IOF Jahresbericht 2003 - iof.fraunhofer.de · Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser 100 Namen,...

Frau

nhof

er IO

F

Jahr

esbe

richt

200

3

Ann

ual R

epor

t 20

03

JahresberichtAnnual Report 2003

7197 titel 06 25.02.2004 11:10 Uhr Seite 1

Jahresbericht 2003Fraunhofer-Institutfür Angewandte Optik und Feinmechanik

Annual Report 2003Fraunhofer Institutefor Applied Optics and Precision Engineering

7197 fraunhofer 22 18.02.2004 17:15 Uhr Seite 1

Vorwort 4Institutsprofil 6Kuratorium 8Organisationsstruktur/Kontakte 10Kernkompetenzen des Fraunhofer IOF und Fraunhofer IOF Statistik 12Wichtige Ereignisse und Auszeichnungen im Jahr 2003 14Die Fraunhofer-Gesellschaft 16Ausgewählte Ergebnisse 18

Diamantdrehen mikrooptischer Strukturen 20

Geprägte Glaskeramik für optische und optoelektronische Anwendungen 26

Entwicklung einer Spezialsputteranlage für EUV-Optiken 30

Beschichtungen für Mikrospiegelarrays 34

Rugatefilter für den nahen infraroten und visuellen Spektralbereich 38

AR-hard® – Beschichtung mit einstellbarer spektraler Bandbreite für Kunststoffoptik 42

Maßschneidern geführter Wellen in Wellenleiterarrays 46

Hybride Integration optischer Systeme auf miniaturisierten keramischen Substraten 50

Elektrostatischer Chuck mit integriertem Wafer-Lift 54

Der Mikrofluidik-Baukasten – Konzepte für die Standardisierung und fluidische Schnittstellen 58

Metrologie für die Nanotechnik 62

Flexible Phasogrammetrie – eine neue Methodik zur 3-D-Rundumvermessung 68

Hochauflösende Streulichtanalyse an optischen Komponenten im VUV bis IR 74

Miniaturisiertes markierungsfreies Detektionssystem 80

Optisches Mikrofon 84

Mechanik und Optik vereint – Langzeitarchivierung von farbigen Bildern auf Mikrofilm 88

Kuppelprojektor 94

Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser 100

Namen, Daten, Ereignisse 104Patente 108Bildungsaktivitäten 110Messebeteiligungen 111Wissenschaftliche Publikationen 112Der Weg zu uns 120

Inhalt

2 Fraunhofer IOF Jahresbericht 2003


Preface 5Institute profile 7Advisory Committee 9Organisational Structure/Contact Persons 10Competences of Fraunhofer IOF and Fraunhofer IOF Statistics 12Highlights and honors in the year 2003 14The Fraunhofer-Gesellschaft 17Selected results 19

Diamond turning of micro-optical structures 21

Embossing of glass-ceramics (LTCC) for optical and opto-electronic applications 27

Development of a large area sputtering system for EUV optics 31

Coatings for micro-mirror arrays 35

Rugate filters for the near infrared and visible spectral regions 39

AR-hard® – coating with adjustable spectral bandwidth for plastic optics 43

Tailoring Guided Modes in Waveguide Arrays 47

Hybrid Integration of optical Systems on miniaturized ceramic Substrates 51

Electrostatic chuck with integrated wafer lift 55

The microfluidic toolbox – Standardization Concepts and Fluidic Interfaces 59

Metrology for Nanotechnologies 63

Flexible phasogrammetry – a new method for whole body 3-D measurement 69

High-sensitivity light scattering analysis of optical components from the VUV to IR 75

Miniaturized labelfree detection system 81

Optical microphone 85

Mechanics and Optics united – long time archival storage of colored pictures on microfilms 89

Dome projector 95

High power fiber and waveguide lasers 101

Names, Dates, Activities 104Patents 108Educational Activities 110Science Fair Participation 111Scientific Publications 112Direction of Fraunhofer IOF 121

Contents

3Fraunhofer IOF Annual Report 2003


Liebe Leser,

„Heute schon tun, woran andere erstmorgen denken, denn nur beständigist der Wandel!” Mit diesem Ausspruch von Heraklit aus dem Jahre 480 v. Chr. versinnbildlichte der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft,Prof. Dr. H.-J. Bullinger, die Aufgabender Gesellschaft anlässlich des Ehren-kolloquiums für Prof. Dr. WolfgangKarthe im September vergangenenJahres. Diesem Motto fühlen wir unsam Fraunhofer IOF verpflichtet, istdoch die Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik Hauptan-liegen unserer Arbeit.

Prominente Beispiele für Weiterent-wicklungen am IOF im Jahr 2003betreffen neuartige Schichtsysteme zurOberflächenvergütung von Kunststoff-optiken, die neben spezifischenoptischen verbesserte mechanischeEigenschaften zeigen, oder Faserlaser-systeme, die im kontinuierlichen undgepulsten Betrieb weltweit einzigartigeStrahleigenschaften aufweisen unddamit neue Anwendungsfelder fürLasersysteme erschließen helfen.

Die besondere Wertschätzung dieser Arbeiten in Wissenschaft und Technikwird deutlich durch die Auszeichnun-gen mit dem Fraunhofer-Preis und dem Otto-Schott-Preis des Jahres 2003.Nicht weniger bedeutend für das IOFist aber der erfolgreiche Transfer von Forschungsergebnissen in die Industrie, ein Beispiel betrifft die Entwicklung einer Prozesstechnik zur Herstellung von Mask-Blanks für dieEUV-Lithographie.

Das Jahr 2003 war ein Jahr der Ver-änderungen innerhalb des FraunhoferIOF. So schied Prof. Karthe als Instituts-leiter aus, die Amtsgeschäfte wurdenan mich übertragen. Als Mann der„ersten Stunde” hat Prof. Karthe dasInstitut maßgeblich inhaltlich geprägtund strategisch ausgerichtet. Auf derGrundlage dieser Ausrichtung gelanges, das IOF innerhalb weniger Jahre zueinem der erfolgreichsten Fraunhofer-lnstitute zu entwickeln. Hierfür gebührt ihm – auch im Namen allerMitarbeiterinnen und Mitarbeiter –unser herzlicher Dank. Wir werdenauch in Zukunft daran arbeiten, den inuns gesetzten Erwartungen gerecht zuwerden.

Veränderungen bergen Chancen. Durchden Wechsel in der Institutsleitung ent-stand eine engere Vernetzung mit derFriedrich-Schiller-Universität Jena. Ins-besondere die Kooperation mit demInstitut für Angewandte Physik, dessenLeiter ich in Personalunion bin, konnteintensiviert werden. Durch die Verbin-dung der beiden Institute ist eine national und international heraus-ragende Kompetenz auf dem Gebietder mikro- und nano-strukturiertenOptik geschaffen worden, die eineGrundvoraussetzung für die optischeSystemtechnik darstellt. Sie ist die tech-nologische Plattform für die Herstel-lung und hybride Integration vonaktiven und passiven miniaturisiertenoptischen Elementen.

Sie eröffnet den Schritt von diskretenoptischen Bauelementen hin zu optischen Systemen – analog der Situation in der Elektronik Mitte dersechziger Jahre, als die technologischeund wirtschaftliche Schwelle zur Mikro-elektronik überschritten wurde. UnsereAufgabe besteht in den nächsten Jahren darin, dieses Potenzial effizientzu nutzen und die Entwicklung dermodernen Optik mitzugestalten.

Mein Dank gilt unseren Partnern inIndustrie und Wissenschaft für die guteZusammenarbeit und dem Bundes-ministerium für Bildung und Forschung,dem Thüringer Ministerium für Wissen-schaft, Forschung und Kunst sowie derDeutschen Forschungsgemeinschaft fürihre stetige Unterstützung.

Mein besonderer Respekt, meine Aner-kennung und mein Dank gilt meinenMitarbeiterinnen und Mitarbeitern fürihre hervorragenden Leistungen undihr Engagement. Ihre Arbeiten bildendie Grundlage für die stetige Weiter-entwicklung des IOF.

Prof. Dr. Andreas TünnermannInstitutsleiter

Vorwort



Dear reader,

„Do today what others only think of doing tomorrow, for only change is constant!” Based on this quotation from Heraklit (480 BC), Prof. Dr. H.-J. Bullinger, president of the Fraunhofer-Gesellschaft, embodied the aims of the organizationat the honorary colloquium for Prof. Dr. Wolfgang Karthe in Septem-ber of last year. We at Fraunhofer IOFare committed to this motto becausethe advancement of science andengineering is our primary objective.

In the year 2003 the IOF has made significant and prominent contributi-ons in the field of science and enginee-ring, illustrations of which are: newcoating systems for plastic optics withspecific optical as well as improvedmechanical characteristics and fiberlaser systems with worldwide unique beam characteristics in both continuous and pulsed operation opening up new fields of applicationfor laser systems. The award of the 2003 Fraunhofer-Prize and Otto-Schott-Prize manifestlyshows that this work is both outstan-ding and appreciated.

Equally important for IOF is thesuccessful transfer of our researchresults to industry. One example ofsuch transfer is the development of aprocess technology for the productionof mask blanks for EUV-Lithography.

2003 has been a year of changes at IOF.Prof. Karthe retired as director of theinstitute and his official responsibilitieswere handed over to me. Prof. Karthehas been the director of the IOF sinceits inauguration and has significantlystamped the strategy and orientationof the institute. Based on his guidelinesthe IOF has become one of the mostsuccessful Fraunhofer institutes withinonly a few years. Thanks are due tohim in the name of all staff members.We will continue the endeavors to liveup to expectations of our customersand partners.

Changes hold chances. The change inthe institute’s leadership has led to acloser relationship with the Friedrich Schiller University Jena. In particular,cooperation with the Institute forApplied Physics, of which I am also thedirector, has been intensified. Theresultant collaboration between theseinstitutes has created a nationally andinternationally outstanding level ofcompetence in the field of micro- andnano-structured optics, which is a basicrequirement for optical systems tech-nology. It is the technological base forthe production and hybrid integrationof both active and passive, miniaturi-zed optical elements.

It allows for the transition of discreteoptical elements into optical systems,similar to the technological and econo-mical breakthrough of microelectronicsin the mid 1960’s. Over the next fewyears we will try to use this potentialeffectively to influence the develop-ment of modern optics.

I would like to thank our partners inindustry and science for their excellentcollaborative work and also: the Ger-man federal ministry of education andresearch, Thuringia’s ministry for science, research and the arts and theDeutsche Forschungsgemeinschaft fortheir ongoing support.

I pay tribute to all my colleagues andthank them for their outstandingresults and commitment. Their workforms the foundation for the conti-nuous progress of the IOF.

Prof. Dr. Andreas TünnermannDirector


Preface


Das Fraunhofer-Institut für AngewandteOptik und Feinmechanik erforscht,konzipiert und entwickelt Verfahrender optischen Messtechnik und Ferti-gungstechnik, Beschichtungsverfahrensowie optische und feinmechanischeModule und Systeme. Schwerpunktesind optische Schichten, optische Mess-systeme, mikro- und integriert-optischeSysteme einschließlich Laserbau-gruppen sowie feinmechanische Präzisionsbaugruppen und -systeme.Zentrale Kompetenz und Grundlagealler Arbeiten am Institut ist das Know-how auf den Gebieten Optik- undMechanik-Design.

Für die Entwicklung von ultrastabilenSchichtsystemen für höchste Ansprücheim sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich bis unter 10 nm undEnergiedichten bis 30 J/cm2 stehen diezugehörigen Herstellungsverfahren zurVerfügung. Die im Fraunhofer IOF ent-wickelten und hergestellten mikro- undnano-optischen Elemente sowie Bau-elemente der integrierten Optik auf derBasis von Kunststoffen, Glas und

Silizium finden Einsatz in der Industrie.Anwendungsbereiche miniaturisierteropto-mechanischer Systeme, wie z. B.Strahlablenksysteme, schnelle Vielfach-schalter und Modulatoren sowie passive und aktive mikrooptische Bau-elemente, liegen in Tele- und Daten-kommunikation, Sensorik, Fertigungs-,Medizin- und Umwelttechnik.

Industriell genutzt werden die Verfahren zur berührungslosen 3-D-Koordinatenmessung und Defekter-kennung an Oberflächen. Nach denErfordernissen der Industriepartnerwerden Verfahren der Optikmontagewie Präzisionskleben, Laserstrahllötenund Plattformkonzepte für die AVTsowie Fertigungsmanipulatoren vor-wiegend für miniaturisierte Optikenund Präzisionsbaugruppen für Ausrüstungen der Mikroelektronik ent-wickelt. Die Auftragsbearbeitungbezieht geräteinterne Mess- und Prüf-technik, Prototypenentwicklung undTestserienfertigung mit ein.

Die Auftraggeber des Fraunhofer IOFkommen überwiegend aus Klein- undmittelständischen Unternehmen aberauch aus Unternehmen der Groß-industrie, sowohl national als auchinternational. Das Institut erhält Förder-mittel aus öffentlichen Projekten desBundesministeriums für Bildung undForschung, des Thüringer Ministeriumsfür Wissenschaft, Forschung und Kunstsowie der Europäischen Union.

Am Fraunhofer IOF sind mehr als 100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiterbeschäftigt. Seit 2002 ist der Sitz desInstituts in einem modernen Neubauauf dem Jenaer Beutenberg Campus,in unmittelbarer räumlicher Nähe zuanderen Forschungseinrichtungen, zurUniversität und zur Fachhochschule.

Für die Bearbeitung der Forschungs-aufträge finden die Mitarbeiter auf ca. 5 000 m2 Labor- und Büroflächehervorragende Arbeitsbedingungen.Das Institut verfügt über moderneAnlagen und Ausrüstungen der Mikro-optik-Technologie, der Präzisions-bearbeitung und -montage, modernsteBeschichtungsanlagen, Verfahren zur Charakterisierung von Oberflächenund Schichten sowie zur Optik-charakterisierung und einen umfang-reichen Software-Pool für Optik- und Mechanik-Design.

Institutsprofil



The Fraunhofer Institute for AppliedOptics and Precision Engineering investigates, designs and develops processes for optical measurement andmanufacturing technologies, coatingtechnologies as well as modules andsystems for optics and precisionengineering. The institute’s focus is onoptical coatings, optical measurementsystems, micro-optical and integratedoptical systems including laser assem-blies, and components for precisionmechanics assemblies and systems. Thecore of the institute’s competence andits basis for all developments is itsknow-how in the areas of optical andmechanical design.

Technologies for the development ofhigh-performance ultra-stable coatingsystems for wavelengths in the visibleand UV range to below 10 nm andenergy densities of up to 30 J/cm2 areat the institute’s disposal. Plastic as wellas glass and silicon based micro- andnano-optical elements and integratedoptics components which were developed and manufactured at theIOF are utilized by the industrial sector.

Areas of application for miniaturizedopto-mechanical systems like beamscanners, fast multi-switches andmodulators, as well as passive andactive micro-optical components, include: tele and data communication,sensor systems and production, medi-cal and environmental technology.

Methods for contactless 3-D coordinatemeasurement and surface defectdetection are used industrially. Basedon the requirements of our industrialpartners we develop methods foroptics assembly, such as precision bonding, laser beam soldering andplatform concepts for packaging ofintegrated circuits, also productionmanipulators, mostly for miniaturizedoptics and precision engineering com-ponents to be used in microelectronicsequipment. Measurement and testingtechniques, prototype developmentand the manufacture of pilot batchesare part of our effort.

The clients of Fraunhofer IOF mostlycome from small and medium-sizedenterprises, but also from major com-panies of Germany and throughout the world. The institute receives support from public projects of theGerman federal ministry of educationand research, the ministry for science,research and the arts of the federalstate of Thuringia and from interna-tional projects of the European Union.

Since the year 2002 the employees(more than 100 in total) of the IOFwork in a new complex at the JenaBeutenberg Campus close to otherresearch facilities, the university andthe technical college. Researchrequests from industrial partners arecarried out in its offices and labora-tories, a space of approximately 5 000 square meters. The institute isequipped with modern facilities formicro-optics technology and precisionengineering and assembling, state-of-the-art coating plants, methods forsurface characterization, optics characterization and a vast of softwarefor optical and mechanical design.


Institute profile

Das neue Institutsgebäude des Fraunhofer IOF

The new institute building of the Fraunhofer IOF


Fraunhofer-Institut und Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaftwerden durch ein Kuratorium beraten, dem folgende Mitglieder angehören:

• Dr. F.-F. von Falkenhausen Carl Zeiss Jena GmbH (Vorsitzender)

• Prof. Dr. H.-J. TizianiUniversität Stuttgart, Lehrstuhlinhaber für Technische Optik (stellvertretender Vorsitzender)

• Dr. K. BartholméMinisterialrat im Thüringer Ministeriumfür Wissenschaft, Forschung und Kunst (TMWFK)

• Prof. Dr.-Ing. J. Herrmann

• Dr. L. RossMuT Management- und Technologieberatung Dr. Ross GmbH, Stutensee

• Prof. Dr. R. Sauerbrey Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische FakultätInstitut für Optik und Quantenelektronik

• Prof. Dr. G. ScarbataTU Ilmenau, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet Elektronische Schaltungen und Systeme

• Herr J. von Schaewen a. G. Ministerialrat im Bundesministeriumfür Bildung und Forschung, Bonn

• Dr. N. StreiblRobert Bosch GmbH

• Prof. Dr. B. WilhelmiJenoptik AGWissenschaftlicher Beirat

Kuratorium



The Advisory Committee supports the Fraunhofer Institute aswell as the Board of Directors of the Fraunhofer-Gesellschaftand is comprised of the following members:

• Dr. F.-F. von Falkenhausen Carl Zeiss Jena GmbH (Chair)

• Prof. Dr. H.-J. Tiziani University of Stuttgart, Professor for Technical Optics (Deputy chair)

• Dr. K. BartholméDeputy minister of Thuringia’sministry of science, research and the arts (TMWFK)

• Prof. Dr.-Ing. J. Herrmann

• Dr. L. RossMuT Management- und Technologieberatung Dr. Ross GmbH, Stutensee

• Prof. Dr. R. Sauerbrey Friedrich Schiller University Jena Faculty for Physics and Astronomy Institute of Optics and Quantum Electronics

• Prof. Dr. G. Scarbata Technical University Ilmenau, Faculty for ElectricalEngineering and Information Technology Department of Electronic Circuits and Systems

• Herr J. von Schaewen a. G. Deputy minister of the federal ministryfor education and research, Bonn

• Dr. N. StreiblRobert Bosch GmbH

• Prof. Dr. B. Wilhelmi Jenoptik AGScientific advisory board


Advisory Committee


Organisationsstruktur/Kontakte

Organisational Structure/Contact Persons


Optische Schichten/Optical Coatings

Dr. Norbert Kaiser

Optische Systeme/Optical Systems

Dr. Gunther Notni

Mikrooptik /Microoptics

Dr. Andreas Bräuer

Feinwerktechnik/Precision Engineering

Dr. Volker Guyenot

Mikrooptik-Technologie /MicroopticalTechnology

Dr. Peter Dannberg

Kunststoff-beschichtung /Optical Coatingson Plastics

Dr. Ulrike Schulz

VUV-, EUV- undRöntgenschichten/VUV-, EUV- andX-Ray Coatings

Dr. Torsten Feigl

NIR- und VIS-Schichten/NIR- and VIS-Coatings

Dr. Olaf Stenzel

3-D-Messtechnik/3-D MeasurementTechniques

Dr. Peter Kühmstedt

Design und Analyseoptischer Systeme/Design and Analysisof Optical Systems

Dr. StefanRiehemann

Oberflächen- undSchichtcharakteri-sierung /SurfaceCharacterization

Dr. Angela Duparré

Mikrooptik-Systemdesign/MicroopticalSystems Design

Dr. Peter Schreiber

Präzisionssysteme/Precision Systems

Dr. Stefan Risse

Mikromontage/Microassembly

Dr. Ramona Eberhardt

ApplikationszentrumMikrotechnik Jena/Application Centerfor Microtechnology

Dr. Claudia Gärtner

Verwaltung/Administration

Dipl.-Kffr.Astrid Deppe

Technische Dienste/Technical Services

Dr. Hartwig Treff

Strategie, Marketing,Kommunikation/Strategy, Marketing,Communication

Dr. Brigitte Weber

Institutsleiter/DirectorProf. Dr. Andreas Tünnermann

Stellvertretender Institutsleiter/Deputy DirectorDr. Norbert Kaiser

Assistenz des IL/AssistentDr. Brigitte Weber

Sekretariat/SecretaryUrsula Kaschlik

InfrastrukturInfrastructure

Stand 15.12.2003

MikrooptischeModule/MicroopticalModules

Dipl.-Ing. (FH)Bernd Höfer

Simulation undMechanik-Design/Simulation andMechanical Design

Dr. Thomas Peschel



Ultrapräzisionsbearbeitung – Diamantdrehen zur Erzeugung hochpräziser optischer Oberflächen

Ultra-precision machining – Single point diamond turning for generation of high-precision optics

Inspektions- und Messtechnik zur Charakterisierung optischer Mikrostrukturen:Mikroskopie, Dicken- und Form-vermessung, Profilometrie

Inspection and measurementequipment for characterization ofoptical micro structures: microscopy, thickness, shape and profile measurement

Lithographie: Erzeugung bzw. Abformung optischer Mikrostrukturen

Lithography: Generation respectively UV molding of microptical structures

Plasmatechnologie:Ätz- und Beschichtungslabor fürdie Herstellung mikrooptischer Elemente in Silizium und Glas(Quarz)

Laboratory plasma technology: Etching and deposition for micro-optic device fabrication in siliconand glass (quartz)

Feinmechanische Werkstatt

Opto-mechanical workshop

Mikroheißprägen für die Polymermikrotechnik

Micro hot embossing for polymermicrotechnology

Eindrücke

Impressions


Kernkompetenzen des Fraunhofer IOF

Competences of Fraunhofer IOF


Bauelemente und Sub-systeme für optischeInformations-, Laser-u. Beleuchtungstechnik

Devices and subsystemsfor optical informationtechnology, laser tech-nology a. illumination

Optische Prüf- undMessmethoden/Optische Sensorik

Optical test andmeasuring methods/optical sensors

Module fürfeinmechanischePräzisionssysteme

Modules for precisionmechanics systems

Oberflächenvergütungfür die Optik

Optical coatings

Medizintechnisch-optische Geräte undVerfahren

Medicalopticalequipment andmethods

Oberflächencharakte-risierung undGeometrievermessung

Surfacecharacterizationand shapemeasurementtechniques

Mikrooptik

Microoptics

Design und Analyseoptischer und opto-mechanischer Systeme

Design and analysisof optical and opto-mechanical systems

KernkompetenzenCompetences

GeschäftsfelderBusiness fields

Optische Schichten

Optical films



Fraunhofer IOF Statistik

Fraunhofer IOF Statistics

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Budget (%)

19991998 2000 2001 2002 2003*

10

*vorläufig/temporary

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Budget (Mio Euro)

19991998 2000 2001 2002 2003*

10

*vorläufig/temporary

1999

0

10

20

30

40

50

60

1998 2000 2001 2002 2003

Beschäftigungsentwicklung/Staff (overall empoyment figures)

70

33,7 %

40,2 %

26,1 %

45 %

01%

21%

33%

Grundfinanzierung/Federal Funding

öffentliche Aufträge/Contracts (Government)

Industrie/Contracts (Industry)

Budget Jahr 2003/Budget year 2003

Sonstige/Temporary contracts

Schüler und Studenten/Undergraduate and graduate students

Techniker/TechniciansWissenschaftler/Scientists

Beschäftigte 2003/Staff year 2003



Wichtige Ereignisse und Auszeichnungen im Jahr 2003

Highlights and honors in the year 2003

Einweihungdes neuen Institutsgebäudes

Am 7. März 2003 wurde das neueInstitutsgebäude des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik undFeinmechanik offiziell eingeweiht. Zu den Gästen zählten auch der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, Prof. Dr. Hans-Jörg Bullinger, derStaatssekretär im Bundesministeriumfür Bildung und Forschung ChristophMatschie, Thüringens Ministerin fürWissenschaft, Forschung und Kunst,Prof. Dr. Dagmar Schipanski sowie Dr. Peter Röhlinger, Oberbürgermeisterder Stadt Jena.

Inaugurationof the new institute building

On March 7 st the new building of theFraunhofer Institute for Applied Opticsand Precision Engineering IOF was inaugurate. Among the visitors havebeen Prof. Hans-Jörg Bullinger, President of the Fraunhofer-Gesell-schaft (FhG) as well as Christoph Matschie, State secretary of the German federal ministry of educationand research, Prof. Dagmar Schipanski,Thuringian minister of science, research and art and Dr. Peter Röhlinger, the mayor of Jena.



