mikrooptische Bauelemente, miniaturisierte optische Bauelemente und Subsysteme für dreidimensionale Lichtausbreitung, die ganz oder überwiegend durch Mikrotechniken hergestellt werden. Gelegentlich wird die planare Wellenleiteroptik (integrierte Optik) mit zur Mikrooptik gerechnet.

Abmessungen der Einzelbauelemente unter 1 mm bis zu einigen μm erlauben planare Anordnungen sehr vieler gleichartiger Bauelemente in Arrays oder kompakte dreidimensionale Aufbauten optischer Systeme aus verschiedenartigen Bauelementen. Die sehr niedrigen Massen von Einzelbauelementen und Arrays ermöglichen deren Kombination mit mechanischen Anordnungen zu miniaturisierten Scanning- und Schaltsystemen mit hohen Arbeitsfrequenzen.

Zu den Grundstrukturen der Mikrooptik gehören alle in der klassischen Optik bekannten Strukturen wie Linsen, Prismen, Polarisatoren, Filter, Phasenplatten, Spiegel, Blenden, Gitter. Schwerpunkte von Entwicklung und Fertigung sind vor allem Kippspiegelarrays, Linsen und Linsenarrays (sphärisch und asphärisch, zylindrisch, eindimensionale Zeilen und zweidimensionale Arrays) mit refraktiver oder diffraktiver Wirkung sowie Gitterstrukturen.

Das Spektrum der Werkstoffe für die Herstellung von m. B. im Labormaßstab ist extrem breit und wird derzeit auch noch erweitert. Die für die Anwendung wichtigsten Werkstoffe sind Gläser einschließlich Quarzglas, Polymere und Silicium, daneben einige Kristalle wie LiNbO₃ sowie GaAs und GaP (letzteres ist als hochbrechendes Material für Wellenlängen über 500 nm geeignet). Bei Polymeren sind die niedrigen Kosten für eine Massenfertigung entscheidende Triebkraft. Silicium ist das Material der Wahl für Spiegel sowie für m. B. für den infraroten Spektralbereich, da die dort vorliegende hohe Brechzahl optische Vorteile bringt.

Die Realisierung der optischen Funktion erfolgt durch die Formgebung des homogenen optischen Mediums oder durch die Brechzahländerung eines in seiner Form unveränderten optischen Substrates (Gradienten-Index-Bauelemente, GRIN) oder durch eine Kombination beider Methoden.

1) Herstellung. Mit den klassischen Methoden (Schleifen, Polieren) lassen sich planoptische Einzelbauelemente aus Glas (insbesondere Prismen) mit höchster Präzision bis zu Abmessungen, die größer sind als 0,5 mm, noch kostengünstig herstellen. Für rundoptische gilt das nur eingeschränkt. Für Bauelemente geringerer Abmessungen und insbesondere für Arrays gewinnen mechanische Mikrobearbeitungstechniken an Bedeutung. Die Oberfläche eines Glas-Substrates wird durch Ultraschallschleifen oder Drehen bzw. Fräsen mit Diamantwerkzeugen für die Mikrobearbeitung in die gewünschte Form gebracht. Das nachfolgende Polieren erfolgt mittels Elektronen- oder Laserbestrahlung. Die kinetische Energie der auf die Oberfläche auftreffenden Elektronen wird in Wärme umgesetzt, führt so zu einem Aufschmelzen der obersten Schicht und damit zu einer Glättung ohne Änderung der Geometrie. Mit diesen Verfahren lassen sich Arrays hochaperturiger Mikrolinsen herstellen. Die Kosten sind wegen des Aufwandes für die Mikrobearbeitung noch relativ hoch.

Zur Herstellung von Linsen mit Durchmessern von einigen 10 μm bis einigen 100 μm und nicht zu hohen numerischen Aperturen, aber vor allem von diffraktiven Elementen (Fresnel-Linsen, Gitter) werden auch im Falle von Glas Mikrostrukturierungstechniken genutzt. Die gewünschte Struktur wird in eine auf das Substrat aufgebrachte Lackschicht lithographisch eingeschrieben und mit Ätztechniken übertragen. Mit Trockenätzverfahren (z.B. reaktives Ionenätzen, RIE, und reaktives Ionenstrahlätzen, RIBE) lassen sich optisch glatte Oberflächen und feinste Strukturen bis in den Submikrometerbereich erzielen.

