiegels 2. Bearbeitung und Korrektur der Spiegelfläche M2 3. Spannungsfreies reproduzierbares Fügen des M3 Rohlings 4. Bearbeitung und Korrektur der Spiegelfläche M3 mit exakter Koordinatenbeziehung zu M2 Seite 17

16 Effizientere Prozessketten zur Herstellung komplexer Optikflächen durch Ultrapräzisionsbearbeitung Optik- & Mechanik- Design Generierun g CNC- Programme Diamantdrehen, -fräsen, -hobeln Schleifen Ultrapräzisionsbearbeitung: Oberflächencharakterisierung Korrekturzyklen Lokale Formkorrektur Glätten der Oberfläche Entfernen von Schädigungen (Subsurface-damage) Prozesskette weitgehend etabliert Typische Anwendungen: Metalloptik für IR, Prototypen in Kunststoff Abformwerkzeuge für Kunststoffoptik Qualitätsgrenzen: Form: 1 µm bis 200 nm in Abhängigkeit von der Bauteilgröße Rauheit: 3 10 nm RMS in Abhängigkeit vom Werkstoff Prozesskette offen Typische Anwendungen: Metalloptik für VIS, UV, Abformwerkzeuge für Glas, Planauflagen für Halbleitersubstrate, EUV-Kollektorsubstrate Qualitätsgrenzen: Form: 200 nm bis 20 nm in Abhängigkeit von der Bauteilgröße Rauheit: < 1 nm -3 nm RMS in Abhängigkeit vom Werkstoff Seite 18

17 Neue Technologien-Laser flexibles Werkzeug z.b. für die Solarindustrie Seite 20

18 Solderjet Bumping versatile organic-free packaging Soldering provides material-fit, metal-based joints and packaging Sub-µm precision High mechanical strength & thermal termstability No contamination (organics and flux-free) Electrical & thermal conductivity Solderjet Bumping allows for miniaturized joints, contact free processing and minimized temperature load Fiber Ferrule Lens Mounting Element Laser Diode Thick Film Au Ceramic System Platform Seite 21

19 >> Green Photonics << Light for the CO 2 -neutral electrical energy generation Light for the reduction of energy consumption Light for the reduction of the greenhouse effect Light for the protection of the environment Light for the preservation of the health Seite 23