Know-how ist der Schlüssel zur erfolgreichen Entwicklung diffraktiver optischer Elemente

Insights

August 2021

Diffraktive optische Elemente (DOE) bieten einzigartige Möglichkeiten, die mit anderen optischen Elementen nicht realisierbar sind. Das Design solcher Elemente ist komplex. Helbling  unterstützt ihre Partner bei einer technologieneutralen Entwicklung mit umfassendem Know-how.

Was sind diffraktive optische Elemente?

US-Präsident Joe Biden erhielt im Juni 2021 beim USA-Russland-Gipfeltreffen in der Schweiz ein faszinierendes Geschenk: eine Glasplatte, die ein Bild projiziert, wenn sie angestrahlt wird. Die angewandte Technik heisst Kaustik und basiert auf Refraktion. Derselbe Effekt kann auch mit Diffraktion erzeugt werden – einer Technik, deren einzigartige Eigenschaften Grundlage für neue Innovationen sind.

Obwohl diese Effekte seit mehr als 300 Jahren bekannt sind, werden diffraktive optische Elemente (DOEs) erst seit den letzten Jahren zunehmend verwendet. Heute reichen die Anwendungen von Sicherheitsmerkmalen auf Banknoten über Strahlformer fürs Laserschweissen bis hin zu Multifokallinsen für die Mikroskopie. DOEs sind sehr attraktiv, weil sie mit hoher Effizienz aus einem Laserstrahl beliebige Lichtmuster erzeugen können und trotzdem flach und dünn sind.

DOEs formen das Licht

DOEs werden normalerweise als dünne Platten hergestellt; auf deren Oberflächen befinden sich Mikrostrukturen, die Diffraktionseffekte verursachen. Diese Strukturen weisen glatte Profile oder Stufenprofile auf und definieren ein individuelles Lichtmuster.

Dank der neuen Fertigungstechnologien der letzten Jahre sind DOEs auch für preissensible Anwendungen wirtschaftlich rentabel geworden. Heute lassen sie sich kostengünstig in grossen Stückzahlen herstellen und sind damit für Smartphones, Sensoren in autonomen Fahrzeugen oder Vision-Care-Produkte attraktiv geworden.

DOE in künstlichen Augenlinsen verbessert das Sehvermögen

Die Vielseitigkeit von DOEs inspiriert die Entwicklung bahnbrechender Produkte, wie zum Beispiel die aktive intraokulare Linse mit einem DOE, die zusammen von Helbling und dem innovativen US Medtech Start-up Elenza entwickelt wurde. Künstliche Intraokularlinsen werden zur Behandlung von Katarakten, dem Grauen Star, verwendet. Diese sind meistens monofokal, Patienten können damit also Bilder in einer bestimmten Entfernung scharf sehen, aber für andere Entfernungen benötigen sie eine Brille. Die Kombination des DOEs mit einer Flüssigkristallzelle ermöglicht die automatische Anpassung der optischen Stärke und simuliert somit die sogenannte Akkommodationsfähigkeit einer natürlichen Augenlinse.

Design muss zur Anwendung passen

Für eine erfolgreiche Produktentwicklung ist es entscheidend, zu verstehen, welche Anforderungen von den Anwendungen gestellt werden und welche Auswirkungen diese auf das DOE-Design haben. Wichtige Aspekte beinhalten der geplante Endpreis, das Produktionsvolumen, die erforderliche Qualität und die Betriebsumgebung. Auch die Eigenschaften der Lichtquelle spielen für das DOE-Design eine grosse Rolle – wie etwa die Wellenlänge oder optische Leistung. All das bestimmt die Wahl des DOE-Materials (Glas, Kunststoff usw.), der Fertigungstechnologie (Photolithografie, Spritzguss usw.) und das optische Design (Stufenprofil, glattes Profil, Elementdicke usw.). Als neutraler Partner kann Helbling die verschiedenen Möglichkeiten unabhängig bewerten und die adäquateste Option bestimmen.

Optische Modellierung von DOEs – die Auswahl des richtigen Tools ist entscheidend

Um die Mikrostrukturen für das DOE zu bestimmen, werden die Lichtmuster in Computermodellen simuliert. Allerdings ist das Modellieren von DOEs schwierig, denn es geht um winzige Strukturen in Kombination mit makroskopischen Grössen. Für refraktive Optiken wird meistens Raytracing verwendet, diese lässt aber lichtbeugende Effekte ausser Acht. Die vollständige Simulation der Wellenausbreitung jeder Mikrostruktur über das gesamte DOE erfordert eine enorme Rechenleistung. Geeignete Modellierungsmethoden verwenden daher vereinfachte Annahmen.

Eine Methode mit nur minimalen Annahmen ist die Rigorous Coupled-Wave Analysis Method (RCWA). Sie behandelt das Licht vollständig als elektromagnetische Welle und nimmt nur eine periodische Struktur an. Allerdings erfordert diese Methode eine hohe Rechenleistung und ist daher auf kleine Elemente beschränkt.

Die Thin-Element-Approximation (TEA) wird sehr häufig verwendet, da sie schnelle Simulationen mit wenig Speicherbedarf ermöglicht. Sie basiert auf der Annahme, dass sich beim Durchgang durch das DOE nur die Phase des Lichts ändert, nicht aber seine Richtung. Sie funktioniert gut für dünne DOEs und kleine Lichtwinkel, liefert aber unter anderen Bedingungen fehlerhafte Ergebnisse.

Beam-Propagation-Methoden (BPM) und Wave-Propagation-Methoden (WPM) basieren auf komplexeren Vereinfachungen und sind für dicke DOEs und große Lichtwinkel besser geeignet als TEA, benötigen aber deutlich mehr Rechenleistung.

Es erfordert grosses Know-how, Vorteile und Grenzen der einzelnen Methoden zu verstehen, aber genau das ist entscheidend für die Wahl des richtigen Modellierungstools. Helbling hat mehrere Modellierungstools entwickelt, um DOE-Designs für vielfältige Anwendungen zu simulieren und optimieren.

Schlussfolgerung: Know-how ist der Schlüssel für Innovation bei DOEs

DOEs sind leistungsstarke optische Elemente, deren Möglichkeiten mit keinem refraktiven optischen Element erreichbar sind. Die richtige Verwendung und Implementierung muss sorgfältig geprüft werden und die Herstellungsmethode muss optimal zur Anwendung passen. Helbling unterstützt ihre Partner mit ihrer Expertise in refraktiver und diffraktiver Optik und seiner Erfahrung in Optikdesign und Produktentwicklung.

 

Autorin: Helen Wächter Fischer