Aluminiumnitrid-Membranen für durchstimmbare refraktive Mikrooptiken

Leopold, Steffen GND

On the one hand, the miniaturization of optical systems offers new application opportunities. On the other hand, during scaling of these systems two new challenges arise. Firstly, the transmitted information is reduced. Secondly, classical actuation approaches fail on the microscale.Here new concepts for tunable optical elements have to be found. They enable the scanning of the object, while multiple pictures are recorded. If they are stitched together, the overall transmitted information increases. Furthermore, these optical elements enable a tunable information selection. The goals of this thesis are optical microsystems for this tunable information selection. They can scan the three-dimensional object-space and offer an anamorphic zoom. Therefore, tunable spherical and cylindrical lenses as well as tunable prism are designed, fabricated and characterized.For the fabrication of these elements, nano-crystalline aluminum nitride thin films are used. Due to their elastic properties, flexible and transparent aluminum nitride membranes are suitable for liquid filled lenses. For thermomechanical actuators, aluminum nitride offers a high thermal diffusivity as well as a high energy density.This thesis presents an optimized membrane design for cylindrical lenses with a usable aperture of 3·3mm2. This corresponds to 35% of the membrane surface. For the anamorphic zoom, a hybrid integration of silicon and low temperature co-fired ceramics is used. This combines the advantages of both technologies. The anamorphic zoom consists of four cylindrical lenses and enables the individual stretching and compressing the picture height and width.The tunable prism is based on deformation of a liquid droplet. The droplet forms a wedge and the angle is tuned with a novel thermomechanical actuator. Its driving principle is based on the thermal modulation of the residual stress in aluminum nitride beams. For scanning the three-dimensional object-space, one tunable membrane lens and two perpendicular aligned tunable prisms are integrated into one optical microsystem. The tunable lens selects the object plane, which is scanned with the tunable prisms. With this system the picture information is shifted horizontally (15 %) and moved vertically (30 % with respect to the sensor area). This corresponds to an information increase of 50 %.

Während der Miniaturisierung optischer Systeme entstehen zwei zentrale Herausforderungen. Erstens sinkt der Informationsgehalt der Abbildung durch optische Mikrosysteme in Abhängigkeit von deren Größe. Zweitens muss während der Miniaturisierung optischer Systeme ihre Anpassungsfähigkeit erhalten bleiben. Dazu sind entsprechende Aktorkonzepte nötigt. Durchstimmbare optische Elemente können genutzt werden, um zeitlich nacheinander mehrere Teilbilder aufzuzeichnen. Eine Kombination dieser Bilder führt dann zu einer steigenden Gesamtinformation. Gleichzeitig ermöglicht dies eine durchstimmbare Informationsauswahl, bei der nur der relevante Teil der Gesamtinformation übertragen wird. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau optischer Mikrosysteme zur durchstimmbaren Informationsauswahl. Dies umfasst die dreidimensionale Abtastung des Objektraums sowie einen anamorphotischen Zoom. Die dazu benötigten durchstimmbaren Einzelelemente Linse, Zylinderlinse und Prisma werden in dieser Arbeit entworfen und charakterisiert.Die Umsetzung dieser Elemente erfolgt auf der Basis von nanokristallinen Aluminiumnitrid-Membranen. Durch ihr ideal elastisches Verhalten eignen sich die flexiblen und transparenten Dünnschichten für den Aufbau flüssigkeitsgefüllter Membranlinsen. Für thermomechanische Aktoren sind die hohe Temperaturleitfähigkeit und die hohe Energiedichte von Aluminiumnitrid vorteilhalft.Ein optimiertes Membrandesign ermöglicht die Fertigung kompakter Zylinderlinsen. Dabei beträgt die nutzbare Apertur 3·3mm 2, was 35 % der Membranfläche entspricht. Für den Aufbau von zwei gekreuzten Zylinderlinsen wird eine hybride Integration von Silicium und Mehrlagenkeramik genutzt. Dies kombiniert die Vorteile beider Technologien und reduziert den Abstand der optisch wirksamen Flächen. Aus insgesamt vier Zylinderlinsen besteht der anamorphotische Zoom. Er ermöglicht die Funktionalität eines klassischen Zooms sowie die individuelle Streckung und Stauchung der Bildhöhe und -breite. Mit diesem System sind Abbildungsmaßstäbe von -0,5 bis -2 erzielbar.Die Funktionalität der Prismen beruht auf der Deformation eines Flüssigkeitstropfens, wobei dieser einen Keil mit durchstimmbaren Winkel formt. Dazu wird ein neuartiger Aktor entwickelt, dessen Funktion auf der thermomechanischen Modulation der remanenten Spannung in Aluminiumnitrid-Balken beruht.Die dreidimensionale Abtastung des Objektraums erfolgt mittels einer sphärischen Membranlinse und zwei durchstimmbarer Prismen. Über die durchstimmbare Linse lässt sich bei fester Bildweite die abgebildete Objektebene auswählen. Mittels zwei gekreuzt angeordneter Prismen lässt sich diese Ebene dann abtasten. Dieses System erlaubt die horizontale und vertikale Verschiebung der Bildinformation um 15 % bzw. 30 % bezogen auf die Sensoroberfläche. Dies entspricht einer Steigerung der Gesamtinformation um 50 %.

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Leopold, Steffen: Aluminiumnitrid-Membranen für durchstimmbare refraktive Mikrooptiken. 2016.

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