Institutsleiterwechselam Fraunhofer IOF

Am Mittwoch, dem 10. September 2003wurde die Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik undFeinmechanik im Rahmen eines Ehrenkolloquiums offiziell von Prof. Dr. Wolfgang Karthe an Prof. Dr. Andreas Tünnermann über-geben. Prominente Redner aus Politikund Wirtschaft wie der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, Prof. Dr. Hans-Jörg Bullinger undThüringens Ministerin für Wissen-schaft, Forschung und Kunst, Prof. Dr. Dagmar Schipanski würdigtendie Ergebnisse der Wissenschaftler desJenaer Forschungsinstituts, welchessich seit 1992 unter der Leitung desJenaer Physikers Karthe zu einem dereffizientesten Fraunhofer-Institute inDeutschland entwickelt hat.

Der neue Chef des Fraunhofer IOF,Prof. Andreas Tünnermann, ist gleich-zeitig Leiter des Instituts für angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität (FSU-IAP). Deshalbwurde ein Kooperationsvertrages zwischen der FSU und der FhG unter-zeichnet. Durch die Bündelung derKompetenzen der Universität in derGrundlagenforschung und die desFraunhofer IOF in der angewandtenForschung und bei der Projektarbeitsind wichtige Synergieeffekte zuerwarten, so Tünnermann.

Handing over of the direction at the Fraunhofer IOF

Wednesday, September 10th thedirection of the Fraunhofer Institute forApplied Optics and Precision Enginee-ring IOF was handed over from Prof. Wolfgang Karthe to Prof. AndreasTünnermann. Within a colloquium prominent speakers from politics andindustry appreciated the outstandingresults of the IOF. Among the speakershave been Prof. Hans-Jörg Bullinger,President of the Fraunhofer-Gesell-schaft (FhG) as well as Prof. DagmarSchipanski, Thuringian minister ofscience, research and art and Prof. Karl-Ulrich Meyn, Rector of theFriedrich Schiller University in Jena(FSU). They all claimed the excellentdevelopment of the Fraunhofer IOFunder the management of Prof. Karthe.

The new director of the Fraunhofer IOF,Prof. Tünnermann is at the same timethe head of the Institute of AppliedPhysics at the University in Jena (FSU-IAP). In this regards the FSU andthe FhG signed an agreement on cooperation. Thereby a closer collabo-ration between the two institutesbecomes possible and Prof. Tünner-mann aspects potential synergeticeffects by the bundling of competen-cies in basic research (FSU-IAP) anapplied research (Fraunhofer IOF).


Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibtanwendungsorientierte Forschung zumunmittelbaren Nutzen für Unterneh-men und zum Vorteil der Gesellschaft.Vertragspartner und Auftraggeber sindIndustrie- und Dienstleistungsunter-nehmen sowie die öffentliche Hand. Im Auftrag und mit Förderung durchMinisterien und Behörden des Bundesund der Länder werden zukunfts-relevante Forschungsprojekte durch-geführt, die zu Innovationen imöffentlichen Nachfragebereich und inder Wirtschaft beitragen.

Mit technologie- und systemorientier-ten Innovationen für ihre Kunden tragen die Fraunhofer-Institute zurWettbewerbsfähigkeit der Region,Deutschlands und Europas bei. Dabei zielen sie auf eine wirtschaftlich erfolgreiche, sozial gerechte undumweltverträgliche Entwicklung derGesellschaft.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbei-tern bietet die Fraunhofer-Gesellschafteine Plattform zur fachlichen und persönlichen Entwicklung füranspruchsvolle Positionen in ihren Instituten, in anderen Bereichen der Wissenschaft, in Wirtschaft undGesellschaft.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibtderzeit rund 80 Forschungseinrich-tungen, davon 58 Institute, an über 40 Standorten in ganz Deutschland. Rund 12 700 Mitarbeiterinnen undMitarbeiter, überwiegend mit natur-oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, bearbeiten das jährlicheForschungsvolumen von über eine Milliarde Euro. Davon fallen mehr als900 Millionen Euro auf den Leistungs-bereich Vertragsforschung. Für rundzwei Drittel dieses Leistungsbereichserwirtschaftet die Fraunhofer-Gesell-schaft Erträge aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanziertenForschungsprojekten. Ein Drittel wirdvon Bund und Ländern beigesteuert,um damit den Instituten die Möglich-keit zu geben, Problemlösungen vor-zubereiten, die in fünf oder zehnJahren für Wirtschaft und Gesellschaftaktuell werden.

Niederlassungen in Europa, in den USAund in Asien sorgen für Kontakt zu den wichtigsten gegenwärtigen undzukünftigen Wissenschafts- und Wirt-schaftsräumen.

Mitglieder der 1949 gegründeten und als gemeinnützig anerkanntenFraunhofer-Gesellschaft sind namhafteUnternehmen und private Förderer.Von ihnen wird die bedarfsorientierteEntwicklung der Fraunhofer-Gesell-schaft mitgestaltet.

Ihren Namen verdankt die Gesellschaftdem als Forscher, Erfinder und Unter-nehmer gleichermaßen erfolgreichenMünchner Gelehrten Joseph vonFraunhofer (1787–1826).

Die Fraunhofer-Gesellschaft



The Fraunhofer-Gesellschaft under-takes applied research of direct utilityto private and public enterprises and ofwide benefit to society. Its services aresolicited by customers and contractualpartners in industry, the service sectorand public administration. The orga-nization also accepts commissions andfunding from German federal and Länder ministries and governmentdepartments to participate in future-oriented research projects with the aimof finding innovative solutions to issuesconcerning the industrial economy andsociety in general.

By developing technological innova-tions and novel systems solutions fortheir customers, the Fraunhofer Insti-tutes help to reinforce the competitivestrength of the economy in their localregion, and throughout Germany andEurope. Through their work, they aimto promote the successful economicdevelopment of our industrial society,with particular regard for social welfareand environmental compatibility.

As an employer, the Fraunhofer-Gesell-schaft offers a platform that enables itsstaff to develop the professional andpersonal skills that will allow them totake up positions of responsibility wit-hin their institute, in other scientificdomains, in industry and in society.

At present, the Fraunhofer-Gesellschaftmaintains roughly 80 research units,including 58 Fraunhofer Institutes, atover 40 different locations in Germany.A staff of some 12,700, predominantlyqualified scientists and engineers, workwith an annual research budget of over1 billion euros. Of this sum, more than€ 900 million is generated throughcontract research. Roughly two thirdsof the Fraunhofer-Gesellschaft’s contract research revenue is derivedfrom contracts with industry and frompublicly financed research projects. Theremaining one third is contributed bythe German federal and Länder governments, as a means of enablingthe institutes to pursue more funda-mental research in areas that are likelyto become relevant to industry andsociety in five or ten years’ time.

Affiliated research centers and repre-sentative offices in Europe, the USA and Asia provide contact with the regions of greatest importance to future scientific progress and economicdevelopment.

The Fraunhofer-Gesellschaft was founded in 1949 and is a recognizednonprofit organization. Its membersinclude wellknown companies and private patrons who help to shape theFraunhofer-Gesellschaft’s researchpolicy and strategic development.

The organization takes its name fromJoseph von Fraunhofer (1787–1826),the illustrious Munich researcher, inventor and entrepreneur.


The Fraunhofer-Gesellschaft


Im vorliegenden Bericht werden ausge-wählte Resultate aus den Forschungs-feldern des Fraunhofer IOF vorgestellt.Es sind Ergebnisse, die aus Projektenmit Großunternehmen als auch mitkleinen und mittelständischen Unter-nehmen hervorgegangen sind, die inöffentlich geförderten Verbund-projekten oder aber auch in haus-internen Vorlaufprojekten entstandensind. Sie sollen dem Leser einen Eindruck über die Breite und Vielfaltunserer Forschungs- und Entwicklungs-arbeit vermitteln und die schablonen-hafte Darstellung der Kompetenzendes IOF in Form der Kompetenzmatrixanschaulicher machen.

Die Mikro- und Nanotechnologie ist für das IOF und seine Partner einwesentlicher Schwerpunkt geworden, der abteilungsübergreifend die Forschungs- und Entwicklungsarbeitenbestimmt. Neue Funktionalitäten konnten demonstriert werden auf derGrundlage von nanometerdickenSchichtsystemen oder nanoskaligenOberflächenstrukturen. Essentiell war hierbei die am IOF vorhandeneKompetenz in Design, Herstellung,Charakterisierung und Verbindung vonMikro- und Nano-Strukturen, die erst-mals auch die Realisierung von komplexen Systemen ermöglichte.

Ausgewählte Ergebnisse



This annual report features selectedresults from the various fields of research of Fraunhofer IOF. This includes results of projects carried outtogether with large, as well as smalland medium-sized companies, publiclyfunded cooperative projects and theinstitute’s internal pilot projects. Theresults are presented to with a view togiving the reader an impression of thebreadth and variety of our research anddevelopment work and to illustrate theIOF’s areas of competence as depictedin diagram form.

The IOF and its partners place emphasison micro- and nano-technology. Thisinfluences the R & D activities of theentire institute. Novel functionalitiesbased on nanometer-thick coatingsystems and nanoscale surface structu-res have been demonstrated. The IOF’scompetence in design, manufacture,characterization and linking of micro-and nano-structures has also beenessential for the first-time realization ofcomplex systems.


Selected results


Einleitung

Das Diamantdrehen auf der Grundlageultrapräziser Maschinentechnik (Abb. 1)ist eine eingeführte Technologie zurHerstellung rotationssymmetrischerOptikkomponenten. Klassische Einsatz-felder sind Metallspiegel und Kristall-optik für den Infrarotbereich. BreitenEinsatz findet dieses spanende Verfah-ren auch bei der Kunststoffoptik-fertigung. Hierbei werden sowohlPrototypen direkt in das optische Material geschnitten als auch die Werk-zeuge zum Prägen und Spritzgießenhergestellt. Bei all diesen Beispielenhandelt es sich überwiegend ummakroskopische Optikelemente, derenForm weitgehend identisch mit dendurch klassische Optikfertigung herstellbaren Bauteilen ist. Mittels Dia-mantdrehen können komplexe, pro-grammgesteuerte Geometrien erzeugtwerden, die bezüglich Kontur undStrukturfeinheit über die konventionel-len Möglichkeiten hinausgehen.

Die Forschungen im IOF auf demGebiet der Ultrapräzisionsbearbeitungsind auf folgende Schwerpunktegerichtet:• Entwicklung von Bearbeitungs-

technologien zur Herstellung mikro-optischer Strukturen

• Ultrapräzise Fertigung von Replikationswerkzeugen

• Generierung komplexer optischerFlächen (asphärisch, nicht-rotations-symmetrisch und Freiformflächen.

Miniaturisiertes Drehen

Eine erste Möglichkeit zur Herstellungvon Mikrooptiken durch Diamant-drehen ist die Miniaturisierung desklassischen Drehvorgangs. Es handeltsich um rotationssymmetrische Sphärenoder Asphären mit Durchmessern < 3 mm. Das Bauteil befindet sich imDrehzentrum, die Bauteilkontur wirddurch die X-Z Maschinenbewegung inder Werkzeugebene erzeugt.

Diamantdrehen mikrooptischer Strukturen

Andreas Gebhardt, Ralf Steinkopf


Andreas Gebhardt

Abb. 1: Diamantdrehen einer Gitterstruktur, Material: chemisch Nickel.

Fig. 1: Diamond turning of a grating structure, material: electroless Nickel.


Introduction

Single point diamond turning (SPDT)based on ultra precision machines is awell known technique for manufactu-ring rotationally-symmetrical optics.Classical applications are metal mirrorsand crystal optics for infrared wave-lengths. An important implementationof this cutting method is the manufac-ture of plastic optics. Cutting prototy-pes is as common as the manufactureof replication tools for injection moul-ding or hot embossing. All these exam-ples deal with macroscopic optics, theshapes of which are widely similar tooptics made by classic optic manufac-turing. However the possible use ofSPTD to produce complex, CNC-pro-grammed geometries which exceed thelimits of optically produced elementswith respect to their shape and micro-structure is currently the focus of muchresearch.

The research at Fraunhofer IOF in thefield of ultra precision machining isfocused on:• Development of machining

technologies for the manufacturingof micro-optical structures

• Ultra precise manufacturing of moulds

• Generation of complex optical surfaces (aspherical, non-rotationally symmetrical, freeform).

Miniaturized turning

One possibility for making micro-opticswith SPDT is miniaturized turning.Spheres or aspheres with diametersless than 3 mm can be created. Thecomponent is arranged at the turningcenter and the shape is realized by theX-Z movement in the tool-plane.


Diamond turning of micro-optical structures

Andreas Gebhardt, Ralf Steinkopf

Ralf Steinkopf

Abb. 2: Diamantdrehen mikrooptischer Strukturen: Herstellungsvarianten.

Fig. 2: Diamond turning microoptical structures:machining versions.2a: Face-turnig of microprofiles.2b: Fast Tool Servo

Manufacturing of non-rotationally symmetricae strutures.

2c: Microstructuring of the circumference.2d: Foil turning as a option of structuring

the circumference.2e: Foil after manufacturing.

Foliendrehen als Varianteder Außendurch-messerbearbeitungzur Erzeugung von Mikrostrukturen(2d)

Folie nach Bearbeitungim entspannten Zustand (2e)

Außendurchmesser-bearbeitung zur Erzeugungvon Mikrostrukturen (2c)

Fast Tool ServoErzeugung Nicht-

Rotations-symmetrischerStrukturen (2b)

Tool Stirnflächenbearbeitung zurErzeugung von Mikro-strukturen(2a)

100 mm

z=f(x,φ)


Diese Technologie erlaubt die Herstel-lung von Einzellinsen und von array-förmigen Anordnungen. In diesem Fallwird das Substrat justierbar auf derSpindel angeordnet und das jeweils zu bearbeitende Lenslet auf die Spindelmitte justiert. In die refraktive optische Fläche können zusätzlich auch diffraktive Elemente im gleichen Bearbeitungsprozess eingearbeitetwerden. Auf Grund der kleinen Bauteil-durchmesser und der oftmals gleich-zeitigen starken Krümmung muss mit Werkzeugen mit minimalemSchneidenradius oder Halbradiuswerk-zeugen und kleinem Spitzen- und Freiwinkel gearbeitet werden.

Auch bei dieser Verfahrensvariantesteht das Erreichen einer möglichsthohen Formgenauigkeit und damit dieMinimierung der Abbildungsfehler imFokus der Prozessoptimierung. Ineinem iterativen Verfahren wird dieKorrektur der zunächst fehlerbehafte-ten Form durchgeführt. Nach der

Einrichtung des Werkzeuges anhandeiner interferometrisch auswertbarenSphäre wird nach einem ersten Bear-beitungsschritt ein best fit der tatsäch-lich gefertigten Asphäre durchgeführt.Der Offset der gefundenen Asphären-parameter wird als Korrektur in dieGenerierung des CNC-Programms eingearbeitet. Bei der weiteren Bearbeitung kann mit korrigiertem Programm die Formgenauigkeit schritt-weise auf die gewünschte Toleranzgebracht werden. Abb. 3 zeigt in PMMAgedrehte Einzellinsen eines Mikro-objektivs für eine Miniaturkamera. Dieasphärischen Linsenflächen weiseneine Formabweichung < 0,5 µm auf.

Zur Charakterisierung der Abbildungs-qualität der Mikrolinsen wurde dieModulationsübertragungsfunktion(MTF) des Gesamtobjektivs ermittelt.Hierbei konnte eine gute Überein-stimmung der Simulationsrechnung(ZEMAX) mit den gemessenen Objektiv-daten festgestellt werden (Abb. 4) /1/.

Off-Axis-Bearbeitung

Eine zweite Möglichkeit der Herstel-lung von mikrooptischen Strukturenist die außeraxiale Bearbeitung einesSubstrates /2/. Ähnlich einer Schall-platte werden die Strukturen spiral-förmig in möglichst großem Abstandvon der Drehmitte eingearbeitet (Abb. 2). Die Strukturen könnensowohl durch die programmierte Werk-zeugbahn als auch durch den direktenÜbertrag des Werkzeugprofils erzeugtwerden. Die sich durch den Abstandzur Spindelmitte ergebende Krüm-mung senkrecht zum Profil ist für vieleAnwendungen vernachlässigbar bzw.kann im Optikdesign vorausschauendkompensiert werden. Somit ist eineeffiziente Herstellung von zylindrischenKonturen mit asphärischem Profil mög-lich, wobei das Profil von Rille zu Rillevariieren kann. Beispielhaft zeigtAbb. 5 ein durch UV-Reaktionsgussrepliziertes Zylinderlinsenarray mithyperbolischem Linsenquerschnitt. DasLinsenarray wurde als strahlformendesElement in einem optischen Mikrofon/3/ verwendet und zeigt gegenübersphärischen Arrays eine Steigerung derKoppeleffizienz um den Faktor 3.



Abb. 4: Modulationsübertragungsfunktiondes gedrehten Mikroobjektivs im Vergleich zur Simulation.

Fig. 4:MTF of the turned micro objective versus simulation.

Abb. 3: Diamantgedrehte Mikrolinsen,Material PMMA.

Fig. 3: Diamond turned micro lenses,material: PMMA.


This technique permits the manufactu-ring of lenses and lens arrays. The substrate in the latter case is adjustablymounted to align every lenslet in thespindle center. Diffractive elements canbe added to the refractive optical sur-face. Due to the small diameter andthe typically steep curvature, it is necessary to use small radius or splitradius tools with an acute tool-tipangle and a small clearance angle.

Using this turning technique the objec-tive is to construct the most accurateform possible, thereby minimizingaberration. In an iterative processincorrect surface shape must be correc-ted. After the initial tool setup bymeans of an interferometrically verifiedsphere, the real part will be measuredand a best fit made. The offset of thecalculated asphere parameters is usedto correct the CNC-Program. Repeatedmachining with the rectified programproduces a form close to the postu-lated tolerance.

Fig. 3 shows micro lenses (PMMA) of amicro camera objective made by thistechnique. The aspherical lenses exhibita form-accuracy superior to 0.5 microns. To characterize the lens aberration theModulation Transfer Function (MTF) ofthe objective was investigated. In thisrespect good correspondence of thesimulation (ZEMAX) to the measuredvalues was observed (Fig. 4) /1/.

Off-axis turning

A second possibility for micro-structu-ring is off-axis turning /2/. The structu-res are cut in a spiral groove as far aspossible from the spindle axes, like avinyl record (fig. 2). The shape of thestructure is made by the programmedtool path or by copying the profiledtool directly onto the material. The cur-vature perpendicular to the profile isnegligible for a lot of applications orcan be anticipated and compensatedby the optical design. With this methodvery efficient manufacture of cylindricalcontours with an aspherical profile ispossible even if the profile changeswith every groove.

As an example fig. 5 shows a cylindricallens array with its hyperbolic profilereplicated using UV-reaction moulding.This array is used in an optical micro-phone /3/. In comparison with a spheri-cal lens array the hyperbolic arrayincreases the coupling efficiency by afactor of 3.



300 µm

Abb. 5: Abgeformtes Zylinderlinsenarray und Formabweichung einer Einzellinse (Tastschnittmessung).Form: hyperbolisch, Pitch: 150 µm, Sag 22 µm,

Füllfaktor > 99 %,Formgenauigkeit < 250 nm,

Rauheit: RMS < 10 nm

Fig. 5: Replicated cylindrical lens array andform deviation of single lenslet (tactile measurement).Shape: hyperbolic,Pitch: 150 µm, Sag 22 µm,

fill factor > 99 %,Form accuracy < 250 nm,

Roughness: RMS < 10 nm

Mikrometer

Millimeter


Ebenso können Beugungsgitter mitveränderlicher Gitterkonstante und Blazewinkel erzeugt werden. Die mini-malen Strukturgrößen werden durchdie zur Verfügung stehenden Werk-zeuge limitiert, wobei Strukturbreitenvon wenigen Mikrometern bei Höhenim Sub-Mikrometer-Bereich realisierbarsind (Abb. 6).

Strukturierung von Zylinderflächen

Eine ähnliche Vorgehensweise wie beider Off-Axis-Bearbeitung ist auch fürdie Strukturierung einer Zylinderflächemöglich. Hierbei erhält man ein ring-förmig umlaufendes Profil. Durch dieVerwendung einer Folie können (trotzdes Drehprozesses) lineare Mikrostruk-turen erzeugt werden. Die auf derMantelfläche des Zylinders aufge-brachte Substratfolie wird nach erfolg-ter Strukturierung gelöst und auf einenebenen Träger aufgebracht.

Fast Tool Servo

Mit den bisher beschriebenen Techno-logien wird die Bauteilkontur durcheine Relativbewegung zwischen Werk-stück und Werkzeug unabhängig vonder Rotationsbewegung des Werk-stücks erzeugt. Ein zusätzlicher Frei-heitsgrad kann durch ein synchron zurSpindelbewegung angetriebenesWerkzeug erschlossen werden. Dieseso genannte Fast Tool Servo-Techno-logie (FTS) ermöglicht eine Strukturie-rung der Werkstückoberfläche entlangdes spiralförmig verlaufenden Werk-zeugweges. Innerhalb der Limitierungenfür den Hub des FTS-Systems und der maximalen Frequenz der spindel-synchronen Werkzeugbewegung können somit nicht-rotationssymme-trisch strukturierte Flächen erzeugtwerden (Abb. 7).

Zusammenfassung

Das Potential der Ultrapräzisions-Diamantbearbeitung wird insbesonderevor dem Hintergrund der stetig wach-senden Anforderungen aus dem Optikdesign interessant. Das Diamant-drehen erlaubt die flexible Fertigungvon Mikrogeometrien mit Struktur-breiten ab wenigen Mikrometern und Strukturtiefen bis in den Sub-Mikro-meterbereich und erschließt damit, inErgänzung zu lithographischen Ver-fahren, eine Vielzahl von neuen Applikationen.

Spiegelträger aus NE-Metall sowierefraktive Optik- und Mikrooptik-bauteile aus optischen Kunststoffensind eine Domäne dieser Technik. Mitdem im IOF zur Verfügung stehendenEquipment sind außerdem Freiform-flächen, Gitterstrukturen und andereMikroprofile direkt für optische Bau-teile oder als Abformwerkzeuge für die präzise Kunststoffabformung generierbar .

Literatur:/1/ Schalm, N.: „Entwicklung eines Messplatzes

zur Bestimmung der Abbildungsqualität vonminiaturisierten Kameraobjektiven”,Diplomarbeit, Fraunhofer Institut Ange-wandte Optik und Feinmechanik 2003.

/2/ Brinksmeier, E.; Stern, R.: „Fertigung undAnwendung ultrapräziser Mikrostrukturen”,10. Internationales Braunschweiger Feinbe-arbeitungskolloquium (FBK), Vulkan Verlag,Braunschweig, S. 6.1 ff, 2002.

/3/ Schreiber, P.: „Optisches Mikrofon” im gleichen IOF-Report.



Abb. 6: Diamantgedrehte Gitterstruktur, Material Ampcoloy‚ AFM-Aufnahme.

Fig. 6: Diamond turned grating structure, material Ampcoloy‚ AFM-image.


In the same way the generation of diffraction gratings with variable pitchand blaze angle are possible. The available tools limit the minimumdimensions of the structure, howeverstructure widths of a few microns anddepths within the sub-micron rangecan be realized (fig. 6).

Structuring the circumference

A similar procedure is also applicablefor machining the circumference of awork piece. In this case a circulatingprofile is created. Structuring the cylinder has the advantage that, withthe use of a foil, linear structures are possible. The foil, plated on the cylin-der surface, will be peeled off after thestructuring and bonded onto a planarsubstrate.

Fast Tool Servo

The technologies described create thesurface contour by the relative move-ment between work piece and tool,independent from the rotation of thework piece. An additional degree offreedom can be achieved by the use ofa tool driven synchronously with thespindle rotation. This technique,known as Fast Tool Servo (FTS), permitsthe structuring of the work piece surface along the spiral tool path. Inside the stroke limits of the FTS andthe maximum frequency of the spindle-synchronous tool movement, turningof non-rotationally symmetrical structu-red shapes are possible (fig. 7).

Conclusion

The capability of SPDT is especially interesting against a background ofgrowing demands in optic design.SDPT permits the flexible manufactu-ring of micro-geometries with structurewidths of some microns and structuredepths within the sub-micron range. Inaddition to existing lithographic techni-ques it opens up a wide range of newapplications.

Mirror substrates made of non-ferrousmaterials, as well as refractive opticsand micro-optics made of plastics, isanother area in which this method canbe applied. With the IOF equipmentthe generation of freeform surfaces,diffraction gratings and micro-profilesdirectly for optical components or asmolds for precise plastic replication willbe possible.

References: /1/ Schalm, N.: „Entwicklung eines Messplatzes

zur Bestimmung der Abbildungsqualität vonminiaturisierten Kameraobjektiven”,diploma thesis, Fraunhofer Institut Ange-wandte Optik und Feinmechanik 2003.

/2/ Brinksmeier, E.; Stern, R.: Fertigung undAnwendung ultrapräziser Mikrostrukturen.10. Internationales Braunschweiger Feinbe-arbeitungskolloquium (FBK), Vulkan Verlag,Braunschweig, S. 6.1 ff, 2002.

/3/ Schreiber, P.: „Optisches Mikrofon”, in this report.



Abb. 7: Facettenspiegel, FTS-Bearbeitung, Durchmesser 120 mm.

