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Faszination Technik Metaoberflächen als Alternative zur Linse

Quelle: Fraunhofer IOF; Redakteur: Dorothee Quitter 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG
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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Skalierung von Metaoberflächen vom Milli- in den Dezimeterbereich mithilfe der Elektronenstrahllithografie. Dünne optische Systeme mit hoher Funktionalität in der Oberfläche können so in industrielle Anwendungen gebracht werden.

In Metaoberflächen sind komplette optische Funktionen durch Nanostrukturen konzentriert. Forschenden des Fraunhofer IOF ist es erstmals gelungen, eine Metaoberfläche mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern zu realisieren. (Bild: Fraunhofer IOF)
In Metaoberflächen sind komplette optische Funktionen durch Nanostrukturen konzentriert. Forschenden des Fraunhofer IOF ist es erstmals gelungen, eine Metaoberfläche mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern zu realisieren.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Bei Linsen wird die optische Funktion durch die makroskopische Geometrie definiert. Deswegen sind sie dick und krumm. Bauteile mit Metaoberflächen konzentrieren ihre komplette optische Funktion in der Oberfläche. Erreicht wird das durch Nanostrukturierung in Größenordnungen kleiner als die Wellenlänge des Lichtes. Damit können optische Systeme dünner designt werden.

Kleine Metaoberflächen existieren schon

In Wissenschaft und Forschung kommen Metaoberflächen schon länger zum Einsatz. Allerdings sind die Bauteile hier oft nur einige Quadratmillimeter groß. Für viele industrielle Anwendungen und als Alternative zur klassischen Linse reicht das nicht. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena haben nun die innovativen Metaoberflächen in größerem Maßstab realisiert und eine Metaoberfläche mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern präsentiert.

Character-Projection teilt Muster in kleinere Einheiten auf

Die hochaufgelösten Strukturen wurden mithilfe der Elektronenstrahllithographie realisiert. Dabei kam die Character-Projection zum Einsatz, mit der sich sehr hochaufgelöste Strukturen belichten lassen.(Bild: Fraunhofer IOF)
Die hochaufgelösten Strukturen wurden mithilfe der Elektronenstrahllithographie realisiert. Dabei kam die Character-Projection zum Einsatz, mit der sich sehr hochaufgelöste Strukturen belichten lassen.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Gelungen ist die Herstellung der großen Metaoberfläche mithilfe der Elektronenstrahllithografie. Die Wissenschaftler nutzten dabei eine spezielle Schreibstrategie, die sogenannte Character-Projection. Bei dieser Methode wird ein Muster in kleinere Einheiten aufgeteilt. Anschließend erzeugt ein Elektronenstrahl jedes dieser kleinen Muster nacheinander auf einer Oberfläche. Nur so konnten die komplexen Strukturen auf einer großen Elementfläche mit hoher Präzision und Effizienz erzeugt werden.

Anwendung in Virtual-/Augmented-Reality-Brillen möglich

Die neue Fertigungstechnologie kann dazu beitragen, abbildende optische Systeme künftig deutlich dünner zu bauen. Große Metaoberflächen sind nach Angaben des Fraunhofer IOF insbesondere für kompakte Optiken vorteilhaft, in denen auf kleinem Raum große Ablenkwinkel benötigt werden. Das ist zum Beispiel in Virtual-/Augmented-Reality-Brillen der Fall. Auch bei sehr kleinen Optiken im Smartphone sollen sich mit solchen Ansätzen vorteilhafte Bauformen realisieren lassen. Weitere Anwendungen fänden sich in der hochaufgelösten Spektroskopie oder in computergenerierten Hologrammen.

Zur Originalpublikation im Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology

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