Zylinderlinsen für die Anwendung bei Hochleistungslaserdioden werden u.a. mit einer Methode hergestellt, die sich an die Lichtleitfaserfertigung anlehnt. Aus einem prismatischen Glassubstrat wird durch mechanische Präzisionsbearbeitung eine stabförmige Vorform (preform) hergestellt, die die gewünschte Geometrie besitzt. Diese Vorform wird ähnlich wie bei Fasern ausgezogen, dabei in den Querabmessungen um einen Faktor 50 bis 100 verringert und gleichzeitig poliert. Von diesem ausgezogenen Halbzeug werden Zylinderlinsen der gewünschten Länge abgeschnitten. Damit sind Linsen mit numerischen Aperturen NA>0,7 herstellbar. Zylinderlinsen lassen sich im einfachsten Falle aber auch aus einer geeigneten Glaskombination für Kern und Mantel einer zylindrischen Faser erzeugen.

Mittels Ionenaustausches läßt sich Gradientenindex-Mikrooptik in Glas herstellen.

Vollkugellinsen aus Glas werden durch eine Sprühtechnik mit Durchmessern von einigen 10 μm an aufwärts hergestellt.

Für m. B. auf Polymerbasis wird einerseits PMMA (Polymethylmethacrylat, Plexiglas) aufgrund seiner guten optischen, verarbeitungstechnischen und anwendungsfreundlichen Eigenschaften genutzt, zunehmend aber auch andere Polymere (Polycarbonate, Expoxidharze, Polyurethane, Polyimide, Polyethylene).

Die optisch wirksamen Strukturen (refraktiv und diffraktiv) können mit verschiedenen Verfahren erzeugt werden. Für kleine Stückzahlen und Spezialoptiken kann Elektronenstrahl- und Laserstrahldirektbelichtung mit nachfolgender Entwicklung eingesetzt werden. Besonders mit Elektronenstrahllithographie können diffraktive Bauelemente und Arrays mit Strukturen bis in den Submikrometerbereich hergestellt werden. Weiterhin werden mit den Verfahren der variablen Dosis und der variablen Energie der Elektronenstrahlen während der Belichtung auch verschiedenartige refraktive m. B. erzeugt (Abb. 1). Ähnliche Methoden verwenden Laserdirektschreiben und Photolithographie.

Einfache Arrays aus sphärischen Linsen für geringe optische Ansprüche werden durch lithographische Erzeugung einer zylindrischen Grundstruktur (quasibinäre Struktur) und anschließendem Aufschmelzen des Polymers (Resist) hergestellt. Durch die Oberflächenspannung entstehen aus den ursprünglichen Zylindern sphärische Oberflächen auf dem Substrat. Sphärische Mikrolinsen lassen sich mittels Mikrodosiertechnik von Polymeren (z.B. optische Kleber) sehr einfach auch auf nicht ebene Substrate aufbringen und aushärten. Mit Präzisionspipettier- und -dosiergeräten lassen sich Tropfen im sub-nl-Bereich erzeugen. Arrays aus gleichartigen oder optisch verschiedenen Linsen sind herstellbar.

Aussichtsreichste Verfahren für eine kostengünstige Massenfertigung von m. B. aus Polymeren sind Replikationsmethoden. Durch Spritzguß, Reaktionsgießen, Prägen und ähnliche Methoden wird mit einem Werkzeug, das die gewünschte Form des mikrooptischen Systems als Negativ besitzt, das Bauelement hergestellt. Aufwendigster Teilprozeß ist die Erzeugung des Werkzeuges. In der Regel wird die Originalstruktur durch Mikrotechniken erzeugt. Das kann durch lithographische Prozesse wie Elektronenstrahllithographie, Photolithographie oder Röntgentiefenlithographie erfolgen. Aber auch mechanische Mikrobearbeitung von Metallen und Glas (s. o.) wird eingesetzt. Das Original wird galvanisch repliziert (Mikrogalvanik) und dient dann als Werkzeug (MIGA-Prozeß; MIGA, Abk. für Mikrotechnik-Galvano-Abformung, Abb. 2a).