Fig. 7: Faceted mirror, FTS-machined, diameter 120 mm.


Einleitung

In einem technologischen Vorlauf-projekt werden die Modifikations-möglichkeiten von „Low TemperatureCofired Ceramics” (LTCC) und insbe-sondere ihrer Herstellungstechnologiemit der Zielstellung untersucht, eineerweiterte Nutzbarkeit moderner Glaskeramikwerkstoffe für reflektie-rende oder definiert vorwärtsstreuendeoptische Baugruppen z. B. in kompak-ten Sensor- oder Beleuchtungsmodulenvoranzutreiben.

Idee

Kommerziell angewandte Materialienfür mikrooptische Bauelemente sindGlas, Silizium, Quarz, Polymere undverschiedene Molekülkristalle. Zur Herstellung spezieller Elemente werdengezielt die Oberflächen der Halbzeugestrukturiert oder Brechzahlvariationenin diesen Materialien erzeugt. Der

wachsende Kostendruck, insbesonderebei der Fertigung von Massenbedarfs-optiken, hat zur Entwicklung hoch-präziser Replikationsverfahren fürmikrooptische Bauelemente geführt.Die dabei verwendeten Materialiensind bisher im Wesentlichen auf Poly-mere beschränkt. Gläser kommen nurbedingt zum Einsatz, da der Aufwandbeispielsweise beim Heißprägen oderTrockenätzen erheblich ist.

Trotz der Einschränkung, dass keinetransmittierenden Elemente realisiertwerden können, bietet die Verwen-dung von Glaskeramik für die Ferti-gung bestimmter mikrooptischerBauelemente zahlreiche Vorteile. Soergibt sich aus der Strukturierbarkeitund Laminierbarkeit der grünen Kera-mik die Chance, mit relativ einfachenSerientechnologien, wie dem Kalt-prägen, optische Funktionsflächen mitdefinierten Reflexionseigenschaften zugenerieren. Dazu kommen vorteilhaftethermomechanische Eigenschaften wiegeringer thermischer Ausdehnungs-koeffizient, hohe Hitzebeständigkeitund eine gegenüber Glas bessere Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin ist einedirekte Integration von optischen Funk-tionsgruppen in LTCC-Stapelaufbautenmit elektronischen, mechanischen oderfluidischen Funktionsebenen realisier-bar, wodurch dann z. B. der Aufbauvon komplexen Sensorbaugruppen miterhöhter Temperaturwechselbelast-barkeit möglich ist.

Geprägte Glaskeramik für optische und optoelektronische Anwendungen

Wolfgang Buß, Peter Schreiber, Bernd Höfer, Ralf Rosenberger, Gilbert Leibeling, Ralf Steinkopf


Wolfgang Buß

Abb 1:Designvorgabe und Umsetzung des Masterwerkzeuges zum Prägen von Diffusor-Strukturen. Dieses Ur-Werkzeug zum Klonen der Nickel-Prägestempel besteht aus einemAluminium-Grundkörper und eingesetzten, hochgenau geschliffenen Glasplättchen, umexakte Kanten mit sehr geringen Radien abformen zu können.

Fig. 1:Design and realization of the master tool for embossing diffusor structures. This tool consists of a aluminium body with inserted high precision grinded glass chips. These chipsare required to form edges with very small radii. The complete master toll will be cloned by a nickel punching tool.


Introduction

The modification potential for low temperature cofired ceramics (LTCC)and the processes by which they aremanufactured are tested in an advan-ced R & D project with the aim ofincorporating modern glass-ceramicmaterials as optical elements for reflec-tion or for defined forward scatter.

Idea

Commercially used materials for micro-optic elements are glass, silicon, silica,polymers or molecule crystals. Theiroptical properties are manipulated bystructuring the surfaces or by variationof the refractive index of these materi-als. The increasing cost pressure, parti-cularly with regard to the large-scaleproduction of optical consumer goods,has affected the development of high-precision replication techniques formicro-optics. Polymers are usually usedbecause structuring glass surfaces byhot embossing or dry etching is veryexpensive.

Using glass ceramics for manufacturingspecial micro-optics can be advantage-ous even though it is not possible touse it for transmitting elements. Thefacility for structuring and laminatingthe LTCC green foil allows the genera-tion of optical surfaces with definedreflective properties by simple series-technologies like (cold) embossing. Furthermore this substrate has somefavourable thermo-mechanical pro-perties such as a low thermal expan-sion coefficient, a high heat resistanceand a better thermal conductivity compared to glass. It is also feasible tointegrate optical structures into LTCC-stacks together with electronic, mecha-nical or fluidic layers for the productionof complex sensor modules with anincreased temperature-cycling loadcapacity.


Embossing of glass-ceramics (LTCC) for optical and opto-electronic applications

Wolfgang Buß, Peter Schreiber, Bernd Höfer, Ralf Rosenberger, Gilbert Leibeling, Ralf Steinkopf

Peter Schreiber Bernd Höfer

Ralf Rosenberger Gilbert Leibeling

Ralf Steinkopf

Abb. 2:Realisierungsvariante eines miniaturisierten LED-Beleuchtungsmoduls mit integrierterStromquelle. Verwendung geprägter Reflektoren in einer hybrid montierten LTCC-Reflektorebene.

Fig. 2:Option of a miniaturized LED-illuminating-module with integrated current source. Application of embossed reflectors in a hybrid mounted LTCC reflection area.


Entscheidend für die Funktion gepräg-ter Reflektoren ist es, nach dem Sinterneine Oberflächenrauigkeit < 50 nm rmszu erreichen. Neben einer speziellenGlaskeramik aus hochfein gemahlenenAusgangsstoffen, wie sie vom Projekt-partner HITK entwickelt wurde, ergänzt durch einebnende Sol-Gel-oder Galvano-Beschichtungen, setztdiese Anforderung Abformwerkzeugemit optisch glatten Funktionsflächen(< 20 nm rms) voraus. Diese werden imIOF mittels Ultrapräzisonsdrehen aufvorgefertigten Prägemastern realisiert.Das eigentliche Prägewerkzeug für denSerieneinsatz entsteht danach durchgalvanische Abformung der in einerTrägerplatte gruppierten Prägemaster.

Demonstratoren

Um die Einsatzmöglichkeiten neu ent-wickelter Glaskeramik für den Aufbauoptischer und optoelektronischerModule nachzuweisen, werdenDemonstratoren konstruiert, gefertigt

und getestet. Die Umsetzung rein optischer Demonstratoren wie Hohl-spiegel oder Diffusor mit elliptischerReflektionsverteilung dient dabei vor-rangig der Untersuchung von Substi-tutionsmöglichkeiten traditionellerOptikmaterialien durch präzisions-bearbeitete Glaskeramik. Bei ihrer Fertigung kommen neben der Präge-technologie auch modifizierte fein-optische Bearbeitungstechniken, wiedas Schleifen und Polieren, zum Einsatz.Als optoelektronischer Demonstratorwurde ein kaskadierbares LED-Beleuch-tungsmodul mit integrierter Strom-quelle konzipiert. Es enthält neben der,dem modernen Stand der LTCC-basier-ten Hybridelektronik entsprechenden,Elektronikebene eine LTCC-Reflektor-ebene, die unter Verwendung der neu entwickelten HITK-Glaskeramikrealisiert wird. Mittels einer mehr-stufigen Präge-/Stanztechnik werdenfür die LEDs Reflektorräume mit parabelähnlich gekrümmten Seiten-flächen in die grüne Keramik ein-gebracht. Das Prägen der optischen

Funktionsgruppen ist dabei wie derAufbau der Elektronikebene oder deraufgesetzten Optikebene zur Strahl-formung im-Nutzen möglich undgewährleistet die kostengünstigedurchgängige Wafer-Level-Fertigungdes Moduls. Die Demonstratorstudieeines LED-Beleuchtungsmoduls bildetden Ausgangspunkt für die Entwick-lung variabel kombinierbarer kompak-ter Beleuchtungsfelder mit erhöhterTemperaturbeanspruchung.

Danksagung

Die Arbeiten wurden unter dem Akten-zeichen 03WKF01E durch das BMBFgefördert. Die Autoren danken denProjektpartnern von SIEGERT TFTGmbH, via electronic GmbH und vomHITK Hermsdorf für die effektive engeZusammenarbeit.

Geprägte Glaskeramik für optische und optoelektronische Anwendungen


Abb 3:Prägekörper für LED-Gruben:Schema, realisierte Muster und Schnitt eines geprägtenReflektors.

Fig. 3:Embossing tool for LED-grooves:Scheme, realized examples andprofile of an embossed reflector.

Abb. 4:Trägerplatte mit neun hochgenaubearbeiteten Prägekörpern. Mitdieser Vorrichtung werden bis zu15 Lagen LTCC-Grünfolie gestapeltund nachfolgend unter hohemDruck zu einem homogenen Sub-stratkörper laminiert. Gleichzeitigerfolgt das Einprägen der Reflek-torstruktur.

Fig. 4:Mounting plate with nine high pre-cision embossing paraboloids. Upto 15 plies of LTCC green-foil willbe stacked and afterwards lamina-ted by high pressure into a homo-genous substrate body here. Theembossing of the reflector structu-res occurs concurrently.

Abb. 5:Hohlspiegel in LTCC: Prägewerkzeuge mit optisch glatten Oberflächenund gesinterte Abformungen.

Fig.5:LTCC concave mirror: embossing tooling inserts with optical surfaces andsintered moulding results.


In order to create reflective structures it is important to achieve a surfaceroughness < 50 nm rms after sinteringthe glass ceramics. This requirementled to the development of a completelynew LTCC raw material, with hyper finemilled basic materials, by our partnerinstitute HITK. Furthermore, embossingtools have been constructed with optical surfaces (roughness < 20 nm) to transmit the optic structures into theLTCC green-foil stacks during thelamination process. Finally, new coatingtechnologies are being tested for thefinal smoothing of the sintered opticalsurfaces. Master tooling inserts forembossing processes are produced atthe IOF by ultra precision turning andthe final tools, which will be used forthe series-production techniques, willbe made by galvanic casting of diffe-rent arrays of master tools fixed onmounting plates.

Demonstrators

To demonstrate possible applications ofthe new LTCC-material in optical andopto-electronic modules demonstra-tion models have been constructed,mounted and tested. Optical demon-strators such as concave mirrors or diffusers have been constructed toinvestigate the possibilities of substitu-tion of traditional optical materials byprecision-machined glass ceramics. Acascadable LED-lighting-module withan integrated current source has beendesigned as an opto-electronic demon-strator. It includes both an electronicsection and an LTCC-reflector sectionwith parabolic LED-reflection-cavities,which have been formed by a combi-ned punching-embossing technique.Finally an optic section with beamshaping elements on a structured glass

chip covers the module. All these tech-niques for building and mounting thedifferent module sections are compa-tible with the competitive wafer-level-packaging technology.The LED-illumination module should bethe starting point for the developmentof compact illuminating arrays withincreased temperature loading.

Acknowledgement

This work was supported under con-tract 03WKF01E by the German BMBF.We would like to thank our projectpartners from SIEGERT TFT GmbH, viaelectronic GmbH, and HITK Hermsdorffor an effective and close collaboration.

Embossing of glass-ceramics (LTCC) for optical and opto-electronic applications


Abb. 6:CAD-Design des optoelektronischen Demonstrators:Kaskadierbares LED-Beleuchtungsmodul mit vier LED und integrierter Stromquelle,Abmaße: 6,6 mm x 6,6 mm x 3,4 mm.

Fig. 6:CAD-design of an opto-electronic demonstrator module: Cacadable LED illuminating module with four LEDs and an inte-grated current source, dimensions: 6.6 mm x 6.6 mm x 3.4 mm.


Einleitung

Die definierte Abscheidung hochreflek-tierender Gradientenschichtsystemeauf ultrapräzise gefertigten Substratenist gegenwärtig eine der größten Herausforderungen für die EUV-Optik-entwicklung. Ausgehend von denAnforderungen an die optischen Kom-ponenten eines extrem ultraviolettLithographietools ist die EUV-Lithogra-phie bei 13,5 nm Wellenlänge derTechnologiemotor für die Entwicklungvon Multilayeroptiken für den EUV-Spektralbereich sowie die weiche Rönt-genstrahlung. Um den Anforderungenan die Beschichtung gerecht zu werden, wurde ein EUV-Sputtersystem– NESSY entwickelt (Abb. 1).

Konzeption

Die Beschichtung von EUV-Substratenerfolgt mit DC Magnetron-Sputter-technologie. Hierbei bewegen sich dieschnell rotierenden Substrate auf Kreisbahnen unter den Sputterquellen(sputter down). Die Anlage ist mit vier600 mm x 125 mm Rechteckmagnetronsausgerüstet (Abb. 2), so dass bis zu vierverschiedene Materialien währendeiner Substratrotation abgeschiedenwerden können (z. B. Molybdän undSilizium sowie zwei Interdiffusions-schichtmaterialien). Die Schichtdickenkönnen im Subangströmbereich durchdie Rotationsgeschwindigkeit und die Leistung der entsprechenden Sputterquellen eingestellt werden. DieKonstruktion des Substrathalterserlaubt die simultane Beschichtung vonzwei Ø 450 mm bzw. drei Ø 300 mmSubstraten (Abb. 3). Die Substrate wer-den über eine Schleusenkammer vomReinraumbereich in die Sputteranlageeingebracht (Abb. 4).

Entwicklung einer Spezialsputteranlage für EUV-Optiken

Torsten Feigl, Sergiy Yulin, Wieland Stöckl, Norbert Kaiser


Torsten Feigl

Abb. 1:DC Magnetronsputtersystem NESSY.

Fig. 1:DC magnetron sputtering system NESSY.

Abb. 2:Kammerdeckel mit Targets.

Fig. 2:Top cover with targets.


Introduction

The accurate deposition of high reflec-tive and laterally graded multilayers onultraprecisely polished substrates is oneof the major challenges of EUV opticsdevelopment today. According to thePO box requirements of an extremeultraviolet lithography tool, EUVL at 13.5 nm can be regarded as thetechnology driver to develop multilayercoated optical components for the EUVspectral range and the soft X-rays. To meet the multilayer coating require-ments, a New EUV Sputtering SYstem– NESSY has been developed (Fig. 1).

Conception

The deposition of EUV substrates isperformed by dc magnetron sputtering.The fast spinning substrates move on acircular path underneath the sputtersources (sputter down). The system isequipped with four rectangularmagnetrons, 600 mm x 125 mm each(Fig. 2).

Hence, up to four different materialscan be deposited during one rotationof the substrate (e.g. molybdenum andsilicon and two different interdiffusionlayer materials). The layer thickness canbe adjusted in the sub-Angstrom range by the rotation speed and thepower of the corresponding sputtersource. The simultaneous coating oftwo Ø 450 mm substrates or three Ø 300 mm substrates is possible (Fig. 3). Substrates are transferred viaload lock from the clean room area intothe sputtering chamber (Fig. 4).


Sergiy Yulin

Wieland Stöckl

Norbert Kaiser

Development of a large area sputtering systemfor EUV optics

Torsten Feigl, Sergiy Yulin, Wieland Stöckl, Norbert Kaiser

Abb. 3:Vakuumkammer mit Substratstationen.

Fig. 3:Vacuum chamber with substrate holders.

Abb. 4:Substratschleuse.

Fig. 4:Substrate load lock.


Zur Optimierung der lateralen Schicht-dickenhomogenität rotieren die Substrate mit einem Spin von bis zu500 Umdrehungen pro Minute. Der Substrat-Target-Abstand ist von 50 bis 150 mm variierbar, so dass dieInstallation sich bewegender Shutterzur Realisierung lateraler Schichtdicke-gradienten möglich ist. Die Kathoden-konstruktion erlaubt eine flexibleMagnetkonfiguration, um eine optimale Anpassung an verschiedeneBeschichtungsmaterialien in Bezug aufTargetnutzung und Adatomenergie zu gewährleisten. Alle Magnetrons arbeiten stabil bei einem Argon-Sput-terdruck unter 7*10-4 mbar. Die NESSY-Spezifikationen sind in Tabelle 1zusammengefasst.

Experimentelle Ergebnisse

Mo/Si Multilayer mit verschiedenenSchichtdesigns wurden realisiert.Neben der Optimierung der Peak-reflexion mit einem periodischenDesign erfolgte die Maximierung undMinimierung der Bandbreite mit speziellen Breit- und Schmalband-Designs. Die Reflexion der Multilayer-spiegel wurde mit Synchrotronstrah-lung durch die PTB Berlin (BESSY II)kalibriert. Abb. 5 stellt die gemessenenReflexionen vergleichend dar.

Die Optimierung der lateralen Schicht-dickenverteilung erfolgte unter Nut-zung speziell geformter Masken, die inKathodennähe fixiert wurden. Eine Homogenität von +/– 0,1 % auf150 mm Substraten bzw. +/– 0,2 % auf300 mm Substraten konnte mit Mo/SiMultilayern nachgewiesen werden.

Literatur:/1/ Kaiser, N.; Yulin, S.; Feigl, T.; Bernitzki, H.;

Lauth, H.: „EUV and soft X-ray multilayeroptics”, Proc. SPIE 5250, 2003.

/2/ Feigl, T.; Yulin, S.; Stöckl, W.; Kaiser, N.; Bernitzki, H.; Lauth, H.: „Large area sputtering system for EUVL optics”, Proc. 2nd International EUVL Symposium,30.9.–2.10.2003, Antwerp, Belgium.

Entwicklung einer Spezialsputteranlage für EUV-Optiken


Substratgröße bis Ø 450 mmSubstratstationen 2 Stationen für Ø 450 mm bzw.

3 Stationen für Ø 300 mmSputterquellen vier Magnetrons,

600 mm x 125 mmSchichthomogenität +/– 0,1 % auf 150 mm,

+/– 0,2 % auf 300 mmSputterabstand 50 mm … 150 mmSubstratrotation ≤ 5 U/minSubstratspin ≤ 500 U/minKammerdruck < 8*10-9 mbarArbeitsdruck < 7*10-4 mbar

Tab. 1:NESSY-Spezifikationen.


To optimize the lateral thickness homo-geneity, the substrates are spun up to500 rotations per minute during thedeposition process. The target-substrate distance can be varied from50 mm to 150 mm allowing for theinstallation of moving shutters to deposit laterally graded multilayers.Special effort has been made to con-struct the cathodes. Various magneticconfigurations have been constructedin order to ensure the highest flexibilityfor different coating materials in termsof homogeneity requirements and adatom energy. All magnetrons workstable at a working pressure of lessthan 7*10-4 mbar in argon atmosphere. The specifications are summarized inTable 1.

Experimental results

Mo/Si multilayers with different filmdesigns were realized. Besides themaximization of the peak reflectivityusing a periodic multilayer design, themaximization and minimization of the FWHM were designed and realized using special broadband and narrowband multilayer designs, respec-tively. Normal incidence reflection measurements were performed withsynchrotron radiation at the PTB Berlin(BESSY II), Germany. Fig. 5 comparesthe measured reflectance of Mo/Si mul-tilayer mirrors with a periodic, a broad-band and a narrowband design.

The lateral layer thickness distributionwas optimized with specially formedmasks fixed close to the cathodes. Ahomogeneity of +/– 0.1 % on 150 mmand +/– 0.2 % on 300 mm has beendemonstrated recently with Mo/Si multilayers.

References:/1/ Kaiser, N.; Yulin, S.; Feigl, T.; Bernitzki, H.;

Lauth, H.: „EUV and soft X-ray multilayeroptics”, Proc. SPIE 5250, 2003.

/2/ Feigl, T.; Yulin, S.; Stöckl, W.; Kaiser, N.;Bernitzki, H.; Lauth, H.: „Large area sputtering system for EUVL optics”, Proc. 2nd International EUVL Symposium,30.9.–2.10.2003, Antwerp, Belgium.

Tab. 1:NESSY specifications.

Development of a large area sputtering systemfor EUV optics


Abb. 5:Gemessene Reflektivität von Mo/Si Multilayern.

Fig. 5:Measured EUV reflectivity of Mo/Si multilayers.

Substrate size up to Ø 450 mmSubstrate stations 2 stations for Ø 450 mm or

3 stations for Ø 300 mmSputter sources 4 magnetrons,

600 mm x 125 mmThickness homogeneity +/– 0.1 % on 150 mm,

+/– 0.2 % on 300 mmSputter distance 50 mm … 150 mmSubstrate rotation ≤ 5 r.p.m.Substrate spin ≤ 500 r.p.m.Base pressure < 8*10-9 mbarWorking pressure < 7*10-4 mbar


Motivation

Gegenwärtige Optikentwicklungenzeichnen sich durch eine immer höhere Schaltgeschwindigkeit undIntegrationsrate bei der Erzeugung,Modulation, Führung und Detektionvon Licht aus. So konzentrieren sichjüngste Entwicklungen auf die mikro-mechanische Miniaturisierung optischer Elemente durch die Nutzungnanostrukturierter aktiver optischerKomponenten. Die Synergie mikro-elektro-mechanischer Systemtechnolo-gien mit der Optoelektronik führt zuintegrierten Mikrosystemen mit neuenMöglichkeiten und großem Anwen-dungspotential in naher Zukunft. So finden zum Beispiel mikro-opto-elektro-mechanische Systeme schonheute Anwendungen in der Mikro-sensorik, Optikspeicherung, Video- undDatenprojektion, adaptiven Phasen-frontoptik und Telekommunikation.

Mikromechanikspiegel formen eineebene Oberfläche auf einem CMOS-Schaltkreis (Abb. 1). Jeder Spiegel wirdin Drehgelenken gehaltert. Eine zwi-schen Spiegel und der darunter liegen-den elektronischen Adresselektrodeangelegte elektrische Spannung führtwegen der elektrostatischen Kräfte zurVerkippung des Spiegels (Abb. 2).

Die moderne UV-Lithographie nutztMikromechanikspiegel als Basis einerneuen Generation von Fotomasken(Spatial Light Modulators), um dieGeschwindigkeit der optischen Litho-graphie mit der Hochauflösung derElektronenstrahllithographie zu vereini-gen. Potentielle Anwendungen für derartige UV-Mikrospiegelarrays ergeben sich in der Halbleiterindustrieals maskenloses Lithographieverfahren– eine schnellere und kosteneffektivere Technologie als die herkömmliche optische und Elektronenstrahl-Litho-graphie /1/, /2/.

Prototypenentwicklung

Die Realisierung von Mikrospiegelsyste-men ist extrem anspruchsvoll. Dies giltvor allem für den UV- und VUV-Spek-tralbereich, in dem optische Materialieneine hohe Absorption aufweisen undbei Bestrahlung zerstört werden kön-nen. FuE-Aktivitäten im Fraunhofer IOFkonzentrieren sich daher auf die Reali-sierung hochreflektierender Schicht-designs zur Herstellung defektfreierBeschichtungen für Mikrospiegelarrays,wobei sich die Anforderungen an dieSchichtsysteme von denen für klassische DUV/VUV- und EUV-Litho-graphieanwendungen unterscheiden.

Beschichtungen für Mikrospiegelarrays

Alexandre Gatto, Minghong Yang, Joerg Heber, Norbert Kaiser


Alexandre Gatto

Abb. 1: Spatial Light Modulator im Betrieb (Fraunhofer IPMS).

Fig. 1: Spatial Light Modulator in action (image from Fraunhofer IPMS).


Motivation

Optics today is largely concerned withthe generation, modulation, guidanceand detection of light at continuallyfaster switches and higher rates of integration. Indeed, recent develop-ments have focused on the minia-turization of physical optical elementsby micro-machining with the emer-gence of engineered nanostructure-based active optical components. This synergistic combination of micro-electro-mechanical system technolo-gies and opto-electronics has evolvedinto a class of integrated micro-systemswith brand new application domainsand huge expectations for opportuni-ties in the near future. For example,micro-optical-electro-mechanicalsystems have already found soundpositions in a wide range of fields suchas micro-sensors, optical storage, videoand data projection displays, adaptivephase front correction optics, lab-on-chip and telecommunications.Technically, micro-actuated mirrorsform the flat surface of a CMOS circuit(fig.1). Each mirror is suspended by torsional hinges. An electric voltage isapplied between the mirror surfaceand the underlying address electrodecausing the mirror to tilt due to elec-trostatic forces (fig. 2).

Even modern UV-lithography employsmicro-mechanical mirrors as the basisof new photomask generation techno-logy (Spatial Light Modulator) thatseeks to unify laser productivity withe-beam high-resolution technologycharacteristics. Potential applicationsfor such UV micro-mirror arrays aredirect writing systems for semiconduc-tors (maskless lithography), making theproduction quicker and cheaper thanexisting laser and e-beam technologies/1/, /2/.

Prototypes development

However such systems require highlight-handling abilities, particularly inthe UV and VUV range where materialsabsorb and electromagnetic radiationis potentially damaging. At the Fraun-hofer-IOF, research activities focused oncoating development for micro-structured mirrors concentrate on high-reflecting designs for the realization ofdefect free actuated micro-mirror coatings. Since micro-mirror arrays areinherently 2-dimensional but on a nan-ometric scale, requirements are different to those for optical systemsused for the DUV/VUV-EUV spectralrange (designed for the lithography).


