AbstractsPhysics

Die vorliegende Arbeit behandelt das Design, die Herstellung und Charakterisierung eines neuen Typs variabler Mikrolinsen. Die Brennweite wird ohne bewegliche Teile durch integrierte Thermopneumatik eingestellt. Die Methode arbeitet mit geringer Leistungsaufnahme. Es werden zwei Aktuierungsmethoden vorgestellt: (i) Aktuierung durch Membran-Mikropumpen, (ii) Aktuierung auf Chip-Ebene. Zu Beginn wird ein Überblick zum Stand der Technik dargestellt, speziell im Hinblick auf die Aktuierungsmechanismen von Mikrolinsen. Ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit betrifft die Auswahl geeigneter Membranmaterialien und optischer Flüssigkeiten. Ferner kommt der Messtechnik für die Modulationstransferfunktion (MTF) eine hohe Bedeutung zu. Der Überblick ermöglicht dem Leser, die Designvarianten einzuordnen, Vor- und Nachteile abzuwwägen und die Wahl von Materialien und Flüssigkeiten hinsichtlich der optischen Leistungsfähigkeit einzuschätzen. Zur Charakterisierung der Linsen wurde ein kostengzünstiger MTF-Messstand mithilfe eines Lichtmikroskops aufgebaut und bezüglich der ersten Prototypen optimiert. Diese ersten Linsen sind mit Mikro-Membranpumpen ausgestattet, basieren auf dehnbaren PDMS-Membranen als Linsenfläche und lassen sich präzise in der Brennweite kontrollieren. PDMS zeigt ein Aufquellen mit diversen optischen Flüssigkeiten, wie z.B. Silikonöl. Dieser Nachteil wurde behoben, indem zum ersten Mal Polyakrylat als Membranmaterial für variable Linsen erforscht und etabliert wurde. In einem zweiten Ansatz wurde ein fluidisches Netzwerk auf Chip-Ebene zur Aktuierung entworfen, wodurch eine höhere Einstellgenauigkeit und flexiblere Herstellung erreicht wird. Die Linsen werden mit hohem Durchsatz parallel auf Wafer-Ebene hergestellt. Wesentliche Technologien in der Prozesskette sind Trocken- und nasschemisches Ätzen, Dünnschichttechnik, PDMS-Abformung, Fotolithographie mit Trockenresist und Waferbonden. Ergänzend zur messtechnischen Charakterisierung wurden thermische Simulationen durchgeführt. Fokuseigenschaften, MTF-Messungen und das Antwortverhalten der Linsen wurden eingehend untersucht. The thesis presents the design, fabrication and characterization of a new class of tunable micro-lenses. The tuning is accomplished by thermo-pneumatic actuation without using any mechanically moving parts. The tuning mechanism features a large force at low voltage and low power consumption. Two different types of thermo-pneumatic actuators, (i) micropumps based on actuation membranes and (ii) on-chip pressure actuation, are integrated into several lens systems. The thesis first reviews the state-of-the-art of micro-lenses, covering different mechanisms for tuning micro-lenses. Additionally, various materials used for lens membranes, optical liquids, and also setups for measuring the modulation transfer function (MTF) are discussed. The review enables the reader to classify the presented designs, to consider their specific drawbacks and advantages, and to evaluate the choice of liquids and materials with respect to optical performance.…