Silicium wird wegen seines hohen Brechungsindexes (n≈3,4) für Wellenlängen λ>1 μm zur Herstellung von Linsen mit hoher numerischer Apertur verwendet. Die Originalstruktur wird lithographisch erzeugt und mit Trockenätzverfahren übertragen (Abb. 2b). Durch geeignete Prozeßführung bei der Lithographie und beim Ätzen können Asphären gefertigt werden. Mit diesen Verfahren, aber auch durch naßchemisches Ätzen unter Nutzung des anisotropen Ätzverhaltens von Silicium werden auch andere optisch wirksame m. B. (z.B. Si-Prismen) oder aber Werkzeuge für Replikationstechniken und Hilfsstrukturen für die hybride Montage mikrooptischer Subsyssteme erzeugt.

Spiegelarrays für Sicht- und Projektionssysteme werden ähnlich wie mikromechanische Systeme hergestellt. Im Ergebnis erhält man freitragende, an dünnen als Torsionsfelder wirkenden Si-Brücken hängende Spiegel, die durch elektrostatische Kräfte bis zu einem Endanschlag gekippt werden können (Abb. 3).

Wellenlängenfilter werden entweder als diffraktive mikrooptische Elemente mit den oben beschriebenen Methoden (Lithographie, Replikationsverfahren) oder klassisch als Vielschichtinterferenzsysteme hergestellt. Mikroblenden lassen sich mit den Lithographie- und Ätztechniken in Metallschichten herstellen, Phasenplatten (-arrays) mit den für Linsen geeigneten Verfahren.

Optische Mikrosysteme enthalten neben mikrooptischen Komponenten auch Komponenten anderer Mikrotechniken wie Optoelektronik, Mikroelektronik, Mikromechanik und Dünnschichttechnik, so daß geeignete Integrationstechniken angewendet werden müssen. Bedingt durch die Vielfalt zu kombinierender unterschiedlicher Funktionselemente und Materialien sind optische Mikrosysteme in der Regel hybrid integriert aufgebaut. Arrays werden kostengünstig in monolithischer Technik hergestellt, vor allem solche mit einer sehr großen Zahl von Einzelkomponenten (Linsen, Spiegel, Prismen mit mehreren hunderttausend Elementen pro Array).

Für die hybride Integration sind Montageplattformen/Fassungen zur Aufnahme der Teilsysteme erforderlich. Mit Silicium und Polymeren sind die technischen Anforderungen kosteneffektiv erfüllbar. Als Fügetechnologien werden Kleben, Löten und in speziellen Fällen Klemmen genutzt.

2) Anwendungen. Die Anwendungsfelder für m. B. verbreitern sich rasch. Typische Massenprodukte sind Abtastköpfe für CD-Geräte. Sie sind in hybridintegrierter Form aus Laserdiode, Mikrooptik (Teiler, Filter, Linsensysteme), strukturierten Photodioden, mikroelektronischen Schaltkreisen und miniaturisierten mechanischen Nachführsystemen aufgebaut. Das Objektiv besteht aus einer optisch korrigierten asphärischen Linse (z.B. durch Replikationstechnik gefertigte Polymerlinse oder Kombination von sphärischer Glaslinse mit aufgeprägter asphärischer Korrektur (Polymer), numerische Apertur NA≈0,4). Der Strahlteiler kann ein Teilerwürfel, ein Prisma oder auch ein holographisch-optisches Element sein. Das vom Diodenlaser abgestrahlte Licht wird durch eine einfache Mikrolinse kollimiert. Die Abtastköpfe werden in Richtung monolithischer Integration weiterentwickelt. Der Übergang von Audio-CD zu DVD erfordert neue Objektive wie Doppelfokusobjektive, bestehend aus Polymerlinse mit asphärischem Mittelteil (NA≈0,4) – für den Audio-Bereich – und asphärischem Ring (NA≥0,6) – für den Video-Bereich.