Coatings for micro-mirror arrays

Alexandre Gatto, Minghong Yang, Joerg Heber, Norbert Kaiser

Minghong Yang

Joerg Heber

Norbert Kaiser

Abb. 2: Beispiele für montierte Mikrospiegel.

Fig. 2: Examples of actuated micro-mirrors. Schematic sketches.


Die besondere Herausforderung bestehtin der definierten Abscheidung hoch-reflektierender und schichtspannungs-freier Systeme. Da Mikrospiegelarraysin einer MOEMS-Umgebung mit entsprechenden Anforderungen anoptische sowie mechanische Eigen-schaften und in Kompatibilität mit derelektronischen Struktur eingesetzt werden, müssen auch die Beschichtun-gen mit der CMOS-Struktur kompatibelsein.

Das Fraunhofer IOF arbeitet als Partnereiner „Wirtschaftsorientierten Stra-tegischen Allianz – WISA” zusammenmit dem Fraunhofer IPMS, FraunhoferIWS und dem Fraunhofer IZFP. Hierbeileitet das Fraunhofer IOF das Arbeits-paket „Optik” mit dem Ziel der Reali-sierung hochreflektierender unddefektfreier Beschichtungen für Mikro-spiegelarrays.

Dielektrische sowie metallische Systemewurden im NIR, VIS, UV und VUVuntersucht. Oxidische und fluoridischeSchichtmaterialien wurden in Hinblickauf ihre CMOS-Kompatibiltät sowieihre optischen und mechanischenEigenschaften analysiert.

Für den VUV-Spektralbereich wurdenmetallische Systeme mit Deckschutz-schichten entwickelt, die mit verschie-denen Beschichtungsverfahren, wieElektronenstrahlverdampfung undMagnetronsputtern, abgeschiedenwurden. Reflektivitäten von R > 91 %bei einer Wellenlänge von 193 nm undR = 90 % bei einer Wellenlänge von157 nm wurden mit Schichtsystemenauf Aluminium-Basis realisiert. Wie inAbb. 5 gezeigt, wird eine hohe Reflek-tivität bis 150 nm Wellenlänge erreicht,was wichtig für eine Anwendung beibeiden Wellenlängen ist.

Somit müssen Beschichtungen fürMikrospiegelarrays eine Vielzahl vonAnforderungen hinsichtlich derProzessentwicklung erfüllen. Dazuzählen die CMOS-Kompatibilität, eineSpannungsoptimierung der Schicht-systeme, um die Ebenheit der Spiegelzu garantieren, sowie die Minimierungvon Schichtdefekten (Abb. 3, 4, 5).

Literatur:/1/ Sandström, T.; Ljungblad, U.B.; Dürr, P.;

Lakner, H.: „High-performance laser patterngeneration using spatial light modulators(SLM) and deep-UV radiation”, Proceedings of SPIE, Vol. 4343 (2001) 35.

/2/ „MEMS and the mask muddle: small isn’tcheap”, Small Times Correspondent, July 11, 2003; www.smalltimes.com.

Beschichtungen für Mikrospiegelarrays


Abb. 4: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme eines beschichteten Mikrospiegelarrays.

Fig. 4: Atomic force microscopy of a coated micro-mirror array.

Abb. 3: Aufnahme von 16 x 16 µm Spiegelarrays (Nomarski Mikroskop).

Fig. 3: Normaski microscope image of 16 x 16 µm2

mirror arrays.


This consequently challenges opticsdevelopment to provide smart com-patible solutions with minimized coating-stress and optimised opticalperformances. Since micro-structuredmirrors must operate in an MOEMSenvironment with high requirementsconcerning optical and mechanical pro-perties, clean atmosphere and cohabi-tation with the electronic structure andmicro-mechanical mirror coatings mustbe designed to be compatible withCMOS structure.

The Fraunhofer IOF is part of an econo-mically based strategic alliance (Wirt-schaftsorientierte Strategische Allianz –„WISA”) called „Next GenerationMicromechanical Mirrors” in asso-ciation with three Fraunhofer institutes(Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IWS andFraunhofer IZFP). The Fraunhofer IOFleads the optical task that targets thedevelopment of high reflection, defectfree coatings on micro-mirror arrays.

Dielectric multilayers and metal systemsare investigated for the NIR, VIS, UVand VUV ranges. With regard to dielec-tric multilayers, oxides and fluoridematerials are analysed for CMOS com-patibility, for accumulated stresses andoptical and physical properties.For the VUV range, metal systems havebeen developed with various technolo-gies such as thermal evaporation andmagnetron sputtering with proactivecapping layers. Reflectivity above 91 %is achieved at 193 nm and reflectivityaround 90 % is reached at 157 nmwith thin and low stress aluminium-enhanced reflection systems. As shownin Fig. 5, a broadband high reflectivityis available up to 150 nm, which is ofgreat interest for applications at bothwavelengths.

Thus, coatings for micro-mirror arrayshave to tackle numerous issues relatedto the complete development of theprocess, merging CMOS compatibilityand induced stress control in order to guarantee a surface flatness and adefect minimized structure (fig. 3, 4, 5).

References:/1/ Sandström, T.; Ljungblad, U.B.; Dürr, P.;

Lakner, H.: „High-performance laser patterngeneration using spatial light modulators(SLM) and deep-UV radiation”, Proceedings of SPIE, Vol. 4343 (2001) 35.

/2/ „MEMS and the mask muddle: small isn’tcheap”, Small Times Correspondent, July 11, 2003; www.smalltimes.com.

Coatings for micro-mirror arrays


Abb. 5: Aluminium-System erweitert für 157 nm und 193 nm auf Si-Substrat.Vergleich mit ungeschützter Al-Schicht,Gesamtdicke < 100 nm, gesamte Spannung < 150 Mpa.

Fig. 5: Enhanced aluminium system for 157 nm and 193 nm on Si substrate. Comparison with unprotected aluminium coating. Total thickness < 100 nm. Total stress < 150 Mpa.


Einleitung

Dünne optische Schichten bzw. Schicht-systeme sind heute aus der angewand-ten Optik nicht mehr fortzudenken.Üblicherweise besteht ein Dünnschicht-system aus einer Serie übereinandergestapelter Einzelschichten mit verschiedenen (häufig alternierenden)Brechungsindizes. Die gewünschteSpezifikation des optischen Dünn-schichtsystems (z. B. eine hohe Trans-mission oder Reflexion in einemvorgegebenen Spektralbereich) wirddann durch das Wechselspiel konstruk-tiver und destruktiver Interferenz zwischen den an den internen Grenz-flächen reflektierten Lichtwellenerreicht. Im Einklang mit diesem Wirk-prinzip basiert die mathematischeBeschreibung des optischen Spektrumsderartiger Dünnschichtsysteme aufModellvorstellungen wie optischerHomogenität innerhalb einer Schichtund „unendlich dünnen” Grenzflächenzwischen den einzelnen Schichten. Dermathematische Apparat zur Analyseund dem Design derartig modellierterDünnschichtsysteme ist im Detail ausgearbeitet, und die kommerziellverfügbaren Beschichtungsanlagenund -technologien sind im Hinblick aufdie Abscheidung homogener Einzel-schichten und scharfer Grenzflächenoptimiert /1/.

Die Idee

Ein qualitativ anderer Ansatz der Dünn-schichtoptik wird mit so genanntenGradientenschichten und Rugatefilternverfolgt. Dabei wird angestrebt, diealternierenden hoch- und niedrig-brechenden Schichten in herkömm-lichen Schichtsystemen durch einengeeigneten stetigen Brechzahlverlaufzu ersetzen.

Da in einem derartigen Schichtsystemfaktisch keine internen Grenzflächenmehr vorkommen, verspricht man sichdavon sowohl bessere mechanischeEigenschaften als auch verbesserteoptische Wirksamkeit, etwa durchReduktion der optischen Streuverluste.

Will man derartige Systeme in der Praxis herstellen, so sieht man sicheiner Reihe ernster Herausforderungengegenüber. Die mathematischeBehandlung von Gradientenschichtenund Rugatefiltern ist längst nicht soweit ausgereift wie die der herkömm-lichen Schichtsysteme, und die bereitsausgearbeiteten Ansätze sind in derkommerziellen Software im allgemei-nen nicht verfügbar. Dazu kommentechnologische Probleme: Die traditio-nelle Beschichtungstechnik ist geradenicht auf die reproduzierbare Abschei-dung inhomogener Schichtsystemeoptimiert.

Die Abteilung Optische Schichten amIOF arbeitet derzeit im Rahmen einesvom BMWA geförderten Verbundpro-jekts an der technologischen Realisie-rung von Rugatefiltern für den naheninfraroten bzw. visuellen Spektral-bereich. Unter einem Rugatefilter ver-steht man ein Schichtsystem, dessenoptische Funktion auf einem mit steigender Schichttiefe sinusförmigenBrechzahlverlauf beruht. DerartigeBrechzahlverläufe sind für die Herstel-lung schmalbandiger Reflektoren ohnenennenswerte Seitenbanden in Diskussion. Ziel des IOF in technolo-gischer Hinsicht ist dabei, die plasma-ionengestützte Abscheidung mittelsAPS (Advanced Plasma Source) für die Herstellung von Rugatefiltern zu qualifizieren.

Rugatefilter für den nahen infraroten und visuellen Spektralbereich

Olaf Stenzel, Dieter Gäbler, Norbert Kaiser


Olaf Stenzel


Indroduction

Optical coatings are of crucial impor-tance in any branch of applied opticstoday. Typically, an optical coating con-sists of a stack of thin solid films withdifferent (often alternating) refractiveindices. The desired specification of thecoating (for example a high transmit-tance or a high reflectance over a givenspectral range) is achieved as a result ofthe interplay between destructive andconstructive interference of light wavesthat are reflected internally at the filminterfaces. Correspondingly, the theoretical description of the opticalspectrum of optical coatings is basedon model assumptions such as opticalhomogeneity inside the film and infinitesimally thin interfaces betweenthe single films. Mathematical analysisand design of optical coatings with res-pect to the model assumptions referredto above are well-developed, and com-mercially available deposition systemsand technologies are optimised withrespect to deposition of homogeneousfilms with sharp and smooth internalinterfaces /1/.

General idea

A qualitatively different approach inthin film optics is based on the so-called gradient index layers and rugatefilters. In this case, the stacks of alter-nating high- and low-index films arereplaced by a continuous refractiveindex profile along an axis that is perpendicular to the film surface. Sucha system does not contain internalinterfaces, and therefore one expectsbetter mechanical properties as well asa better optical performance due to alower level of scatter losses.

However, manufacturing such systemsin practice turns out to be quite a challenging task. The mathematicaltreatment of gradient index layers andrugates is no trivial matter, and the existing theoretical approaches are notyet available in the commercially produced thin film software. Further-more there is a serious technical problem, namely that the conventionalthin film deposition technology is notoptimised with respect to the repro-ducible deposition of smooth refractiveindex profiles.

The department of optical coatings atFraunhofer IOF in Jena participates in ajoint research project that pursues thedevelopment of deposition strategiesand technologies for rugate filters. Arugate filter represents a coating with a sinusoidal refractive index profile.Rugate filters are candidate systems for narrowband thin film reflectorswithout higher harmonics in the reflec-tion spectrum. In this context, it is thepurpose of the Fraunhofer IOF to develop and optimise the plasma-ionassisted deposition technique bymeans of the APS (Advanced PlasmaSource) for the production of rugate filters specified for the near infraredand visible spectral regions.


Rugate filters for the near infrared and visible spectral regions

Olaf Stenzel, Dieter Gäbler, Norbert Kaiser

Dieter Gäbler

Norbert Kaiser


Erste Ergebnisse

In unseren Experimenten streben wirderzeit an, Rugatefilter auf oxidischerBasis herzustellen. Der sinusförmigeBrechzahlverlauf soll dabei durchMischung hoch- und niedrigbrechen-der Schichtmaterialien mit nahezusinusförmig variiertem Mischverhältnisrealisiert werden. Als niedrigbrechendeSubstanz kommt dabei Siliziumdioxid(SiO2) zum Einsatz, wogegen als hoch-brechende Substanz das Niobium-pentoxid (Nb2O5) Verwendung findet.Beide Materialien werden gleichzeitigaus Elektronenstrahlverdampfern beilaufender Plasmastützung verdampft.Durch gezielte Variation der Verdamp-fungsraten scheidet sich auf dem Substrat eine Mischung mit dem durchdas Mischverhältnis (und damit letztlichdas Ratenverhältnis) gesteuerten Brechungsindex ab.

Man stellt in der Praxis tatsächlich fest, dass durch die Mischung der beiden Ausgangssubstanzen optische Materialien erhalten werden, deren Brechungsindizes zwischen denen derAusgangsmaterialien liegen.

Das ist in Abb. 1 gezeigt, wo die expe-rimentell ermittelten Brechungsindizeseiniger Mischungen zusammen mitdenen von SiO2 und Nb2O5 aufge-tragen sind.

Mit der beschriebenen Methode ist esnun möglich, komplexe Schichtsystememit nahezu sinusförmigem Brechzahl-profil herzustellen. Abb. 2 zeigt dasReflexionsspektrum eines derartigenRugatefilters mit 20 Perioden. Zum Vergleich ist ein herkömmlicher sogenannter Quarterwave-Stack gezeigt,der aus alternierenden SiO2- undNb2O5-Schichten besteht. Beide Spek-tren sind unter senkrechtem Lichteinfallaufgenommen. Die Bandbreite desReflexionspeaks wird durch den maxi-malen Brechzahlkontrast bestimmt. Da bei der Herstellung des Rugatefiltersnicht zwingend der gesamte dynami-sche Bereich der in Abb. 1 dargestell-ten Brechungsindizes genutzt wurde,erhalten wir einen deutlich schmalerenReflexionspeak als bei dem aus denReinsubstanzen hergestellten Quarter-wave-Stack.

Abb. 3 zeigt eine elektronenmikros-kopische Querschnittsaufnahme derersten zwei Brechzahlperioden einesderartigen Rugatefilters. Der Konzen-

trations- und damit der Brechzahlver-lauf ist hierbei durch die mit steigenderSchichttiefe veränderliche Grautönungverdeutlicht. Offenbar liegt tatsächlichein stetiges Brechzahlprofil vor, das –wie genauere Analysen zeigen – bereitsnahezu sinusförmig ist. Interessanter-weise ist auf dem Bild weiterhin eineschnell oszillierende Substrukturerkennbar. Sie rührt von der Drehungdes Substrattellers her, der währendder Beschichtung über den Verdamp-ferquellen rotiert. Für das optische Verhalten im auf Abb. 2 gezeigtenSpektralbereich ist dieser Effekt aller-dings ohne Bedeutung.

Ausblick

Im weiteren Projektverlauf wird es Auf-gabe des IOF sein, Brechzahlverläufe zu berechnen und experimentell zu realisieren, die zur Erzielung praxis-relevanter Spektralcharakteristika nach Vorgabe im Projekt beteiligterIndustriepartner notwendig sind.

Literatur:/1/ Macleod, H. Angus: „Thin film optical

filters”, IOP Publishing,Bristol and Philadelphia 2001.

Rugatefilter für den nahen infraroten und visuellen Spektralbereich


Abb. 1:Brechungsindizes n von Mischschichten und Ausgangs-substanzen als Funktion der Wellenlänge λ. Die oberste Kurvezeigt den Brechungsindex von Nb2O5, die unterste den vonSiO2. Die dazwischenliegenden Kurven verdeutlichen denBrechungsindex von Mischschichten mit (von oben nachunten) sinkendem Anteil von Nb2O5.

Fig. 1:Refractive indices n of mixture films and the pure substancesas a function of the wavelength λ. The top curve correspondsto Nb2O5, and the bottom curve to SiO2. The intermediatecurves correspond to mixtures with decreasing (from top tobottom) content of Nb2O5.


First results

At present, we perform rugate filterdeposition experiments utilizing oxidematerials. The sinusoidal refractiveindex profile is prepared interminglinghigh- and low-refractive index mate-rials with a variable (nearly sinusoidal)mixing ratio. We used silicon dioxide(SiO2) as the low refractive index mate-rial, and niobium pentoxide (Nb2O5) asthe high index material. Both materialsare electron beam evaporated in highvacuum conditions with instantaneousplasma assistance. The desired refrac-tive index profile can be achieved byprecisely varying the evaporation ratesof the high- and low-index materials.

It is experimentally established that thematerial mixtures produced by such co-evaporation processes have refrac-tive indices that fall between those ofthe pure materials. This is demonstra-ted in Fig. 1, which shows the wave-length-dependent refractive indices ofSiO2 and Nb2O5 together with those oftheir mixtures.

By means of the technology describedabove it is possible to manufacturemore complex optical coatings with anearly sinusoidal refractive index profile.Fig. 2 shows the measured reflectanceof such a rugate-filter that is built from20 periods. For comparison, the figurealso shows the reflectance of a conven-tional quarterwave-stack that consistsof alternating SiO2- and Nb2O5-films.Both spectra have been recorded atnormal light incidence. The bandwidthof the reflection band is determined bythe refractive index contrast. Whenproducing rugate filters with a smallmodulation depth of the refractiveindex, the reflection band may be con-siderably narrower than in the case of aquarterwave stack built from the purematerials. This is also shown by Fig. 2.

Finally, Fig. 3 shows the cross-sectionelectron micrograph of a rugate filter.Particularly, the first two periods star-ting from the substrate are presented.The concentration (and refractiveindex) profile obviously changes in acontinuous manner with increasingdistance from the substrate. A moredetailed analysis shows that the profileis indeed close to a sinusoidal one.

In addition, one sees a more rapidlyoscillating substructure in the image.The latter arises from the rotation of the substrate holder. During deposi-tion, the substrate performs a rotatingmotion over the electron beam evapo-rators, which leads to an additionalmodulation of the coating’s composi-tional profile. However, this substruc-ture does not affect the opticalbehaviour of the samples within thespectral range shown in Fig. 2.

Outlook

Within the future of this project, it willbe the task of the Fraunhofer IOF tocalculate and manufacture rugate filters with more complicated refractiveindex profiles that can comply withspecifications, formulated by the indus-trial partners participating in the pro-ject, which are both challenging and ofpractical importance.

References:/1/ Macleod, H. Angus, „Thin film optical

filters”, IOP Publishing,Bristol and Philadelphia 2001.

Rugate filters for the near infrared and visible spectral regions


Abb. 2:Reflexionsvermögen eines Quarterwave-Stacks(λ/4-Stack, schwarz) und eines Rugatefilters (rot)als Funktion der Wellenlänge.

Fig. 2:Reflectivity of a quarterwave stack (λ/4-stack,black) and a rugate filter (red) as a function ofthe wavelength.

Abb. 3: TEM-Querschnittsaufnahme der ersten zwei Perioden eines Rugatefilters. Aufnahme von Ute Kaiser, FSU Jena.

Fig. 3: TEM cross-sectional image of the first two periods of a rugate filter. Courtesy of Ute Kaiser, FSU Jena.


Multifunktionale Beschichtungen

Transparente Kunststoffe ersetzenheute an vielen Stellen die traditionellfür optische Bauteile verwendetenanorganischen Gläser (Abb. 1). VonVorteil sind dabei das geringe Gewicht,die hohe Bruchfestigkeit und die fle-xiblen Möglichkeiten zur Formgebung.Für Kunststofflinsen werden, wie fürGlasoptiken, Antireflexbeschichtungen(AR) benötigt. Daneben werden oftauch Kratzschutzbeschichtungen miteiner Mindestdicke im Mikrometer-bereich gefordert. Die meisten Erfahrungen mit kratzfesten Antireflex-schichten existieren im Bereich der Brillenglasfertigung. Beschichtungenfür Brillengläser müssen besondershohe Ansprüche bezüglich Härte undKlimastabilität erfüllen. Bisher werdendabei Antireflexschichtsysteme aus vier bis sechs Einzelschichten oberhalbeiner zuvor aufgebrachten zwei bis vier Mikrometer dicken Hartschichtabgeschieden.

Neuartiges Schichtdesign

Ziel der Forschungsarbeiten im IOF wardie Integration der optischen Funktionfür die Entspiegelung in die Hartschicht.Im Ergebnis entstand ein neuer Typ vonSchichtdesign: „AR-hard®” /1/. Dieneue multifunktionale Beschichtungkann in einem einzigen Vakuumprozesshergestellt werden. Dabei hängt dieKratzfestigkeit der Beschichtung maß-geblich von der Gesamtschichtdickeab. Beschichtungen mit einer Dicke vondrei Mikrometern bestehen sogar einenStahlwolle-Abriebtest /2/.

Antireflexschichten vom Typ AR-hard®

können als Aufeinanderfolge von sym-metrischen Schichtfolgen aus je dreiSchichten beschrieben werden, wobeiin jeder dieser „Perioden” eine sehrdünne hochbrechende Schicht vonzwei wesentlich dickeren niedrig-brechenden Schichten umgeben ist. InAbb. 2 ist dieses Prinzip schematischdargestellt. Typische Schichtmaterialienfür den Aufbau sind SiO2, ein hartesOxid mit niedriger Brechzahl, und TiO2

als Material mit hohem Brechungs-index.

Theorie

Die drei Einzelschichten in den Periodenmüssen so gewählt werden, dass einemathematische Äquivalenz zu einerEinzelschicht gegeben ist. Die beson-dere Entdeckung bestand darin, dassSchichtfolgen gefunden wurden, diezur Entspiegelung geeignet sind. Eswurden mathematische Beziehungenabgeleitet, mit denen die Einzelschicht-dicken für den Aufbau von Perioden soberechnet werden können, dass dieäquivalenten Brechzahlen der darausgebildeten Perioden zwischen 1,5 und1,09 betragen. Solche Perioden wer-den dann mit abnehmender äquivalen-ter Brechzahl vom Substrat zur Luftaufeinander angeordnet. Eine Voraus-setzung für die Eigenschaft der sehrkleinen äquivalenten Brechzahl ist, dassdie optische Dicke einer solchen Periode mindestens das Dreifache deroptischen λ/4-Schichtdicke bei derSchwerpunktswellenlänge für die Ent-spiegelung (3 QWOT) beträgt /3/.

AR-hard® – Beschichtung mit einstellbarer spektraler Bandbreite für Kunststoffoptik

Ulrike Schulz, Uwe B. Schallenberg*, Norbert Kaiser* mso mikroschichtoptik jena GmbH


Ulrike Schulz

Abb. 1:Kunststofflinsen für optische Anwendungen.

Fig. 1:Plastic lenses for optical applications.


Multifunctional coatings

Highly transparent thermoplastic poly-mers offer significant weight reduction,cost saving and manufacturing advan-tages for optical components (Fig. 1).Antireflection (AR) coatings and hardcoatings with a physical thickness of at least one micron are required forplastic optics and plastic display windows. Requirements in respect ofhardness and scratch resistance arestrongly dependent on the kind ofapplication. Most experience withscratch resistant antireflection coatingsis in the field of ophthalmics. Coatingsfor eyeglasses must fulfill stringentrequirements regarding their suscepti-bility to abrasion and environmentalconditions. Antireflection layers, whichconsist of four to six single layers(already established from classical theory), are typically arranged on topof a 2–4 micron thick hard coating.

New coating design

Our efforts were aimed at developingan AR coating for plastic substrates,which is itself scratch-resistant. As a result, a special type of AR design „AR-hard®” with a quasi-periodicstructure has been developed /1/. Thecomplete coating can be deposited in asingle physical vapor deposition process.The scratch resistance depends mainlyon the total physical thickness. Coatings with thicknesses of 3 micronscan be rubbed with steel wool withoutscratches /2/.

Antireflection coatings of the AR-hard®

type can be visualized as an arrange-ment of symmetrical three-layer periods,each consisting of a very thin highrefractive index layer H in the middle oftwo thick low refractive index layers L.Fig. 2 shows this principle schematically.

Typical layer materials are SiO2 as ahard oxide with a low refractive indexand TiO2 as a high refractive indexmaterial.

Theory

Each of the symmetrical periods can beinterpreted as an equivalent layer withthree times the quarter wave opticalthickness (3 QWOT). Any symmetricalcombination of thin films (that is one in which the sequence of layers isunchanged when they are listed inreverse order) can be representedmathematically by a single equivalentfilm having an equivalent index n andan equivalent phase thickness. It hasbeen demonstrated that symmetricalLHL periods of three QWOT´s can be applied to replace layers with unobtainable refractive indices that arelower than the index of the low indexmaterial L used for the coating. Thedesign concept of AR-hard® usesequivalent layers to build up a layerstack matching the refractive index ofthe substrate to that of air. The mathe-matical relation between the 3 QWOTperiods and the respective thicknessesof the single layers H and L used tobuild up such periods, has been deduced as a condition for design synthesis /3/.


AR-hard® – coating with adjustable spectral bandwidth for plastic optics

Ulrike Schulz, Uwe B. Schallenberg*, Norbert Kaiser*mso mikroschichtoptik jena GmbH

Uwe B. Schallenberg

Norbert Kaiser

Abb. 2:Schematische Darstellung des Schichtaufbausvon AR-hard® als Abfolge von symmetrischen 3-Schicht-Perioden.

Fig. 2:Schematic of coating design AR-hard®;arrangement of 3-layer periods.


Eine charakteristische Größe jedes Ent-spiegelungsbelages ist seine spektraleBandbreite (BW). Sie ist definiert als derQuotient der Wellenlängen am lang-welligen und kurzwelligen Ende desentspiegelten Spektralbereiches. DieBandbreite einer AR-hard®-Beschich-tung, die aus den zuvor beschriebenen3-Schicht-Perioden besteht, erreichttypisch einen Wert von ca. 1,5. Damitkann man zum Beispiel die Rest-reflexion im sichtbaren Spektralbereichvon 420 nm bis 670 nm von 4 % auf < 0,1 % absenken (Abb. 3a). Für kleinere Bandbreiten kann die Rest-reflexion sogar auf einen Wert< 0,001 % reduziert werden (Abb. 3b).

Breitbandentspiegelung

Manche Anwendungen erfordernjedoch eine breitbandigere Entspiege-lung. Beispiele dafür sind Linsen mitgroßem Krümmungsradius. Vorteilhaftsind breitere Entspiegelungsbelägeauch für Brillengläser, da der verblei-bende Farbreflex dann sehr konstantfür verschiedene Einfallswinkel des

Lichtes ist. Neue theoretische Unter-suchungen des Designtyps AR-hard®

haben gezeigt, dass die Bandbreite verbreitert werden kann, wenn mananstatt der 3-Schicht-Perioden andereSchichtaufbauten aus vier oder fünfSchichten verwendet, die insgesamtdeutlich dicker sind (z. B. 4 QWOT oder5 QWOT). In Abb. 4 ist ein solchesDesign schematisch dargestellt. Esbesteht aus drei übereinander gesta-pelten Schichtfolgen, welche jeweilseine optische Dicke von 4 QWOT auf-weisen. Mit diesem Designtyp kannzum Beispiel die Restreflexion einesBrillenglases aus CR 39 im Spektral-bereich von 400 nm bis 800 nm auf0,3 % gesenkt werden (Abb. 3c). Einsolches Brillenglas zeigt einen nur sehrschwachen Farbeindruck, der auch beischräger Betrachtung unverändertbleibt (Abb. 5). Bemerkenswert ist,dass solche Designs nicht länger dasProdukt von Optimierungsverfahrenunter Verwendung von Dünnschicht-software sind, sondern mit Hilfe derneu abgeleiteten Algorithmen und Formeln berechnet werden können /4/.

Für die Entwicklung dieses Beschich-tungsverfahrens erhielten die Wissenschaftler 2003 den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.

Literatur:/1/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:

„Antireflective coating” PCT/DE 01/02501(2000).

/2/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:„Antireflective coating design for plasticoptics,” Applied Optics 41, (2002) 3107–3110.

/3/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:„Symmetrical periods in antireflective coatings for plastic optics”, Appl. Opt. 42,1346–1351 (2003).

/4/ Schallenberg, U. B.; Schulz, U.; Kaiser, N.:„Multicycle AR coatings: a theoreticalapproach“, SPIE 5250 (in print).

AR-hard® – Beschichtung mit einstellbarer spektraler Bandbreite für Kunststoffoptik


Abb. 3:Restreflexion von AR-hard®-Beschichtungenunterschiedlicher spektraler Bandbreite aufeinem Polymersubstrat (n = 1,53) a), b) Anordungen von 3-Schicht-Perioden

mit 3 QWOT; c) Anordnung von Schichtstapeln

mit 4 QWOT, die aus jeweils fünf Einzelschichten bestehen.

Fig. 3:Residual reflectance of AR-hard® coatings withdifferent spectral bandwidth on polymer sub-strate (n = 1.53) a), b) arrangements of 3-layer periods

with 3 QWOT;c) arrangement of layer stacks

with 4 QWOT.

Abb. 4:Schematische Darstellung eines breitbandigenAR-hard®-Schichtsystems als Abfolge von jeweilsaus fünf Schichten aufgebauten Schichtstapeln.

Fig. 4:Schematic of coating design AR-hard®:arrangement of layer stacks with thickness of 4 QWOT each.

3a)

3b)

3c)


A characteristic value for an AR designis its spectral bandwidth (BW) which isdefined by the wavelength at the longwavelength end divided by the wave-length at the short wavelength end.The bandwidth of AR-hard®-coatingsconsisting of three layer LHL periods asdescribed above is limited to about 1.5.This bandwidth covers, for example,the spectral range of visible light from450 nm to 670 nm for a target residualreflection of 0.1 % as shown in Fig. 3a.Besides, for a bandwidth of 1.2 theresidual reflectance can be decreasedto less than 0.001 % (Fig. 3b).

Broadband antireflection coating

AR-hard® designs for broader band-width are required for optical partswith a high curvature radius and forapplications which require a widerange for the angle of light incidence.In addition, broader designs are usefulfor eyeglass coatings with uniformcolor impression for different viewingangles. Our new investigations show,

that the bandwidth of AR-hard® can bebroadened if layer stacks with greatertotal phase thickness are used in thestep-down arrangement instead of thethree layer periods LHL. As before,each of the layer stacks must meet thecondition of mathematical equivalenceto a single layer with very low refractiveindex. Such stacks with phase thicknessof 4 QWOT and 5 QWOT are suitableto build up a design with an antireflec-tion bandwidth up to 2 and 3 respec-tively. An AR-hard‚ design consisting of3 layer stacks with 4 QWOT is shownschematically in Fig. 4. Using a designof this type, the residual reflectance ofa CR39 polymer lens can be decreasedto about 0.3% in a spectral regionfrom 400 nm to 800 nm (Fig. 3c). Forexample, an eyeglass with such coatingshows only a marginal color impres-sion, which does not change with theviewing angle (Fig. 5). A notable fact isthat designs of this type are not theresult of optimization procedures withsuitable thin-film software, they areanalytical solutions using an algorithmand a set of formulas /4/.

For the development of this coatingprocess the scientists 2003 received theJoseph of Fraunhofer price.

References:/1/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:

„Antireflective coating” PCT/DE 01/02501(2000).

/2/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:„Antireflective coating design for plasticoptics,” Applied Optics 41, (2002) 3107–3110.

/3/ Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.:„Symmetrical periods in antireflective coatings for plastic optics”, Appl. Opt. 42,1346–1351 (2003).

/4/ Schallenberg, U.B.; Schulz, U.; Kaiser, N.:„Multicycle AR coatings: a theoreticalapproach”, SPIE 5250 (in print).

AR-hard® – coating with adjustable spectral bandwidth for plastic optics


Abb. 5:AR-hard®-Breitbandbeschichtung auf einer Teilflächeeines CR39-Brillenglases.

Fig. 5:AR-hard® broadband coating on CR39 eyeglass.


Einleitung

Die rasante Entwicklung der optischenDatenübertragung erfordert zuneh-mend optische Bauelemente miterhöhter Qualität, Zuverlässigkeit undFunktionalität. Allerdings beschränktdie Verwendung herkömmlicher optischer Materialien diese optischen Elemente in ihrer Leistungsfähigkeit.Der Fortschritt in Strukturierungs-technologien ermöglicht die Herstellung so genannter Metamaterialien mit problemangepassten, optimiertenEigenschaften.

Das vielleicht bekannteste Beispieleines solchen Metamaterials ist einphotonischer Kristall, also ein im Subwellenlängenbereich periodischstrukturiertes Medium, in welchemBeugung, Brechung, Gruppenge-schwindigkeitsdispersion etc. in weitenBereichen variiert werden können. EinWellenleiterarray (Abb. 1) stellt ein wei-teres Beispiel eines Metamaterials mitsteuerbaren optischen Eigenschaftendar /1/. Eine Lichtverteilung in einemArray besteht aus den durch evanes-zente Schwänze gekoppelten Modender Einzelwellenleiter. Die Dynamikoptischer Felder wird somit einerseitsdurch die Eigenschaften der Einzel-wellenleiter als auch andererseits durch

das Koppelverhalten der Wellenleiteruntereinander bestimmt. Im Folgendenwird demonstriert, dass neuartige lokalisierte Zustände an Defekten bzw.Inhomogenitäten in Wellenleiterarraysexistieren, die kein Analogon in derkonventionellen integrierten Optikbesitzen.

Wellenleiterarrays auf Polymerbasis

Die Arrays bestanden aus 101 Polymer-wellenleitern (nco = 1,547) auf einemthermisch oxidierten Siliziumwafer (nsub = 1,457) mit einem Polymer-cladding (ncl = 1,544) (Abb. 1). DieseProben wurden mittels UV-Lithogra-phie auf 4 Zoll-Wafern hergestellt, sodass optische Propagationslängen vonbis zu 7 cm möglich waren. Die Wellen-leiterhöhe betrug 3,5 µm. Hingegenwurden Arrays mit verschiedenen Wellenleiterbreiten zwischen 2,5 und4,5 µm und Wellenleiterabständen zwischen 4 und 5 µm untersucht. Diejeweilige Konfiguration garantiertMonomodigkeit der dämpfungsarmen(< 0,1 dB/cm) Einzelwellenleiter, diemiteinander über Nächste-Nachbar-Wechselwirkung gekoppelt sind. Durcheine lokale Variation der Wellenleiter-breite bzw. der Wellenleiterabständekönnen Defekte in ein ansonstenhomogenes Array eingebracht werden.

Maßschneidern geführter Wellen in Wellenleiterarrays

Dirk Michaelis, Henrike Trompeter*, Ulrich Streppel, Ulf Peschel*, Thomas Pertsch*, Andreas Bräuer, Falk Lederer**Friedrich-Schiller-Universität Jena


Dirk Michaelis

Abb. 1:Querschnitt eines Polymerwellenleiterarrays mit Defekt.

Fig. 1:Cross section of a polymer waveguide array with a defect.


Introduction

With the advance of optical data transfer the requirements for quality,reliability and functionality of integra-ted optics devices have increased.However, the sole use of conventionalmaterials severely constrains the per-formance of optical elements. Moresophisticated fabrication technologiesnow permit the manufacture of optimi-zed metamaterials.

Photonic crystals as periodic sub-wave-length structures are probably the mostprominent example of a metamaterialwhere, for example, refraction, diffrac-tion and group velocity dispersion canto a large extent be varied. A wave-guide array is another prominentexample of a metamaterial with con-trollable optical characteristics /1/. In the array, waves are confined to individual guides (Fig. 1). The evolution of this virtually discretized light is restricted to energy transfer via theevanescent tails of the modes of thecorresponding guides. Hence, thedynamics of optical arrays are deter-mined by the characteristics of the guides together with the couplingcharacteristics between those guides.Here we demonstrate that new typesof localized states bound at defects orinhomogeneities in waveguide arraysexist which have no analogon in conventional integrated optics.

Polymer Waveguide Arrays

The investigated arrays consist of 101 waveguides made of an inorganic-organic polymer (nco=1.547) on thermally oxidized silicon wafers(nsub=1.457) with a polymer cladding(ncl=1.544) (see Fig.1). The samples arefabricated by UV lithography on 4 inchwafers providing propagation lengthsof up to 7 cm. All waveguides are 3.5 µm high. Waveguides with a widthvarying between 2.5 and 4.5 µm provide low-loss single mode wave-guiding (< 0.1 dB/cm) for a HeNe-laserlight source at λ = 633 nm. A wave-guide spacing of between 4 and 5 µm ensures an efficient evanescent coupling of the nearest neighboringguides. Defects and inhomogenitiesare easily incorporated by locally varying either the width of an individ-ual guide or the spacing around a site.


Tailoring Guided Modes in Waveguide Arrays

Dirk Michaelis, Henrike Trompeter*, Ulrich Streppel, Ulf Peschel*, Thomas Pertsch*, Andreas Bräuer, Falk Lederer**Friedrich Schiller University Jena

Henrike Trompeter Ulrich Streppel

Ulf Peschel Thomas Pertsch

Andreas Bräuer Falk Lederer


Defektmoden in Wellenleiterarrays

Als erstes wurde die Möglichkeit desherkömmlichen Wellenleitungsmecha-nismus in Arrays an einem Defekt mitvergrößerter Propagationskonstanteüberprüft. Der Defekt bestand auseinem Wellenleiter mit einer größerenBreite (3,5 µm) als die der restlichenWellenleiter (3 µm) des Arrays. In Analogie zur integrierten Optik kommtes zur Konzentration von eingestrahl-tem Licht in Bereichen höheren, effektiven Brechungsindexes – einegeführte Defektmode wurde angeregt (Abb. 2b). Solche lokalisierten Zuständewerden „unstaggered” Modengenannt, da das zugehörige Moden-feld eine konstante Phase aufweist(Abb. 2a).

Als nächstes wurde nach Abweichun-gen vom klassischen Wellenleitungs-mechanismus gesucht, indem die Breitedes Defektwellenleiters (3 µm) im Ver-gleich zum Rest des Arrays (3,5 µm)verringert wurde. Tatsächlich konntenauch in diesem Fall des verringerteneffektiven Indexes des Defektwellen-leiters geführte Wellen gefunden werden (Abb. 2d). Allerdings ist dasModenprofil dieser neuen, so genann-ten „staggered” Moden im Gegensatz zu den ursprünglichen „unstaggered”Zuständen durch die Eigenschaft aus-gezeichnet, dass die Felder in benach-barten Wellenleitern einen Phasen-unterschied von π besitzen (Abb. 2c).Somit wurde hier der herkömmlicheFührungsmechanismus der Total-reflexion („unstaggered”) durch dender Bragg-Reflexion („staggered”)ersetzt.

Eine nahezu ausschließliche Vergröße-rung der Kopplung eines Defekts zumRest des Arrays kann durch eine Verrin-gerung des Abstandes des Zentrums-wellenleiters (4 µm bei ansonsten 5 µmWellenleiterabstand) zu den Nachbar-wellenleitern erreicht werden. In diesemFall können sowohl „unstaggered” alsauch „staggered” Moden gleichzeitigexistieren. An der Endfacette desArrays entsteht ein Interferenzmuster,welches vom Phasenunterschied beidergebundener Zustände abhängt. DerPhasenunterschied zwischen der „staggered” und „unstaggered” Modeändert sich um π, falls der Anregungs-strahl vom Defektwellenleiter (n = 0) zu einem der Nachbarwellenleiter (n = ±1) verschoben wird. Somit kanndurch die Wahl des Anregungswellen-leiters von konstruktiver zu destruktiverInterferenz im Defekt oder in denNachbarwellenleitern übergegangenwerden (Abb. 3a, b, c). Besonders hervorzuheben ist, dass keine anti-symmetrischen Moden existieren,obwohl der Defekt mehrmodig ist.

Im Falle einer verringerten Kopplungs-konstante des Defektwellenleitersinfolge einer Vergrößerung des Abstan-des des Zentrumswellenleiters zu sei-nen Nachbarn treten keine geführtenWellen auf. Auch dieser Umstand lässtsich schwerlich im herkömmlichen Bildgebundener Moden erklären, da hierzu erwarten wäre, dass die Führungs-eigenschaften des Defekts durch einestärkere Entkopplung zum Rest desArrays verbessert werden sollten.

Allerdings wird Licht im Defekt verstärktan Blochmoden mit einer großen trans-versalen Geschwindigkeit ankoppeln,so dass dieser Defekt lichtabstoßendwirkt (Abb. 4a, b). Im Gegensatz zurBeugung in einem homogenen Array(Abb. 4c, d) entstehen zwei symme-trische Beugungskeulen, zwischendenen kaum Licht vorhanden ist.

Danksagung

Diese Arbeiten wurden von der Deut-schen Forschungsgemeinschaft unterder Projektnummer Br 1263/5-1 gefördert.

Literatur:/1/ Pertsch, T.; Zentgraf, T.; Peschel, U.;

Bräuer, A. and Lederer, F.: „AnomalousRefraction and Diffraction in Discrete OpticalSystems”, Phys. Rev. Lett. 83 (2002)093901.

Maßschneidern geführter Wellen in Wellenleiterarrays


Abb. 2:Feld und Intensität einer „staggered” (c, d) und„unstaggered” (a, b) Mode bei dominanter Verkleinerung (c, d) bzw. Vergrößerung (a, b)des effektiven Brechungsindexes des Defekts. Linien: Theorie, Punkte: Experiment.

Fig. 2:Field and intensity of a staggered (c, d) and unstaggered (a, b) mode for a dominant decrease (c, d) or increase (a, b) of the propagation constant of the defect. solid line: theory, dots: experiment.


Defect Modes in Waveguide Arrays

First we checked conventional wave-guiding mechanism in an array. To thisend a defect is created which consistsof a single guide with an increasedwidth of 3.5 µm compared to 3 µm forthe rest of the array. As a consequencethe propagation constant of the defectguide is increased, whereas the coup-ling is slightly decreased. Similar toconventional integrated optics, lightconcentrates around the region of higher effective index and a bounddefect mode is born (Fig. 2b). Since themodal fields of such localized stateshave a flat phase (see Fig. 2a), suchlocalized states are called unstaggeredmodes.

Next, we investigated deviations fromclassical waveguiding mechanisms bydecreasing the width of the defectwaveguide (3 µm compared with

3.5 µm in the rest of the array). Again,the resulting decrease of the propaga-tion constant of the defect is accom-panied by only a small increase of thecoupling constant. In fact we alsoobserve a guided mode (Fig. 2d) theshape of which differs considerablyfrom that of a unstaggered one. Be-cause fields in adjacent guides are nowπ out of phase (Fig. 2c) the intensity ofthis mode becomes zero between thewaveguides due to destructive inter-ference from the different modal fields.Hence in contrast to the unstaggeredmode, which is bound by internalreflection, the guiding mechanism ofthis new, so-called staggered staterelies on Bragg-reflection within theperiodic structure of the array.

An increase of the coupling constant ofthe defect can almost exclusively beachieved by decreasing the spacingbetween the center waveguide and itsneighbors (spacing: 4 µm comparedwith 5 µm in the rest of the array). Inthis case both unstaggered and stagge-red modes usually exist simultaneously.An input beam centered on a singlewaveguide always excites both modes.At the end facet of the array an interfe-rence pattern is observed depending

on the current phase difference bet-ween the two bound states. If theexciting beam is shifted from the defectguide (n = 0) towards its neighbor (n = ± 1) the phase difference betweenthe staggered and unstaggered modeschanges by π. Hence by varying thewaveguide of excitation we can switchbetween destructive and constructiveinterference in the defect guide or inthe neighboring waveguide at the out-put facet (compare Figs. 3a, b, c). Evenif the initial excitation is asymmetricwith respect to the defect guide, wenever observe an asymmetric guidedfield at the output. Thus, no asymme-tric mode exists, although the defect ismulti-mode.

If the coupling constant of the defectwaveguide is decreased by increasingthe spacing between the center wave-guide and its neighbors, no bound states occur. This is somehow counter-intuitive. Because the defect tends tobe isolated due to the reduced coup-ling, one might even expect improvedguiding properties. Again, the simpleclassical understanding of mode gui-ding fails. Light from the defect predo-minantly couples into Bloch modes witha high transverse velocity. Hence, theexcitation will leave a defect with redu-ced coupling very quickly (Fig. 4a, b). In contrast to an excitation in thehomogenous array (Fig. 4c, d) thedefect repels the light causing a darkregion around it.

Acknowledgement

The work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Br 1263/5-1).

Reference:/1/ Pertsch, T.; Zentgraf, T.; Peschel, U.;

Bräuer, A. and Lederer, F. : „AnomalousRefraction and Diffraction in Discrete OpticalSystems”, Phys. Rev. Lett. 83 (2002)093901.

Tailoring Guided Modes in Waveguide Arrays


Abb. 3:Interferenzmuster einer „staggered” und „un-staggered” Mode bei vergrößerter Kopplungs-konstante des Defekts. Propagationslänge:59,95 mm, Punkte: Experiment, Linien: Theorie,Gestrichelt: Anregungsposition, (b) Anregungdes Defekts, (a, c) Anregung des nächstenNachbarwellenleiters zum Defekt.

Fig. 3: Interference pattern of a staggered and an uns-taggered defect mode for dominant increase ofthe coupling constant of the defect at a propa-gation distance of 59.95 mm. dots: experiment, lines: theory, dashed line:position of the excitation (b) excitation of thedefect waveguide. (a) and (c) excitation of theleft and right nearest neighbor waveguide ofthe defect.

Abb. 4:Beugungsbild bei Anregung eines abstoßendenDefekts ([a] Theorie, [b] Experiment) mit reduzierter Kopplung und in einem homogenenArray ([c] Theorie, [d] Experiment).

Fig. 4:Diffraction pattern for an excitation of a repulsi-ve defect ([a] theory, [b] experiment) with reduced coupling and in a homogeneous array([c] theory, [d] experiment).

inte

nsity

[a.u

.]

inte

nsity

[a.u

.]

waveguide waveguide


Einführung

Neben ihren oft kleinen Abmessungenund hohen Genauigkeitsanforderun-gen zeichnen sich moderne optischeBaugruppen zunehmend auch durchdie zusätzlich notwendige Integrationelektronischer und mechanischer Funk-tionalität aus. Aufgrund der oftmalsnur geringen Stückzahlen ist dabei einehybride Integration der einzelnen Komponenten oft die kostengünstigsteAufbauvariante. Um Nachteile wie ein-geschränkte Miniaturisierbarkeit undkritische Langzeitstabilität klassischerOptikaufbauten zu umgehen, wurdeein Konzept entwickelt, bei dem opti-sche und nichtoptische Komponenten,zum Beispiel elektronische Schaltkreiseund MEMS-Aktuatoren, gemeinsamauf einem mit Fassungsstrukturen versehenen keramischen Multilayer-Substrat integriert werden.

Keramiksubstrate für hybrid-optische Systeme

Optische Komponenten werden zurBestimmung ihrer geometrischen Lagein mechanischen Fassungen mittelsKleben, Löten oder Klemmen fixiert.

Neben den gewöhnlich verwendetenund meist mit Justiermöglichkeiten ver-sehenen mittelbaren Fassungen wer-den zunehmend auch unmittelbareFassungsstrukturen verwendet, diedirekt in die Optikplattform integriertwerden. Abhängig von der Genauig-keit dieser mechanischen Anschlägekönnen die Komponenten passivjustiert werden, während eine aktiveJustage über Fügehilfswerkstoffe wie Klebstoff oder Lot realisiert wird. Bekannt zur Herstellung solcherFassungsstrukturen sind unter anderemVerfahren wie Silizium-Ätzen, LIGA undMikrospritzguss.

Eine alternative Möglichkeit bestehtdarin, keramische Multilayer-Substratezu nutzen /1/, wie sie zum Beispiel alsLow Temperature Cofired Ceramics(LTCC) aus der Elektronikindustriebekannt sind /2/, /3/. Bei diesen Glas-keramiken wurde die Strukturierungbisher vorwiegend eingesetzt, umStromdurchführungen (Vias) zwischeneinzelnen Lagen des Substrats zu reali-sieren. Dazu werden die einzelnenKeramikfolien im Grünzustand mecha-nisch bearbeitet, aufeinander laminiertund zu einem Substrat gesintert (Abb. 1).

Indem die Strukturierung der Grün-folien an die Anforderungen derOptikmontage angepasst wird, könneninnerhalb der Keramiksubstrate auchkomplexe dreidimensionale Strukturenwie Stufen, horizontale und vertikaleReferenzebenen sowie Auflagekantenerzeugt werden, die zur Aufnahmeund Fassung optischer Komponentendienen (Abb. 2). Die Genauigkeit dieserStrukturen wird durch die Prozesskettedes Strukturierens, Laminierens undSinterns bestimmt und liegt in derSumme im Bereich von 10 bis 50 µm.

Hybride Integration optischer Systeme auf miniaturisierten keramischen Substraten

Erik Beckert, Christoph Damm, Ramona Eberhardt, Peter Schreiber


Erik Beckert

Abb. 1: Herstellung keramischer Multilayer-Substrate.

Fig. 1: Manufacturing process for ceramic multilayer substrates.


Introduction

Modern optical systems not only haveto be small and precise but mustincreasingly incorporate electronic andmechanical components. Due to thetypically small to medium number ofthese systems required, hybrid integra-tion is often the most efficient packaging solution. However classicaloptical assemblies are limited asregards miniaturization and long-termstability. To circumvent these disadvan-tages, a concept based on the integra-tion of optical and non-opticalcomponents examples of which areelectronic circuits and MEMS-actuatorswas developed using ceramic multi-layer substrates with embedded moun-ting structures.

Ceramic Substrates for hybrid optical Systems

Optical components have to be geo-metrically constrained and are there-fore assembled within mounts andfixed by adhesive bonding, soldering orclamping. In addition to the indirectand adjustable mounts that are nor-mally used, direct mounting structures,embedded within the optical platform,have been developed in recent years.The accuracy of these mechanical stopsdictates the degree to which the optical components can be passivelyaligned. An active alignment is possiblewith the help of the joining media,such as adhesive or solder. Knowntechnologies for the manufacturing ofsuch direct mounts are for instance silicon etching, LIGA and micro-injection-molding.