Drei weitere Beispiele für die Anwendung m. B. in der optischen Informations- und Kommunikationstechnik sind LC-Displays, Scan-Spiegel-Arrays und Transceiver. Da bei Flüssigkristall(LC)-Displays (und ähnlich bei Photodiodenarrays) aufgrund der Elektroden optisch unwirksame Flächen im Display auftreten, wird vor dem LC-Pixel-Array ein Linsenarray (hergestellt durch Ionenaustausch) angeordnet, wodurch für den Betrachter nur die optisch wirksame Fläche sichtbar wird. Scan-Spiegel-Arrays mit mehreren hunderttausend Si-Kippspiegeln, jeweils unabhängig durch eine mikroelektronische Schaltung angesteuert, werden für Projektionsfernsehen eingesetzt. Sende-Empfangs-Module (Transceiver) mit Empfängerphotodiode und Sendelaser für optische Kommunikation enthalten mikrooptische wellenlängenselektive Filter/Teiler und Mikrolinsen (z.B. Si-Linsen).

Vielfältig eingesetzt werden m. B. in medizinischen und technischen Endoskopen. Flexible Lichtleitfaserbündel nutzende Endoskope haben am Faserende mikrooptische Linsen, Umlenk- und Teilerprismen.

Scannende Beleuchtungs- und Sichtsysteme lassen sich mikrooptisch nicht nur mit Spiegeln, sondern vorteilhaft auch mit Linsenarrays aufbauen. Abb. 4a zeigt ein System, bei dem ein Lichtbündel durch ein erstes Linsenarray segmentiert und mit einem zweiten Linsenarray in off-axis-Anordnung abgelenkt wird. Mit einer Makrolinse wird wieder fokussiert. Die Nutzung von Linsenarrays ermöglicht große Ablenkwinkel bei geringen lateralen Verschiebungen (im Bereich von einigen 10 μm). Wegen der niedrigen Massen der m. B. sind hohe Arbeitsfrequenzen (bis kHz) erreichbar. Einen einfacheren mikrooptischen Schalter zeigt Abb. 4b. Durch laterale Verschiebung der Mikroprismen (Abmessungen einige 10 μm) im Fokus wird das optische Bündel zwischen drei Positionen geschaltet. Die Bewegung kann mit miniaturisierten piezoelektrischen oder elektromagnetischen Antrieben erfolgen. Solche Scan-Systeme haben Einsatzbereiche in der Sicherheits-, Medizin-, Kommunikations-, Meß-, Umwelt-, Weltraumtechnik und der Lasermaterialbearbeitung.

Die Miniaturisierung in der Lasertechnik fordert zunehmend mikrooptische Elemente. Hochleistungslaserdioden, erst recht aber Barren und Stapel aus solchen Dioden haben ungünstige Abstrahlungscharakteristiken, die geeignete Linsensysteme erforderlich machen. Abstrahlende Flächen von wenigen μm Dicke, aber mit Längen im cm-Bereich führen zu extrem elliptischen Bündelquerschnitten mit Abstrahlwinkeln von 60° und mehr in einer Ebene und wenigen Grad in der dazu senkrechten. Zur effektiven Bündelung sind Zylinderlinsen mit hoher NA in Kombination mit Asphären erforderlich. Mit solchen Optiken sind über 70% der Laserlichtleistung auskopppelbar und für Laserbearbeitung oder zum Pumpen von Festkörperlasern verwendbar. Für Laserdiodenstapel werden Zylinderlinsenarrays genutzt.

In der Meßtechnik werden mikrooptische Systeme mehr und mehr eingesetzt. Beispiele sind Hartmann-Shack-Sensoren zur Wellenfrontvermessung (Kombination von Linsen- und Photodiodenarrays), miniaturisierte Interferometer (Entfernungsmeßgeräte, Anemometer, Vibrometer), miniaturisierte Spektrometer und Absorptionsmeßgeräte (verwendet für Farbsensorik, medizinische Diagnostik).

Mikrooptische Bauelemente 1: Ausschnitte aus Mikrolinsenarrays in Polymeren, hergestellt durch Elektronenstrahldirektschreiben. a) Refraktive und b) diffraktive Linsen.

Mikrooptische Bauelemente 2: Herstellung von mikrooptischen Bauelementen.
a) Replikationsverfahren (Prägen in Polymere),
b) Trockenätzen.

Mikrooptische Bauelemente 3: Elektrostatisch bewegter Mikrokippspiegel.

Mikrooptische Bauelemente 4: Mikrooptische Scan-Systeme. a) Lateral gegeneinander versetzte Mikrolinsenarrays, b) Schalter mit Mikroprismen.