An alternative approach is to utilizeceramic multilayer substrates /1/ suchas Low Temperature Cofired Ceramics(LTCC) as known from the electronicsindustry /2/, /3/. These are glass ceramics usually structured with vias topermit the flow of current betweenlayers. To achieve this, the ceramicsheets are mechanically structuredwhile in the green state before beinglaminated together and finally sinteredto form a single substrate (fig. 1). Thestructuring of the green sheets can beadapted to fit the requirements of anoptics assembly thus allowing for thecreation of complex three-dimensionalstep-like structures, horizontal and vertical reference planes and suppor-ting edges on which optical compo-nents can be mounted (fig. 2). Theaccuracy of these structures is deter-mined by the structuring, laminatingand sintering process and ranges from10 to 50 µm.


Hybrid Integration of optical Systems on miniaturized ceramic Substrates

Erik Beckert, Christoph Damm, Ramona Eberhardt, Peter Schreiber

Christoph Damm

Ramona Eberhardt

Peter Schreiber

Abb. 2: Dreidimensionale Struktur imKeramiksubstrat zur Fassungeiner Linse.

Fig. 2: Three-dimensional mountingstructure for a lens within a ceramic substrate.


Durch das Bedrucken der Keramik-folien mit Dickschicht-Metallisierungenwie Palladium-Silber (PdAg) könnendarüber hinaus neben der hybridenIntegration von Schaltkreisen zurAnsteuerung elektrooptischer Kompo-nenten auch Fügeflächen zum Fixierender optischen Komponenten durchLaserstrahllöten (Abb. 4) bereitgestelltwerden.

Das dargestellte Aufbaukonzept nutztHerstellungstechnologien, die insbe-sondere für kleine und mittlere Stück-zahlen etabliert sind und eignet sichbesonders gut für optische Baugrup-pen, bei denen die Integration vonOptik und Elektronik in einem Aufbauangestrebt wird. Durch die Vermeidungmittelbarer Fassungen ist eine weitge-hende Miniaturisierung möglich, wäh-rend die Keramik als Grundmaterialund Löten als Fügeverfahren zu einerguten Langzeitstabilität solcher Bau-gruppen führen. Aufgrund des an Silizium und Glas gut angepasstenthermischen Ausdehnungskoeffizien-ten von 6*10-6K-1 (LTCC) können mikromechanische Aktoren (z. B.MEMS- Spiegel) und elektrooptischeSubsysteme (z. B. Modulatoren) integriert werden. Die thermomecha-nischen Eigenschaften der Keramiksind im Hinblick auf die Temperatur-kontrolle verlustleistungsbehafteterKomponenten, wie z. B. Laserdioden,in weiten Grenzen einstellbar /4/.

Nachteilig beim vorgestellten Konzeptwirkt sich die im Vergleich zu anderenMikrostrukturierungsverfahren geringere Genauigkeit aus. Zukünftige Entwicklungen wie Nullschrumpf-Keramiken und Technologien, wie dasPrägen von Keramikfolien werden demRechnung tragen.

Anwendungsbeispiel – Strahlkollimation für Laserdioden

Abb. 3 zeigt links den schematischenAufbau einer Baugruppe mit Laser-diode, Kollimationsoptik und Ansteuer-elektronik. Das divergente Bündel derDiode wird durch das optische Systemzu einem Strahl mit dem nominellenDurchmesser 0,4 mm und einer Elliptizität von 1 : 1,05 kollimiert, wobeizwei 45°-schräggestellte Zylinder-linsenarrays für Fast- und Slow-Axis-Kollimation der Diode eingesetztwerden. Im rechten Teil der Abbildungist das Keramiksubstrat zu sehen, indas bereits die erste Kollimationslinsein ihre Fassungsstruktur eingesetzt ist.Ebenfalls zu sehen sind die bereitsgefügten aktiven und passiven Elektro-nikbausteine zur späteren Ansteuerungder Laserdiode und die dafür notwen-digen Kontaktflächen in zwei verschie-denen Ebenen des Substrats.

Kontrollmarken zum Referenzieren desSubstrats während der Montage undKeramikabschnitte mit erhöhtemMetallanteil und somit verbesserterthermischer Leitfähigkeit zum Ableitender Laserdioden-Verlustleistung vervoll-ständigen das hybride System.

Zusammenfassung

Ein Aufbaukonzept für miniaturisiertehybrid-optische Systeme wurde entwickelt, das auf keramischen Multi-layer-Substraten mit integriertenmechanischen Strukturen zum Fassenoptischer Komponenten aufbaut. Eseignet sich insbesondere für Baugrup-pen, die optische, elektronische undmikromechanische Funktionalität aufeinem Substrat vereinen. ZukünftigeArbeiten werden sich auf die Optimie-rung der mit dieser Technologie her-stellbaren mechanischen Strukturenund die Nutzung alternativer Materia-lien (z.B. Aluminiumnitrid) mit ver-besserter thermischer Leitfähigkeit fürAnwendungen mit höherer Verlust-leistung konzentrieren.

Literatur:/1/ Beckert, E. et al.: „Integration of Optics,

Electronics and Mechatronics on miniaturi-zed Platforms”, Proceedings MICRO.tec2003, München, pp. 179–184.

/2/ Bartnitzek, T.; Müller, E.: „Entwicklung vonLTCC-Schaltungsträgern und Gehäusen”,47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium 2002, Ilmenau, pp. 675–67.

/3/ Gongora-Rubio, M. R. et al.: „Overview oflow temperature co-fired ceramics tapetechnology for meso-system technology(MsSt)”, Sensors and Actuators A, Vol. 89 (2001), pp. 222–241.

/4/ Thelemann, Th. et al.: „Using LTCC formicrosystems”, Microelectronics Internatio-nal, Vol. 19, No. 3, 2002, pp. 19–23.

Hybride Integration optischer Systeme auf miniaturisierten keramischen Substraten


Abb. 3: CAD-Modell und teilweise montierte Kollimationsoptik.

Fig. 3: CAD-Model and partiallyassembled collimatingoptic.


By printing thick film metallizations, forexample Palladium Silver (PdAg), ontothe ceramic sheets, contact areas forlaser beam soldering of optical compo-nents are provided (fig. 4) and the integration of circuits for the control of the electro-optical components is facilitated.

The packaging concept described utilizes manufacturing technologiesthat have been specifically establishedfor small and medium quantities and is therefore suitable for optical assemblies which integrate optics andelectronics on one substrate. By avoi-ding indirect mounts these assembliescan be scaled down and the ceramicsubstrate material, together with solderjoining technology, leads to good long-term stability. In addition its thermalcoefficient of expansion of 6*10-6K-1

is compatible with those of silicon andglass thus easily allowing the inte-gration of micro-mechanical actuators (e. g. MEMS-mirrors) and electro-optical sub-systems (e.g. modulators).The thermo-mechanical properties of

the ceramics are tunable over a widerange with respect to the necessarytemperature control for power-dissipating components such as laserdiodes /4/.

One disadvantage of the conceptshown is the limited structural accuracycompared to other micro-structuringtechnologies. In the future, technolo-gies like zero-shrinking ceramics andhigh precision embossing of ceramicsheets will address these issues.

Application Example – Beam Collimating Optic for Laser Diodes

Fig. 3 shows the schematics of an opti-cal assembly on the left hand side. Thedivergent beam of a laser diode is colli-mated to form a beam with a diameterof 0.4 mm and an ellipticity of 1 : 1.05.Two arrays of cylindrical lenses, rotatedthrough 45° with respect to the hori-zontal plane, collimate the fast and theslow axis of the diode. On the right

hand side of the figure the ceramicsubstrate with the first collimating lensalready mounted is shown. Also visibleare the active and passive electroniccomponents of the laser diode drivercircuit and the contact pads on two different height levels to connect thediode. Alignment marks for referencingthe substrate during the assembly andmetal-filled vias for the dissipation ofdiode power complete the hybridsystem.

Conclusion

A packaging concept for miniaturizedhybrid optical systems was developed.It is based on ceramic multilayer sub-strates with integrated mechanicalstructures for mounting optical compo-nents. The concept is especially suitablefor systems that integrate optical, electronic and micro-mechanical func-tionality on one substrate. Future workwill optimize the mounting structuresand their manufacturing process. Additionally alternative ceramics withhigher thermal conductivity, like Aluminum Nitride, will be investigatedfor high power applications.

References:/1/ Beckert, E. et al.: „Integration of Optics,

Electronics and Mechatronics on miniaturi-zed Platforms”, Proceedings MICRO.tec2003, München, pp. 179–184.

/2/ Bartnitzek, T.; Müller, E.: „Entwicklung vonLTCC-Schaltungsträgern und Gehäusen”,47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium 2002, Ilmenau, pp. 675–67.

/3/ Gongora-Rubio, M. R. et al.: „Overview oflow temperature co-fired ceramics tapetechnology for meso-system technology(MsSt)”, Sensors and Actuators A, Vol. 89 (2001), pp. 222–241.

/4/ Thelemann, Th. et al.: „Using LTCC formicrosystems”, Microelectronics International, Vol. 19, No. 3, 2002, pp. 19–23.

Hybrid Integration of optical Systems on miniaturized ceramic Substrates


Abb. 4: Durch Laserstrahllöten gefügte Laserdiode.

Fig. 4: Laser beam soldered laser diode.


Motivation

Die fortschreitende Miniaturisierung inder Halbleiterelektronik hat dazu ge-führt, dass Lithographie-Anlagen heutebereits im tiefen ultravioletten Strah-lungsbereich arbeiten und Licht miteiner Wellenlänge von 193 nm verwen-den. Geräte der nächsten Lithographie-Generation werden voraussichtlichweiche Röntgenstrahlung im EUV-Wellenlängenbereich (extreme ultra-violett ca.13 nm) einsetzen, wobeiStrahlführung und Belichtung im Vakuum erfolgen müssen. Im Vorfelddieser Entwicklung hat sich die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie an Synchrotron-Strahlungsquellen alswichtiges Verfahren zur Charakterisie-rung von Wafer-Materialien entwickelt/1/. Für all diese Anwendungen ist einestabile, hochgenaue Positionierung vonSi-Wafern in Vakuumumgebung erfor-derlich und die erzielbare Ebenheit istvon großem Einfluss auf das Ergebnis.Geeignete Vorrichtungen für die Wafer-handhabung an Luft und im Vakuumwerden seit einigen Jahren am IOF ent-wickelt.

Im Vakuum erfolgt das temporäre Fixie-ren von Halbleiter-Wafern – ebensowie damit verbundene Aufnahme- undTransport-Vorgänge – am besten mithilfe elektrostatischer Greifvorrich-tungen. Durch Erzeugung eines elektri-schen Feldes zwischen dem Wafer undeiner oder mehrerer Elektroden, die inder Wafer-Unterlage integriert sind,können anziehende Kräfte auf denWafer ausgeübt werden. Elektrosta-tische Chucks vermeiden Kratzer undAbrieb, wie sie für mechanische Greifertypisch sind. Vor allem aber erlauben siees, durchgebogene Wafer einzuebnenund damit auch bei geringer Schärfen-tiefe gute Belichtungsergebnisse zuerzielen. Nicht zuletzt liefern sie einengroßflächigen und somit wohldefinier-ten Wärmekontakt zur Unterlage.

Entwurf und Simulation

Für eine Synchrotron-Anwendungwurde ein kompakter 300 mm-Chuckmit einem integrierten Liftmechanis-mus entwickelt, der die Ablage desWafers auf dem Chuck bzw. das Ausheben von der Chuckoberflächevornimmt. Für die Verwendung imUltra-Hoch-Vakuum (UHV) ist eine sehrgeringe Ausgasrate erforderlich undder Chuck muss die typische Ausheiz-prozedur bei 100 °C schadlos über-stehen. Die spezifische Anwendungerforderte darüber hinaus, dass 8 und12 Zoll-Si-Wafer sowohl in horizontalerwie vertikaler Orientierung sichergehalten werden und die Vorrichtungein Gesamtgewicht von 5 kg nichtüberschreitet. Um eine hohe lateraleAuflösung in der Anwendung zugewährleisten, war eine Ebenheit derChuckoberfläche von 5 µm erforderlichund eine Parallelität der Montageflächedes Chucks zu seiner Oberfläche von100 µm.

Die genannten Zielstellungen wurdenmit einem modularen Aufbau aus dreiKomponenten erreicht, die anwen-dungsbezogen kombiniert und bei Be-darf weiter optimiert werden können.Sie umfassen das eigentliche elektro-statische Halteelement, eine Montage-platte als universelle mechanischeSchnittstelle und einen motorbetrie-benen Aushebe-Mechanismus für denWafer.

Um die beste Lösung zu ermitteln, wurden thermo-mechanische Simula-tionsrechnungen zu verschiedenenKonstruktionsansätzen und Materialienvorgenommen. Dazu wurde die kombi-nierte Einheit von Haltelement undMontageplatte in einem FEM-Modellerfasst und hinsichtlich mechanischerSpannungen und Deformationen analysiert.

Elektrostatischer Chuck mit integriertem Wafer-Lift

Gerhard Kalkowski, Gerd Harnisch, Erik Beckert, Thomas Peschel


Gerhard Kalkowski


Motivation

Recent efforts to miniaturize semicon-ductor electronic devices have alreadyprogressed to the development oflithography tools that work in the deepUV-range at a wavelength of 193 nm.Next generation lithography equip-ment will probably work in the EUV(extreme ultra violet) range and utilizesoft X-rays at wavelengths of around13 nm, necessitating beam shapingand exposure under vacuum. At synchrotron light sources, X-ray fluorescence spectroscopy is evolvingas a powerful method for the charac-terization of wafer materials /1/. For allthese applications, the stable positio-ning of Si-wafers in a high vacuumenvironment is required and attainableflatness strongly influences the out-come. Adequate clamping fixtures forwafer handling at high precision in airand under vacuum have been beingdeveloped at the IOF for several years.

Under vacuum conditions, temporaryfixture of wafers as well as picking andplacing are best done with electrostaticclamps. By generating an electric fieldbetween the wafer and one or moremetal electrodes inside the support, anattractive Coulomb force is exerted onthe wafer. Electrostatic chucking avoidsscratches and particle generation as iscommonly encountered with mechani-cal clamps and, in particular, it enablesflattening of slightly bowed wafers foraccurate exposure under conditions ofsmall depth of focus. Also, thermalcontact of the wafer with the supportis good because of the large contactarea.

Design and Simulation

For a synchrotron application, a com-pact 300 mm electrostatic chuck withan integrated lift mechanism for softwafer deposition onto and off thechuck has been developed. To enableoperation at ultra-high-vacuum conditions, a very slow gas release rateis critical and repeated baking of thechuck at a temperature of about 100 °C must be possible. In addition,this specific application requires thatwafers can be clamped appropriatelyfor both horizontal and vertical chuckorientations and that weight is limitedto less than 5 kg for the whole unit.Finally, to obtain sufficient lateral resolution, surface flatness of the chuckis tolerated to 5 µm and parallelism(mounting base versus chuck surface)to 100 µm.

These objectives have been met with amodular design that is based on anapplication specific assembly of threemajor components that can be furtheroptimized separately: the actual elec-trostatic clamping element, a mountingplate for all mechanical interfacing and a motorized wafer lift mechanism.

Careful consideration of thermalexpansion in design and materials selection was of central importance forthe final solution. To this end the combined unit of clamping elementand mounting plate was modeled andinvestigated with respect to stressesand deformations using FEM-analysis.


Gerd Harnisch

Erik Beckert

Thomas Peschel

Electrostatic chuck with integrated wafer lift

Gerhard Kalkowski, Gerd Harnisch, Erik Beckert, Thomas Peschel


Abb. 1 zeigt ein typisches FEM-Ergeb-nis dieser Simulationen. Durch Befesti-gung des Chuckelements an dreijeweils um 120 Grad versetzten Halte-elementen auf einem Teilkreis von etwa2/3 Radius wird die Durchbiegung derChuckoberfläche sehr gering. Siebeträgt im horizontalen Schwerefeldweniger als 0,5 µm für das gewählteMaterial und die zugrunde gelegtenDimensionen. Ähnliche Rechnungenwurden für vertikale Orientierung und Temperaturen bis 100 ºC vorge-nommen, um auch die thermischen Spannungen aufgrund der unter-schiedlichen Wärmedehnungen vonChuckelement und Montageplatte zuerfassen.

Realisierung

Im Verlauf der Entwicklung wurdenmehrere Versuchsmuster aufgebautund die Stabilität unter thermischerWechselbelastung an kritischen Stellenüberprüft. Die daraus schließlich ent-standene 300 mm Baugruppe ist inAbb. 2 dargestellt. Das eigentlicheChuckelement weist drei symmetrischangeordnete, integrierte Verbindungs-elemente zur Montageplatte auf und –jeweils dazwischen – Durchbrüche, andenen drei Stifte des Wafer-Liftmecha-nismus den Wafer abheben können. In Abb. 2 sind die Stifte teilweise aus-gefahrenen sichtbar. Auf der Unterseitedes Chuckelements ist die Montage-platte erkennbar, in deren Mitte diezylindrische, UHV-taugliche Antriebs-einheit angeflanscht ist. Die rotatorischeBewegung eines Motors wird übereinen Spindelmechanismus in eine axialgerichtete translatorische Bewegungumgesetzt und führt über das simul-tane Ausfahren der drei Stifte zu einerAushebung des Wafers um etwa10 mm.In den Aufbau sind mehrere Endschalterintegriert, die einen zuverlässigenBetrieb unter Produktionsbedingungensicherstellen. Der äußerst kompakte

Aufbau der gesamten Baugruppe inVerbindung mit einer Kabeltrommelgestattet einen „quasi-mobilen” Einsatz mit großem Bewegungsradius.

Für das Halteelement wurde ein glas-keramisches Material mit hoher Haltekraft bei moderaten elektrischenSpannungen ausgewählt /2/, /3/. Abb. 3 zeigt einen Blick auf die Chuck-oberfläche. Das elektrische Schaltungs-prinzip basiert auf einer bipolarenElektroden-Konfiguration mit zweihalbkreisförmigen Elektroden, diedurch das transparente Dielektrikumhindurch deutlich zu erkennen sind.

Die bipolare Chuckausführung stellt dieHaltefunktion für Halbleiter-Wafersicher, ohne dass ein direkter elektri-scher Kontakt zum Wafer benötigtwird. Damit ist kein„Kratz-Pin”erforder-lich und Abrieb und Partikelerzeugungbeim Chuckvorgang werden auf einMinimum reduziert. Deutlich zu erken-nen sind in Abb. 3 auch die drei Stiftedes Liftmechanismus als dunkle Zonenund die helleren Befestigungselementedes Chucks zur Montageplatte.

Die komplette Baugruppe wurde inwaagerechter Orientierung mit einem 3-D-Koordinatenmessgerät an 19 Stel-len auf Ebenheit im sub-µm-Bereichvermessen. Danach weist die Ober-fläche eine Ebenheit von 2,2 µm aufund liegt innerhalb von 26 µm parallelzur Unterseite (Anflanschseite) derMontageplatte. Im Rahmen von elektri-schen Tests wurde nachgewiesen, dassweniger als 500 V Haltespannung aus-reichen, um Halbleiter-Wafer auch invertikaler Orientierung sicher zu halten.

Literatur:/1/ Beckhoff, B.; Fliegauf, R.; et al.: „Improve-

ment of total reflection X-ray fluorescenceanalysis of low Z elements”, SpectrochimicaActa Part B, 56 (2001) 2073–2083.

/2/ Kalkowski, G.; Risse, S.; Harnisch, G. andGuyenot, V.: „Electrostatic Chucks for Lithography Applications”, MicroelectronicEngineering 57–58 (2001) 219–222.

/3/ Kalkowski, G.; Kamm, F.-M.:www.sematech.org/resources/litho/meetings/euvl/20030223b/03_Fraunhofer_NEW_Electrostatic_Chucking.pdf

Elektrostatischer Chuck mit integriertem Wafer-Lift


Abb. 1: FEM-Ergebnisse zur Chuck-Durchbiegung (mm) unter Schwerkraft.

Fig. 1: FEM-results for gravity deformation (mm) at horizontal orientation.

Y

XZ


Fig. 1 displays a typical FEM-result fromthese simulations. With three supportpins fixed at an angle of 120 deg toeach other and spaced to delineate aninner radius which is approximately 2/3that of the chuck radius, flatness of thechuck surface is found to deviate lessthan 0.5 µm under horizontal gravita-tional load for the materials anddimensions chosen. Similar calculationswere performed with respect to verticalorientation and temperatures of up to100 degrees Celsius to conceptualizestresses exerted by varied thermalexpansion during bake-out.

Realization

In the course of development, testsystems were set up and subjected tothermal cycling for evaluation of stabi-lity in critical areas. The finall 300 mmdiameter unit with the chucking ele-ment on top is shown in Fig 2. Threesymmetrically arranged fastening elements secure the chuck to themounting base and between these thepartly elevated lift-pins, used for wafertransfer to and from the chuck, can beseen as dark points slightly proud ofthe chuck surface. An ultra-high-vacuum compatible drive unit, attachedto the bottom center of the mountingplate, drives the lifting mechanism. Aspindle mechanism transforms rota-tional motion into axial movement andlifts the wafer simultaneously at threepoints to about 10 mm above thechucking plane for handling purposes.Several limit switches are included forsafe and reliable operation under automated production conditions. In addition the unit is equipped with acable reel thereby allowing free move-ment of the whole unit inside the vacuum chamber.

For the clamping element, a glass cera-mic material of high clamping force ata moderate voltage was chosen /2/, /3/.Fig. 3 displays the chuck surface. Theelectrical layout is a bipolar design withtwo electrodes shaped in the form of a „double D” as clearly visible throughthe transparent dielectric material.

The bipolar design ensures clampingfor all types of semi-conducting wafermaterials without the need of a directelectrical contact with the wafer. The-refore, no scratch pin is necessary andwear and particle generation uponchucking is negligible. Also seen in Fig. 3 are the lift pins (dark) for wafertransfer off and onto the chuck andthe three circular connectors (bright)for the fixation of the chuck to theunderlying mounting plate.

The complete unit was tested with respect to flatness at sub-µm resolutionusing a 3-D measurement system at 19 measurement points across the surface and found to be flat within 2.2 µm (at horizontal orientation) andparallel with respect to the mountingplate within 26 µm. Electrical tests verified that less than 500 V clampingvoltage was sufficient for safe clam-ping of Si-wafers vertically.

References: /1/ Beckhoff, B.; Fliegauf, R.; et al.: „Improve-

ment of total reflection X-ray fluorescenceanalysis of low Z elements”, SpectrochimicaActa Part B, 56 (2001) 2073–2083.

/2/ Kalkowski, G.; Risse, S.; Harnisch, G. andGuyenot, V.: „Electrostatic Chucks for Lithography Applications”, MicroelectronicEngineering 57–58 (2001) 219–222.

/3/ Kalkowski, G.; Kamm, F.-M.:www.sematech.org/resources/litho/meetings/euvl/20030223b/03_Fraunhofer_NEW_Electrostatic_Chucking.pdf

Electrostatic chuck with integrated wafer lift


Abb. 3: Chuck-Oberfläche mit bipolarer Elektroden-Konfiguration.

Fig. 3: Chuck surface with bipolar electrode design.

Abb. 2: 300 mm elektrostatischer Chuck mit integriertem Liftmechanismus.

Fig. 2: 300 mm electrostatic chuck with integrated lift mechanism.


Standard in den Life Sciences

Für einen breiten Einsatz mikro-fluidischer Komponenten in den LifeSciences, insbesondere in dem KMU-dominierten Bereich der Biotechnologie-Unternehmen, ist es zwingendnotwendig, einen Satz unterschied-licher Komponenten verfügbar zuhaben, z. B.: mikromischer Trenneinhei-ten, optische Inspektionskomponenten,Nanotiterplatten etc. Diese Komponen-ten müssen miteinander kombinierbarsein, über eine standardisierte fluidischeSchnittstelle verfügen und einfach zuhandhaben sein. Ein weiterer kritischerPunkt sind die Kosten, die durch dieVerfügbarkeit standardisierter Kompo-nenten und einer effizienten Ferti-gungstechnologie signifikant gesenktwerden können. Hierfür haben wireinen Mikrofluidik-Baukasten realisiert,der verschiedene mikrofluidische Kom-ponenten enthält. Deren Handhabungwird mittels eines Adapterrahmensermöglicht, der zu Standard-Labor-equipment kompatibel ist und ausKunststoff besteht, um diesen auch zuvertretbaren Kosten fertigen zu können.

Obwohl mikrofluidische Systeme imakademischen Bereich seit über zehnJahren entwickelt und genutzt werdenund eine wachsende Zahl von Kompo-nenten und Systemen erhältlich ist,zeigt ein Blick in das biochemischeLabor sowohl in der Industrie als auchin Universitäten: Das konventionelleAnalyse- und Syntheseequipment, voneinfachen Pipetten bis zum komplexenRobotik-Equipment, dominiert denLaboralltag fast vollständig. Der Grundfür dieses verhaltene Nutzen miniaturi-sierter Systeme im Laboralltag ist viel-fältig. Neben der allgemeinenUnterschätzung der notwendigen Zeitfür innovative – vom Althergebrachtenweit abweichende – Technologien sichin etablierten Märkten zu positionieren,

ist der Wettbewerb mit standardisier-ten, gegeneinander austauschbarenmakroskopischen Systemen mit einerVielzahl etablierter Verfahren die größte Herausforderung für die breiteAkzeptanz mikrofluidischer Systeme.Zudem handelt es sich bei diesenneuen Lösungen i. d. R. um Insellösun-gen, die auf den spezifischen Anwen-dungsfall zugeschnitten sind und vonkleinen Unternehmen angeboten werden. Da dieses Problem in den letz-ten Jahren zunehmend erkannt wurde,haben einige Initiativen nicht nur dieErhöhung der verfügbaren Anzahlmikrofluidischer Komponenten zumZiel, sondern insbesondere auch dieAdaptation an existierende (Semi-)Standards und Schnittstellen.

Anpassung an Standards

Hierfür sind insbesondere dreiKonzepte die Basis:• die Außenabmessungen der mikro-

fluidischen Komponenten• die Handhabung der Komponenten• die fluidischen Schnittstellen der

Komponenten.

Um die mikrofluidischen Komponentenmit Standard-Laborequipment hand-haben und sie einfach miteinander undder Makrowelt verbinden zu können,wurden die Außenabmessungen auf75,5 mm x 25,5 mm festgelegt. DieseGröße entspricht dem Objektträger-format und ist sowohl mit der in Europa gebräuchlicheren Norm (DINISO 8037-1) als auch der in den USAverbreiteteren (ASTM E 211) kompa-tibel. Der Abstand der fluidischenSchnittstellen ist über das Rastermaßeiner 384er Titerplatte definiert, d. h.den Well-Abstand von 4,5 mm. Damitließen sich 16 Reihen mit fünf Schnitt-punkten pro Reihe auf einem Objekt-trägerformat anordnen.

Der Mikrofluidik-Baukasten – Konzepte für die Standardisierung und fluidische Schnittstellen

Claudia Gärtner1, Oliver Rötting2

1 Applikationszentrum Mikrotechnik Jena im Fraunhofer IOF2 microfluidic ChipShop GmbH, Jena


Claudia Gärtner


Standard in the Life Sciences

For a wide application of microfluidiccomponents in Life Sciences, in parti-cular in the SME dominated biotechno-logy field, it is absolutely necessary tohave an available set of different components such as mixers, separationdevices, optical inspection devices,nanotiterplates etc. which can be combined with each other, have a stan-dardized fluidic interface and can behandled easily. Another issue are thecosts, which can be significantly cutdue to available standardized compo-nents and an efficient production tech-nology. Therefore we have created amicrofluidic tool box that comprisesdifferent microfluidic components,which can be handled in an adapterframe that in turn fits in the standardLife Sciences laboratory equipment,and which is made from polymers so itcan be offered at an affordable price.

Despite the fact that microfluidic devi-ces have been around in the academicworld for more than a decade now and an increasing number of devicesand systems have been commercially available for several years, a visit to any industrial or academic biochemicallaboratory will show a lasting dominance of conventional analytical/synthesis equipment, from simplepipettes to complex robotic equipment.

The reasons for this slow diffusion ofminiaturization technologies into thedaily laboratory routine are manifold:one being the general underestimationof the time it takes for novel disruptivetechnologies to penetrate establishedmarkets. However the biggest hurdleon the road to market success formicrofluidic systems is the competitionbetween standardised interchangeablemacroscopic equipment, together witha large number of proven recipes forthe users and mostly insular solutions

provided on a case-to-case basis bygenerally small or medium sized provi-ders. In recognition of this problem,several initiatives and activities over the past few years have focussed onleveraging the increasing number ofavailable microfluidic systems by applying existing (semi)standards andinterfaces.

Adaption of Standards

Three main aspects have had to bekept in mind:• the overall size of the microfluidic

components• the handling of the components• the fluidic interfaces of the

components.

To be able to handle the microfluidiccomponents with one standardizedhandling device and to be able to easilyconnect the microfluidic componentswith each other and the outer world,the outer geometry was defined as75.5 mm x 25.5 mm, the size of a con-ventional microscopy slide that also fitswith the standards that are more common in Europe (DIN ISO 8037-1), as well as the one used in the US(ASTM E 211). The spacings of the fluidic interfaces were defined as thoseof a 384 well plate, namely a well spacing of 4.5 mm. This would allow16 rows with 5 spots per rows.


The microfluidic toolbox – Standardization Concepts and Fluidic Interfaces

Claudia Gärtner1, Oliver Rötting2

1 Applikationszentrum Mikrotechnik Jena in the Fraunhofer IOF2 microfluidic ChipShop GmbH, Jena

Oliver Rötting


Für die fluidischen Schnittstellen sinddie erste und fünfte Spalte vorgesehenund nur 14 Reihen werden hierfürgenutzt. Die erste und letzte Reihe sindfür eine Integration z. B. von elektri-schen Funktionen vorgesehen. DiesesKonzept wird in Abb. 1 verdeutlicht.Für den Fall, dass größere Strukturenbenötigt werden, können die Abmaßedes Objektträgers verdoppelt werden,und die Chips sind weiterhin für dasHandlingkonzept einsatzfähig.

Für die Handhabung der Komponentenkönnen Adapterrahmen genutzt werden, die dem SBS-Titerplatten-Standard entsprechen. Durch die Nut-zung des Objektträgerformats für diemikrofluidischen Komponenten kannein Adapterrahmen von Tecan für daseinfache Handling genutzt werden, s. Abb. 2. Dieser Adapterrahmen siehtallerdings keine Verbindung der Chipsuntereinander und mit der Außenweltvor, so dass externe Fluidanschlüssegenutzt werden müssen.

Chip-to-Chip & Chip-to-World

Um eine Chip-to-Chip und Chip-to-World-Verbindung zu realisieren, wurdeein anderer Ansatz gewählt, s. Abb. 3,der über den Rahmen eine Verbindungder Chips miteinander und zur Makro-welt ermöglicht. Die Befüllung dermikrofluidischen Komponenten kannüber diesen Rahmen z. B. mittels Mehr-kanalpipette oder Pipettierrobotererfolgen, so dass die gängigen Auto-matisierungsprozesse möglich sind.Durch eine Fixierung der mikrofluidi-schen Chips im Adapterrahmen kanndas System frei bewegt werden undauch ein Drehen des Rahmens für eineNutzung im inversen Mikroskop istmöglich.

Um mikrofluidische Produkte in dietägliche Laborroutine zu überführen,ist als dritter Punkt die fluidischeAnschlusstechnik zu lösen. Zwei Kate-gorien mikrofluidischer Anschlüsse sindfür die Mikrofluidik relevant: Die erste– und einfacher zu lösende – Anforde-rung ist, wenn größere Volumen ein-gesetzt werden und Totvolumina keinProblem darstellen. Die zweite Kate-gorie sind fluidische Schnittstellen mitgeringem oder keinem Totvolumen. Im ersten Fall sind für Anwendungen inden Life Sciences Luer- und Luer Lok-Anschlüsse der weit verbreitete Standard. Für große Stückzahlen müs-sen diese Anschlüsse direkt in den Chipintegriert sein, s. Abb. 4. Da die direkteIntegration der Anschlüsse nur für die Serienfertigung sinnvoll ist, wurdenLuer- und Luer Lok-kompatibleAnschlüsse mit einem Kleberand reali-siert, die schnell, einfach und sicher zumontieren sind, s. Abb. 5. DieseAnschlüsse wurden passend z. B. zuden gängigen Spritzen hergestellt undkommen bei Anwendungen zum Ein-satz, bei denen Totvolumina nichtstörend und auch nicht vermeidbarsind. Für ein minimiertes Totvolumenwird ein entsprechendes Gegenstückpassend zu diesem Anschluss realisiert,das das Totvolumen minimiert.

Die umgesetzten Lösungen für diegeschilderten Probleme stellen einenSchritt zur Kommerzialisierung mikro-fluidischer Produkte dar. Die nächsteAufgabe ist die Übertragung von mehrund mehr Anwendungen auf Lab-on-a-Chip-Komponenten.

Der Mikrofluidik-Baukasten – Konzepte für die Standardisierung und fluidische Schnittstellen


Abb. 1: Konzept für die Anordnung der Mikrofluidik-Strukturen: Bereich für die Mikrostrukturierungund die fluidischen Schnittstellen für die Chip-to-Chip- und Chip-Makrowelt-Kopplung.

Fig. 1: Concept for the arrangement of microfluidicstructures: Area for micro-structuring and fluidicinterfaces for chip-to-chip or chip-to-macro-world connection.


For the fluidic interface the first andfifth (last) column were defined, whereas only 14 rows are used. Thefirst and last rows are defined for apossible integration of for exampleelectric elements. This concept isshown in fig. 1. In case larger structu-res are needed, the outer dimensionsof the slide can be doubled and so willstill fit the handling equipment.

For the handling of the components,adapter frames can be used which areadapted to the SBS standard for titer-plates. Due to the application of theslide format the adapter frame fromTecan can be used for the handling ofthe microfluidic chips, see fig. 2. Thistiterplate frame does not allow the fluidic interconnection of the chipswith each other or the outer world.With this frame external fluidic fittingshave to be used.

Chip-to-chip & Chip-to-world

Another approach was chosen whichalso uses the SBS titerplate standard,but includes fluidic interfaces for chip-to-chip and chip-to-world-coupling,see fig. 3. To fill this chip, multipipettesor pipetting robots can, for example,be used so that automation is possible.Due to the fixation of the chips insidethe frame, the system can be used inany orientation such as that requiredfor inverse microscopes.

The fluidic interface was the third issueto be solved in bringing microfluidiccomponents into daily laboratory life.In microfluidics two categories for thefluidic fittings have to be kept in mind:the first – and easier to solve – application is when bigger volumes areapplied and dead volumes are not theissue, the second concerns fluidic inter-faces with minimized or no dead volume. In the first case, for life scienceapplications Luer and Luer-Lok fittings

are the widely accepted standard. Formass products the fittings have to bedirectly integrated, see fig. 4. Since thedirect integration of fittings only makessense for volume production, Luer- andLuer-Lok compatible fittings with agluing edge have been produced whichcan be assembled fast, simply and safely, see fig. 5.

These fittings are compatible with standard syringes where dead volumesare not the issue – and cannot be avoided – and for minimized deadvolume where the counterpart fits intothese fittings and minimizes the deadvolume.

The solutions realized for the issuementioned above will be a steptowards the commercialization ofmicrofluidic components. The next taskwill be to integrate more and moreapplications on lab-on-a-chip devices.

The microfluidic toolbox – Standardization Concepts and Fluidic Interfaces


Abb. 2: Mikrofluidische Module in Trägerrahmen, Rahmen: Tecan.

Fig. 2: Microfluidic modules in carrier frame,Frame: Tecan.

Abb. 3: Trägerrahmen mit integrierten fluidischenSchnittstellen, Quelle: microfluidic ChipShop.

Fig. 3: Carrier frame with integrated fluidic interconnects, Source: microfluidic ChipShop.

Ább. 4: Mischer mit integrierten Luer Loks,Quelle: microfluidic ChipShop.

Fig. 4: Mixer chip with integrated Luer Loks,Source: microfluidic ChipShop.

Abb. 5: Luer- und Luer Lok-kompatible Anschlüsse für eine einfache Montage auf Lab-on-a-Chip-Systemen.

Fig. 5: Luer and Luer Lok compatible fittings for easyassembly on lab-on-a-chip-systems.


Problemstellung

Die Entwicklungen in der Nanotechnikstellen die quantitative Charakterisie-rung (Metrologie) von Oberflächen-strukturen vor neuartige Herausforde-rungen. Die für Mikrostrukturen etablierten Verfahren und klar definier-ten Charakterisierungsmerkmale lassensich nur sehr begrenzt durch einfachesHerunterskalieren in den Nanometer-bereich übertragen.

In den vergangenen Jahren wurde ins-besondere die Rasterkraftmikroskopie(Scanning Force Microscopy – SFM) zurUntersuchung der Nanotopografie vonOberflächen und Schichten zunehmendetabliert. Hier werden bislang vor-wiegend die rein qualitativen Informa-tionen der SFM-Bilder und die aus derMikrometrologie formal übernomme-nen Rauheitsparameter genutzt.

Weitreichende Perspektiven für eineadäquatere Beschreibung von Nano-strukturen bieten dagegen Leistungs-spektraldichte-Funktionen (PSD – PowerSpectral Density), da erst auf der Basissolcher Funktionen die notwendigenInformationen über die laterale Ver-teilung der einzelnen Strukturanteile gewonnen werden können. Diese Verteilung ist aber von essentiellerBedeutung für die funktionale Wirkung.

Die PSD ist wie folgt definiert:

wobei fx, fy die Ortsfrequenzen eineszweidimensionalen Oberflächenprofilsh(x,y), definiert über eine quadratischeFläche der Seitenlänge L, bedeuten.

Im Folgenden sind dazu beispielhaftErgebnisse unserer Untersuchungen fürverschiedene Anwendungen darge-stellt. Die SFM-Messungen werden miteinem Rasterkraftmikroskop D 3100(Fa. VEECO) im Tapping Mode unterVerwendung von einkristallinen Si-Spitzen (Fa. Nanosensors) mit Nomi-nalradien von 10 nm durchgeführt. Fürdie PSD-Analyse werden am IOF ent-wickelte Programme eingesetzt /1/.

Beispiele

Abb. 1a zeigt die SFM-Aufnahme eineram IOM Leipzig durch Ionenstrahlätzenvon InP erzeugten Nanostruktur, derenhoher Ordnungsgrad und lateraleDimension quantitativ durch den Peakin der PSD-Funktion (Abb. 1b) erfasstwerden.

Metrologie für die Nanotechnik

Marcel Flemming, Annette Hultaker, Angela Duparré


Marcel Flemming

PSD (fx , fy) = lim1

L2

L

0

L

0

h (x, y) e – j2 (fxx + fyy) dxdy

2

L

Abb. 1a: SFM-Aufnahme der Oberflächenstruktur von ionenstrahlgeätztem InP.

Fig. 1a:SFM image of the surface structure of ion beam etched InP.

Abb. 1b: PSD-Funktion der Oberflächenstruktur aus Abb. 1a.

Fig. 1b:PSD function corresponding to the surface structure of Fig. 1a.


The problem

Today’s rapidly developing nanotechno-logies result in novel challenges for thequantitative characterization of surfacestructures. The measurement tech-niques and well-defined features usedin the characterization process, whichhave been well established for micro-structures, cannot a priori be extendedto the nanometer range by a simpledownscaling.

During the past decade, ScanningForce Microscopy (SFM) has becomeincreasingly used to investigate thenano-topography of surfaces and thin films. However, the SFM dataevaluation has been restricted mainlyto qualitative image information andthe estimation of simple roughnessparameters as formally defined formicro-roughness.

The appropriate description of nano-structures can be accomplishedthrough Power Spectral Densities(PSD). These functions provide other-wise missing information about thelateral distribution of the individualroughness components. In many cur-rent applications, it is just this distribu-tion that crucially affects the desiredsurface functionality.

The PSD is defined as:

where fx, fy are the spatial frequenciesof the two-dimensional surface profileh (x, y) defined for a square area withside length L.

We present several examples of resultsfor various applications. The SFM measurements were performed with ascanning force microscope D3100from VEECO in the Tapping Mode.Single crystalline Si tips (NanosensorsInc.) with a 10 nm nominal radius wereused. For PSD analysis we employedsoftware tools developed at the IOF /1/.

Examples

Fig. 1a shows the SFM image of anano-structure that was ion-beametched into InP at the Institute of Surface Modification (IOM) in Leipzig.The character and dimension of thishighly ordered nano-structure arequantitatively represented by the peakof the PSD function (Fig. 1b).


Metrology for Nanotechnologies

Marcel Flemming, Annette Hultaker, Angela Duparré

Annette Hultaker

Angela Duparré

PSD (fx , fy) = lim1

L2

L

0

L

0

h (x, y) e – j2 (fxx + fyy) dxdy

2

L


Ein neuartiger Ansatz zur Erzeugungultra-hydrophober Oberflächen (Abb.2)mit optischer Qualität basiert auf statistischen Nanorauheiten von Beschichtungen /2/. Diese Arbeitenwerden im BMBF-Verbundprojekt„Nanophob” (OD2001_018) gefördert.Die gezielte Einstellung optimaler Rauheiten erfordert Rauheitsanalysenübereinen ausgedehnten Ortsfrequenz-bereich, wobei Anteile bei hohen Orts-frequenzen wegen der Unwirksamkeitfür die optische Streuung bei gleich-zeitig starker Wirkung für den funk-tionalen Effekt besonders bedeutsamsind.

In Abb. 3a sind die Oberflächen ge-sputterter ZrO2-Schichten zu sehen. DieStruktur der rauheren Schicht (Abb. 3a,rechts) führt zu PSD-Werten (Abb. 3b),die den Effekt echter Ultrahydrophobiebei tolerabler Lichtstreuung vorher-bestimmen lassen. Tatsächlich liefertdiese Nanorauheit (zusammen miteiner hydrophoben Monolagen-Deck-schicht) einen hohen Wasserrand-winkel von > 150° und Streulichtwertekleiner 0,2 % /2/.

Abb. 4a zeigt Ergebnisse von Rauheits-analysen an Substraten und Beschich-tungen für den EUV-Bereich (ExtremeUltra Violet). In diesem Bereich müssendie Substrate zwingend eine Superpoli-tur besitzen und dürfen nach Beschich-tung nur geringe Rauheitserhöhungenim Subnanometer-Bereich aufweisen.

Im Beispiel sind die SFM-Aufnahmender Oberfläche eines superpolierten Si-Wafers (Abb. 4a, links) sowie einesSc/Si- (Abb. 4a, Mitte) und eines Mo/Si-Vielschichtsystems (Abb. 4a, rechts) auf Si zu sehen. Die SFM-Bilder ver-schaffen einen qualitativen Eindruck,die rms-Rauheitsparameter einenquantitativen Fingerprint. Die adäqua-tere Metrologie wird wiederum durchdie PSDs (Abb. 4b) erzielt. Diese ver-deutlichen, dass die Rauheitserhöhun-gen von den beiden Systemen durchBeiträge in unterschiedlichen Orts-frequenzbereichen hervorgerufen werden.



Abb. 2: Wassertropfen auf einer ultra-hydrophoben Oberfläche.

Fig. 2: Water drop on an ultra-hydrophobic surface.

Abb. 3a: SFM-Aufnahme der Oberflächenstruktur von gesputterten ZrO2-Schichtenmit unterschiedlicher Rauheit (Höhenscala linkes Bild: 5 nm; rechtes Bild: 80 nm).

Fig. 3a:SFM image of the surface structure of sputtered ZrO2 coatings with different roughness (height scale left image: 5 nm; right image: 80 nm)..

Abb. 3b: PSD-Funktionen und Wasserrandwinkel derOberflächenstrukturen aus Abb. 3a.

Fig. 3b:PSD functions and water contact angles corre-sponding to the surface structures of Fig. 3a.


A novel approach to achieve ultra-hydrophobic surfaces (see Fig. 2) withoptical quality utilizes statistical nano-roughness of coatings /2/. This work is currently being supported by theBMBF in the joint project „Nanophob”(OD2001_018). Proper control of optimum roughness requires that theroughness analysis be extended over awide spatial frequency range. Particu-larly important is high spatial frequencyroughness, as this does not induceoptical scatter although significantlycontributing to the desired functionaleffect.

Fig. 3a displays the surfaces of sputte-red ZrO2 layers. The rougher film struc-ture (Fig. 3a, right) results in PSD values (Fig. 3b) that suggest real ultra-hydro-phobicity and tolerable light scatter.This nano-roughness (together with ahydrophobic monolayer on top) in factprovided a high water contact angle of> 150° and light scatter < 0.2 % /2/.

A roughness analysis on substrates and thin film coatings for the EUV(Extreme Ultra Violet) range are shownin Fig. 4a. In the EUV range, substratesmust be super-polished, and only aslight roughness increase in the sub-nanometer range is permitted aftercoating.

Examples of SFM images are given inFig. 4 for the surfaces of a super-polis-hed Si-wafer (4a, left) as well as anSc/Si multilayer (4a, middle) and anMo/Si multilayer (4a, right) depositedonto Si. The SFM images provide a qualitative impression and the rms-roughness a quantitative fingerprint.The more appropriate metrology however, is again achieved through the PSD functions (Fig. 4b). Only thePSDs clarify that for the two systems,the increased roughness is caused by contributions from different spatial frequency ranges.



Abb. 4a:SFM-Aufnahmen der Oberflächenstruktur eines superpolierten Si-Wafers (links; Höhenscala: 1 nm; rms: 0,08 nm), eines Sc/Si-Vielschichtsystems (Mitte; Höhenscala: 2 nm; rms: 0,19 nm) und eines Mo/Si-Vielschichtsystems (rechts; Höhenscala: 3 nm; rms: 0,40 nm) auf Si-Wafer.

Fig. 4a:SFM images of the surface structure of a super polished Si wafer (left image; height scale: 1 nm, rms: 0.08 nm), a Sc/Si multilayer system (central image; height scale: 2 nm; rms: 0.19 nm), and a Mo/Si multilayer system (right image; height scale: 3 nm; rms. 0.40 nm) on Si wafer.

Abb. 4b:PSD-Funktionen der Oberflächenstrukturen aus Abb. 4a.

Fig. 4b:PSD functions corresponding to the surfacestructures of Fig. 4a.


Untersuchungsgegenstand

Weitere Ergebnisse unserer bisherigenUntersuchungen zeigen, dass beimÜbergang zu hohen Ortsfrequenzen ( ≥ 100 µm-1 bzw. laterale Dimensionen≤ 10 nm), trotz bereits durchführbarerMessungen (s. Abb. 3), beim derzei-tigen internationalen Stand der Techniknoch fundamentale Unklarheiten überMöglichkeiten und Grenzen sinnvollerMessungen und physikalisch saubererInterpretation bestehen. In vielenAnwendungen der Nanotechnologiekönnen Strukturen aber durch Rauheits-anteile mit Ortsfrequenzen im Bereich100 µm-1–1000 µm-1 die Eigenschaftender Oberfläche wesentlich beeinflussen.Deshalb sind systematische experimen-tell-empirische und messtheoretischeUntersuchungen auf der Basis von SFMin Arbeit, die Einflüsse der Messabläufe,Messspitzen und Auswertetechnikunter diesem Aspekt näher unter-suchen. Dabei soll u. a. geklärt werden,welche Aussagen die Charakterisierunglateraler Strukturdimensionen liefert,wenn diese im Bereich der Messspit-zenausdehnung und darunter liegen.

Als Basis dafür wurde, gestützt auf diebisherigen Ergebnisse, eine erste Fall-unterscheidung vorgenommen:• Messspitze sehr klein gegenüber

der niedrigsten zu erfassendenOrtswellenlänge:„getreue Profil-wiedergabe”, Auflösung derStrukturanteile ist gegeben.

• Messspitze ~> Ortswellenlänge:tatsächliche Auflösung im strengenSinne nicht mehr gegeben: „modifizierte Profilwiedergabe”.Die Rauheitsanalyse enthält aberInformationen über die Nano-strukturen, die für die Anwendun-gen relevant sind.

• Messspitze sehr groß gegenüberder Ortswellenlänge: Die Rauheits-analyse enthält keine verwertbarenInformationen mehr.

Weiterhin wird das Problem der Kali-brierung von SFM-Messungen im Nanometerbereich untersucht und inder Mitarbeit im VDI/VDE/GMA Fach-ausschuss 3.41/43 „geometrischeMessgrößen und Kalibrierung” voran-getrieben.

Außer der Rasterkraftmikroskopie, dieOberflächen lokal bis in Bereiche vonca. 100 x 100 µm2 erfasst, setzen wirfür die Nanometrologie weitere Ver-fahren ein, die größere Messbereicheüberdecken und sich mit ihren unter-schiedlichen Leistungsparametern idealmit SFM kombinieren lassen. Dasbetrifft insbesondere die Streulichtmes-sung, Weißlichtinterferometrie (WLI)und konfokale Mikroskopie (LSM).Abb. 5 ordnet einige der Verfahrenzusammen mit SFM hinsichtlich verti-kaler und lateraler Auflösung ein. DieAnordnungen zur Streulichtmessungsind in /3/ und in einem im Beitrag imgleichen Heft /4/ beschrieben.

Literatur:/1/ Duparré, A.; Ferré-Borrull, J.; Gliech, S.;

Notni, G.; Bennett, J. M.: „Surface charac-terization techniques for determining rmsroughness and power spectral densities ofoptical components”, Applied Optics 41(2002) 154–171.

/2/ Flemming, M.; Hultaker, A.; Reihs, K.;Duparré, A.: „Modelling and characteri-zation of thin film nanostructures for ultra-hydrophobic surfaces with controlled opticalscatter”, Proc. SPIE 5250 (2003), im Druck.

/3/ Duparré, A: „Untersuchungen der Mikro-und Nanorauheit von Oberflächen durchStreulichtmessung”, VDI-Berichte 1669(2003) 43–50.

/4/ Gliech, S.; Benkert, N.; Duparré, A.: „High-sensitivity light scattering analysis ofoptical components from the VUV to IR”, Jahresbericht Fraunhofer IOF 2003, S. 74–79.




Research topic

Even though some measurements havealready been performed at very highspatial frequencies (≥ 100 µm-1, or lateral dimensions ≤ 10 nm), see Fig. 3,our investigations reveal that the current state-of-the-art is fundamen-tally lacking in knowledge regardingthe capabilities and limits of usefulmeasurements and clear interpretationwithin this region. However for a large variety of nanotechnology applications, roughness structures atspatial frequencies from 100 µm-1 to1000 µm-1 can significantly affect sur-face properties. Therefore, we performsystematic experimental/empirical andmethodical theoretical work on thebasis of SFM to study the influence ofthe measurement procedures, tips, and data evaluation within this criticalroughness range. One of the main questions to be answered is: What kind of information does the charac-terization of lateral dimensions provideif these dimensions are of the order ofmagnitude of the tip size or smaller.

On the basis of results obtained untilnow our first approach defines the following categories:• Tip size very small as compared with

lowest spatial wavelength to beregistered: „true representation ofroughness profile”, resolution ofthe surface structures.

• Tip size ~> spatial wavelength: resolution in the strict sense notpossible:„modified profile representation”.However, the roughness analysiscontains nano-structural infor-mation that is relevant for the applications.

• Tip size very large as compared withspatial wavelength: roughness ana-lysis contains no useful information.

In addition, the calibration problem ofSFM measurements in the nanometerrange is being investigated and promo-ted through activities in the VDI/VDE/GMA Committee 3.41/43 „geometricparameters and calibration”.

Besides Scanning Force Microscopythat measures surfaces areas up to ~ 100 x 100 µm2, we employ measure-ment techniques for nano-metrologywhich cover large surface areas andideally compliment SFM. In particular,

light scattering techniques, white lightinterferometry and confocal micros-copy are used. In the diagram in Fig. 5,some of these techniques togetherwith SFM are depicted with respect tovertical and lateral resolution. Theequipment used for light scatteringmeasurement is described in detail in/3/ and in another paper of this annualreport /4/.

References:/1/ Duparré, A.; Ferré-Borrull, J.; Gliech, S.;

Notni, G.; Bennett, J. M.: „Surface charac-terization techniques for determining rmsroughness and power spectral densities ofoptical components”, Applied Optics 41(2002) 154–171.

/2/ Flemming, M.; Hultaker, A.; Reihs, K.;Duparré, A.: „Modelling and characteri-zation of thin film nanostructures for ultra-hydrophobic surfaces with controlled opticalscatter”, Proc. SPIE 5250 (2003), im Druck.

/3/ Duparré, A: „Untersuchungen der Mikro-und Nanorauheit von Oberflächen durchStreulichtmessung”, VDI-Berichte 1669(2003) 43–50.

/4/ Gliech, S.; Benkert, N.; Duparré, A.: „High-sensitivity light scattering analysis ofoptical components from the VUV to IR”, Jahresbericht Fraunhofer IOF 2003, S. 74–79.



Abb. 5:Vertikale und laterale Auflösung verschiedener Nanometrologie-Verfahren (SFM, WLI, Streulichtmessung).

Fig. 5:Resolution (vertical and lateral)of different Nanometrology methods (SFM, WLI, Scatter measurement).


1. Einleitung

Die Digitalisierung von Modellen unddie durchgängige Fertigungskontrollesind wichtige Teile der modernen indus-triellen Produktentstehung. Generellmüssen bei solchen Messungen sehrhohe Anforderungen an die vollstän-dige Erfassung der Objekte (multi-view)gestellt werden. Man muss deshalbMessstrategien entwickeln, die kom-plexe Messobjekte vollständig erfassen.

Für die Realisierung der Rundumver-messung wurde in den letzten Jahrenvom IOF die Methodik der selbstkali-brierenden Streifenprojektion – diePhasogrammetrie – entwickelt /1/, /2/.

2. Phasogrammetrie

Die Methode der Phasogrammetriestellt die mathematisch geschlosseneVerschmelzung der Methodik derPhotogrammetrie mit denen der aktivenMusterprojektion dar. Das Grund-prinzip der Phasogrammetrie bestehtdarin, dass von mindestens zwei unter-schiedlichen Positionen jeweils zweiSerien von Mustersequenzen (z. B.Gray-Code-Sequenzen in Verbindungmit phasenverschobenen Gitterlinien)auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, wobei die zweiteSerie um einen Winkel von 90° zurersten Serie verdreht ist und diebildaufzeichnende Kamera ortsfest inBezug zum Objekt verbleibt. Damitwird jeder Objektpunkt durch mindes-tens vier Phasenwerte signalisiert. Dieam Objektpunkt P gemessenen Phasenwerte δx

(i) und δy(i) und ihre

zugehörigen Projektionszentren Op(i)

definieren räumliche Strahlenbündel,die wie die Strahlenbündel der Photo-grammetrie zur Koordinatenberech-nung genutzt werden (siehe Abb. 1).

Flexible Phasogrammetrie – eine neue Methodik zur 3-D-Rundumvermessung

Peter Kühmstedt, Matthias Heinze, Michael Himmelreich, Gunther Notni


Peter Kühmstedt

Abb. 1: Geometrisches Modell der Phasogrammetrie.

Fig. 1: Geometric model of phasogrammetry.


1. Introduction

Digitization of models and continuousproduction control are importantaspects of modern industrial productdevelopment. The development ofappropriate industrial strategies gene-rally requires highly accurate measure-ments, which encompass a completeregistration of the object (multi-view)in question.

The provision of a suitable measuringstrategy has led to the recent develop-ment of a methodology called phaso-grammetry /1/, /2/ at Fraunhofer IOF,Jena in which whole body measure-ment is achieved by self-calibratingfringe projection.

2. Phasogrammetry

Phasogrammetry means the combina-tion of photogrammetry and activefringe projection in closed mathe-matical form. The basic principle ofphasogrammetry includes the projec-tion of at least two different positions,each one including two series of pattern sequences (e.g. Gray-Code-sequences in combination with phase-delayed grid lines) onto theobject being measured, the secondseries being rotated 90° with respect tothe first one. The recording cameraremains in the same position relative tothe object. Every spot on the object istherefore characterized by at least fourphase values. The phase values δx

(i)

and δy(i) on the object spot P and its

associated projection centers Op(i)

define a spatial bundle of rays, similarto those of photogrammetry, whichcan be used to calculate the coordina-tes (see fig. 1).


Flexible phasogrammetry – a new method for whole body 3-D measurement

Peter Kühmstedt, Matthias Heinze, Michael Himmelreich, Gunther Notni

Matthias Heinze

Michael Himmelreich

Gunther Notni


3. Flexible phasogrammetrische Systeme

Grundvoraussetzung bisheriger phaso-grammetrischer Systeme (siehe Abb. 2)ist, dass alle Kameras ortsfest in Bezugzum Objekt sein müssen. Damit ist die Anzahl der Objektansichtenbeschränkt auf die Anzahl der einge-setzten Kameras /2/. Es ist aber nichtimmer sinnvoll (Kosten), die Kamera-anzahl zu erhöhen.

3.1 MessablaufIn seiner Grundanordnung besteht dasneuartige flexible phasogrammetrischeMesssystem nur noch aus einem Sensor-kopf, welcher eine Messkamera Kp undeinen Streifenprojektor enthält, sowieeiner weiteren Kamera, der so genann-ten Kalibrierkamera Km.

Im Messablauf wird das Objekt nach-einander aus unterschiedlichen Richtungen mit den aus der Phaso-grammetrie bekannten Mustersequen-zen beleuchtet. Sowohl die starrangeordnete Kalibrierkamera als auchdie mitbewegte Messkamera zeichnensimultan die Bilder auf (Messablaufsiehe Abb. 2). Im Ergebnis erhält manneben den Phasenmesswerten der Kalibrierkamera Km aus jeder Beleuch-tungsrichtung Phasenmesswerte vonder mitbewegten Messkamera Kp. Diemitbewegte Messkamera hat jedochwährend des Messablaufes in Bezugzum Messobjekt eine Ortsänderungerfahren, was im Widerspruch zumGrundprinzip der bisherigen Phaso-grammetrie steht.

3.2 Auswertestrategie – das Prinzipder virtuellen Passmarken

Dieser Widerspruch wurde durch dasneu entwickelte Prinzip der virtuellenPassmarken gelöst /3/. Dieses beinhal-tet den folgenden dreistufigen Selbst-kalibrierprozess.

Schritt 1: Kalibrierung des Projektors PMit den Phasenwerten der stationärenKalibrierkamera Km werden die Orien-tierungsparameter des Projektors füralle Projektorpositionen N mittelsbekannter Methoden des Bündelblock-ausgleichs berechnet. Die Kalibrier-kamera als Übersichtskamera dientzum Registrieren der homologen Punkte bzw. ihre Pixel dienen als „virtuelle Passmarken”.→ Orientierungsparameter

des Projektors

Schritt 2: Kalibrierung der Messkamera Kp

Mit den Orientierungsparametern desProjektors an der Position 1 und denPhasenwerten der Messkamera an aus-gewählten Punkten werden die Orien-tierungsparameter der Messkamera Kp

an der Position 1 berechnet (freier Bündelausgleich).→ Orientierung der Messkamera

an der Position 1

Schritt 3: 3-D-KoordinatenberechnungNach dem Prinzip der klassischen Streifenprojektion können jetzt die 3-D-Koordinaten der für die Mess-kamera Kp sichtbaren Objektpunkte(Sensorposition 1) berechnet werden.→ 3-D-Koordinaten aus Position 1

Schritte 2 und 3 werden jetzt für alleweiteren N Sensorpositionen durchge-führt.

Im Endergebnis erhält man eine 3-D-Punktewolke des Objekts, gewonnenmit der Messkamera Kp aus N Sensor-positionen und aus der Beobachtungs-position der Kalibrierkamera Km ineinem Weltkoordinatensystem. DieBestimmung der Passmarken geschiehtdabei rein virtuell und automatisch.

Flexible Phasogrammetrie – eine neueMethodik zur 3-D-Rundumvermessung


Projektion von zwei um 90°gedrehten Gittersequenzen

N-fache Änderung derPosition des Sensorkopfes

Phasenberechnung für die Ansichten derMesskameras Kp und Kalibrierkamera Km

Simultaner Bildeinzug derMesskameras Kp undKalibrierkamera Km

Abb. 2: Aufnahmeprozess der flexiblen Phasogrammetrie.


3. Flexible phasogrammetric systems

The basic precondition of previous phasogrammetric systems is the fixedcamera position relative to the object(see fig. 2). Thus the number of objectviews is limited to the number of simultaneously measuring recordingcameras /2/. However, it is not alwaysjudicious to increase the number ofcameras (cost).

3.1 Measuring processIn its basic form such a flexible phaso-grammetric measuring system consistsonly of a sensor head, which itself iscomposed of a measuring camera Kp,a fringe projector and another camera,the so-called calibration camera Km.

During the measuring process, theobject is illuminated from differentdirections with previously establishedphasogrammetric pattern sequences.Both the stationary calibration cameraas well as the mobile measuring camera record the images (see fig. 2).The measured phase values of the stationary calibration camera Km aswell as the measured phase values ofthe mobile measuring camera Kp areobtained as a result. However contraryto the basic principle of phaso-grammetry to date, the measuringcamera Kp has moved.

3.2 Analyzing strategy – the principle of virtual landmarks

The contradiction of a moving cameraand the requirement for fixation hasbeen resolved by the newly developedprinciple of virtual landmarks /3/. Thisincludes the following three-step self-calibration process:

Step 1: Calibration of the projector P The orientation parameters for the projector are calculated for all projectorpositions N via well establishedmethods of bundle block adjustmentusing the phase values recorded by thestationary calibration camera Km. Thepixels of the all-round-view calibrationcamera are considered as virtual land-marks.result: orientation parameters

for the projector

Step 2: Calibration of the measuring camera Kp

Knowing the orientation parameter ofthe projector at position 1 and thephase values at selected points recor-ded by the measuring camera Kp, theorientation parameters for the measu-ring camera Kp at position 1 are calcu-lated using free bundle adjustment result: orientation of the measuring

camera at position 1

Step 3: 3-D coordinate calculationCalculation of the 3-D coordinates ofthe object points, recorded by thecamera Kp (position 1) using classicalfringe projection result: 3-D coordinates for the entire

object (from position 1)

The analyzing steps 2 and 3 may nowbe performed for the second sensorposition and afterwards stepwise foreach subsequent position.

As a result a 3-D point-cloud of theobject is acquired, which was recordedby the camera Kp from N sensor positi-ons and from the viewing position ofthe calibration camera Km. Landmarksare hereby determined virtually andautomatically.



projection of two fringesequences rotated 90 legto each other

changing of position of thesensor head n-times

phase calculation for the views of the measuringcameras Kp und and calibration camera Km

simultaneous image captureof measuring cameras Kpand calibration camera Km

Fig. 2: Measuring process of flexible phasogrammetry.


3.3 SystemrealisierungenDie Abb. 3 und 4 zeigen Realisierungs-varianten flexibler 3-D-Messanordnun-gen.

Das System in Abb. 3 leitet sich ausdem System „kolibri” (siehe /1/) ab. Esist dahingehend vereinfacht, dassweniger Kameras (hier drei gezeigt)verwendet werden. Durch die mit-bewegte Messkamera im Sensorkopfist die Anzahl der realisierbaren Objekt-ansichten vollständig frei bei gleich-zeitiger Reduktion der Messzeit.

Die Abb. 4 zeigt eine Anordnung inPortalbauweise und eine konkrete Realisierung. Der Sensorkopf kann mittels des Portals frei über dem Objektpositioniert werden, ohne spezielleGenauigkeitsanforderungen zu beach-ten. Es können großflächige komplexeObjekte in einem Messablauf erfasstwerden. Es werden z. Z. folgende Messparameter erreicht (Tab. 1):

Die Abb. 5 und 6 zeigen Messbeispieleder Vermessung großflächiger Objekte.

4. Zusammenfassung:

Das neu entwickelte Messprinzip derflexiblen Phasogrammetrie ist durchfolgende Merkmale gekennzeichnet:• Vermessung von großen komplexen

Objekten möglich.• Rundumvermessung ohne zusätz-

liche Matchingprozeduren, ohneobjektfeste oder projizierte Passmarken.

• Bewegung des Sensorkopfes: keine teuren, genauen Führungs-mittel bzw. Handlingsysteme notwendig.

• Anzahl der zu digitalisierendenObjektansichten frei wählbar.

Literatur:/1/ Schreiber, W.; Notni, G.: „Theory and arran-

gements of self-calibrating whole-bodythree-dimensional measurement systemsusing fringe projection technique”, Opt. Eng. 39/2000, S. 159–169.

/2/ Notni, G.: „360-deg shape measurementwith fringe projection – calibration andapplication”, Proc. Fringe´01 (Eds. W.Osten, W. Jüptner) Elsevier-Verlag2001, S. 311–323.

/3/ Notni, G.; Kühmstedt, P.; Heinze, M.; Himmelreich, M.: „Phasogrammetrische 3-D-Messsysteme und deren Anwendungzur Rundumvermessung”in Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3-D-Messtechnik, Hrsg. Th. Luhmann, Wichmann-Verlag(2003) S. 21–32.

Flexible Phasogrammetrie – eine neueMethodik zur 3-D-Rundumvermessung


Abb. 3: Flexibles phasogrammetrisches 3-D-Messsystem„kolibri II”.

Fig. 3: Flexible phasogrammetric 3-D measuring system„kolibri II”

Abb. 4: Flexibles phasogrammetrisches Messsystem in Portalbauweise –„kolibri – portal”.

Fig. 4: Flexible phasogrammetric measuring system in overhead style, „kolibri – portal”; photograph of a realized construction.

Tab. 1 Messparameter.

Messvolumen bis zu: 2 000 x 2000 x 1000 mm3

Messunsicherheit: < 50 µmTypische Messzeit: 2–15 min


3.3 System realizationFigures 3 und 4 show variants of theflexible 3-D measuring configurations.

The system in fig. 3 derives from thesystem „kolibri” (see /1/). It is techni-cally simplified by using only threecameras in this system. The number ofpossible object views is freed by usingthe mobile camera in the sensor head.The measuring time is simultaneouslyreduced.

Fig. 4 shows a diagram of an overheadconstruction and the actual construc-tion. The sensor head can be placedabove the object anywhere within theportal without specific requirementsfor accuracy. Even for extensive objectsdata can be acquired in one measuringprocedure. Currently, the followingparameters are achievable:

Figures 5 and 6 show examples of largesurface object measurements.

4. Summary

The newly developed measuring principle of flexible phasogrammetry ischaracterized as follows:• Measurement of large complex

objects is possible• Whole body measurement without

any additional matching proce-dures, without object fixed or projected landmarks

• Movement of the sensor head: noaccurate and expensive leading orhandling systems necessary

• Arbitrary number of digitized objectviews, may be larger than the number of cameras used

References:/1/ Schreiber, W.; Notni, G.: „Theory and arran-

gements of self-calibrating whole-bodythree-dimensional measurement systemsusing fringe projection technique”, Opt.Eng. 39 / 2000, S. 159–169.

/2/ Notni, G.: „360-deg shape measurementwith fringe projection-calibration and application”, Proc. Fringe´01 (Eds. W.Osten,W. Jüptner) Elsevier 2001, S. 311–323.

/3/ Notni, G.; Kühmstedt, P.; Heinze, M.; Himmelreich, M.: „Phasogrammetrische 3-D-Messsysteme und deren Anwendungzur Rundumvermessung”in Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3-D-Messtechnik, Hrsg. Th. Luhmann, Wichmann-Verlag(2003) S. 21–32.



Abb. 6: PKW-Sitz.

Fig. 6: car seat.

Abb. 5: Bild und 3-D-CAD-Vergleich einer PKW-Karosseriebaugruppe.

Fig. 5: Image and 3-D CAD comparison of a car body group.

Tab. 1Parameters.

Measuring volume up to: 2000 x 2000 x 1000 mm3

Measuring uncertainty: < 50 µmTypical measuring time: 2–15 min


Einleitung

Durch die steigenden Anforderungenan optische Oberflächen, Komponen-ten und Systeme gewinnen Streulicht-messanordnungen zur Analyse vonoptischen Verlusten, Rauheiten undDefekten an beschichteten und unbeschichteten Komponenten zuneh-mend an Bedeutung. Darüber hinauslassen sich winkel- und polarisationsab-hängige Transmissions- und Reflexions-verteilungen optischer Komponentenermitteln. Die Anwendungsgebiete solcher Messtechnik erstrecken sichvon der UV-Photolithographie überKommunikationstechnik, nanostruktu-rierte Oberflächen, Kamerasystem-bewertungen etc. bis hin zu technischrauhen Oberflächen und Aussagen zur„Appearance” ästhetisch anspruchs-voller Oberflächen.

Im Fraunhofer IOF Jena wurden ausdiesem Grund verschiedene Anordnun-gen zur Messung der totalen und winkelaufgelösten Streuung und dereinfallswinkelabhängigen Reflexionund Transmission in einem Wellen-längenbereich vom VUV (Vakuum Ultra-violett) bis ins IR (Infrarot) entwickelt.

Neben der Messtechnikentwicklungwurden anhand von Streulichtmodel-len Softwaretools geschaffen, die eineBewertung der Messergebnisse sowiedie Streulichtmodellierung von unbe-schichteten und beschichteten Ober-flächen ermöglichen.

Bei der Messung der totalen Streuung(TS) wird das Licht, das von einer Probein den rückwärtigen bzw. vorwärts-gerichteten Halbraum gestreut wird,integral erfasst. Die Messung der win-kelaufgelösten Streuung (ARS) liefertStreulichtverteilungen in Abhängigkeitvon Einfalls-, Streuwinkel und Polari-sationszustand. Neben der Erfassungder diffusen Streulichtverteilung (auchals BSDF – Bidirectional Scatter Distri-bution Function eingeführt) kann unterBeibehaltung der Bedingung Einfalls-winkel = Streuwinkel die spekulareKomponente der Reflexion bzw. Transmission ermittelt werden. Eine 2Θ-Messung (Streuwinkelände-rung = 2 x Einfallswinkeländerung)ermöglicht die einfallswinkelabhängigeBestimmung von Gittereffizienzen undReflexionen.

Hochauflösende Streulichtanalyse an optischen Komponenten im VUV bis IR

Stefan Gliech, Nils Benkert, Angela Duparré


Stefan Gliech


Introduction

Driven by the ever increasing require-ments for optical surfaces, componentsand systems, increasing attention ispaid to scattering techniques for theanalysis of optical losses, roughness,and defects of coated and uncoatedcomponents. Furthermore, angle- andpolarization dependent transmittanceand reflectance measurements can beperformed. The field of application forsuch measurements extends from UVphotolithography, communicationtechnology, nanostructured surfaces,camera systems etc. to rough enginee-ring surfaces and appearance evalu-ation of aesthetically demandingsurfaces.

To meet these requirements, severaltechniques have been developed at theFraunhofer IOF Jena to measure thetotal and angle resolved light scatteringand AOI (Angle Of Incidence) depen-dent reflectance and transmittance inthe VUV (Vacuum Ultra Violet) to IR(Infrared) spectral range.

Besides the measurement techniques,software tools have been developed onthe basis of scattering theories, whichenable the evaluation of measureddata as well as scatter-modeling ofuncoated and coated surfaces.

Total scatter (TS) measurements collectthe light scattered in the front or rearhemisphere. Angle resolved scatter(ARS) measurements yield the distribu-tion of scattered light as a function ofthe AOI and scatter angle and polariza-tion. In addition to measuring this scatter distribution (also referred to asBSDF – Bidirectional Scatter Distribu-tion Function), the specular componentof reflectance or transmittance can bedetermined when AOI is kept equal tothe scatter angle. A 2Θ measurement(change of scatter angle = 2 x changeof AOI) enables the AOI dependentdetermination of grating efficienciesand reflectance.


High-sensitivity light scattering analysis of opticalcomponents from the VUV to IR

Stefan Gliech, Nils Benkert, Angela Duparré

Nils Benkert

Angela Duparré


Streulichtmesstechnik

Als Beispiel zeigt die Abb. 1 die TS-Messanordnung für den VUV-Wellen-längenbereich /1/ mit der Möglichkeitdes Wechsels der Streulichterfassungs-richtung (Rückwärtsstreuung und Vor-wärtsstreuung). Diese Messanordnungunterscheidet sich von der für den UV-VIS-Wellenlängenbereich /2/ haupt-sächlich durch die Einhausung in einVakuumkammernsystem, durch die einBetrieb der Messanordnung unterVakuum, in Stickstoffatmosphäre sowieeiner Kombination von beiden möglichist. Die ARS-Messanordnung für denVUV-Wellenlängenbereich (Schema inAbb. 2) /1/ wurde als Einsatz in dieMesskammer der VUV-TS-Messan-ordnung realisiert. Somit ist es möglich,für beide im VUV betriebenen Mess-anordnungen die gleiche Strahlauf-bereitung zu verwenden.

Für die ARS-Messungen im UV-VIS-sowie IR-Wellenlängenbereich wirdeine separate Messanordnung mitDoppelgoniometer und Hexapod zurProbenpositionierung verwendet (Abb. 3) /2/.

Die TS-Messungen werden entspre-chend der vom Fraunhofer IOF mitgestalteten Norm ISO 13696 durch-geführt /3/. Für ARS-Messungen ist dieSchaffung einer internationalen Normunter Federführung des Fraunhofer IOFgeplant.

Die bei den jeweiligen Wellenlängenerreichten Untergrundsignale bzw.Dynamikbereiche für die TS- und ARS-Messung sind in den Tabellen 1 und 2zusammengefasst. Der bei der ARS-Messanordnung erreichte Dynamik-bereich bei 1064 nm wird z. Z. durchden Einsatz eines gekühlten Detektorserweitert. Der Einsatz der Wellenlänge1064 nm auch für TS-Messungen istgeplant.



Abb. 1: Schema der Messanordnung zur Erfassung dertotalen Streuung in Vorwärts- und Rückwärts-richtung bei VUV-Wellenlängen.

Fig. 1: Schematic picture of the arrangement for totalscatter measurement in the forward scatter andbackscatter directions at VUV wavelengths.

Tab. 1: Wellenlängen mit zugehörigen Dynamikbereichen bei der winkelaufgelösten Streulichtmessung.

Wellenlängen Dynamikbereich157 nm, 193 nm 10 Größenordnungen325 nm, 442 nm, 532 nm, 633 nm bis zu 12 Größenordnungen1064 nm 9 Größenordnungen

(wird z. Z. erweitert)

Tab. 2: Wellenlängen mit zugehörigen Untergrundsignalen bei der totalen Streulichtmessung.

Wellenlängen Untergrundsignal157 nm, 193 nm 1 x 10-6

248 nm, 325 nm, 532 nm, 633 nm bis zu 5 x 10-8

10,6 µm 4 x 10-6


Light scatter measurement techniques

As an example, Fig. 1 shows the TSmeasurement set-up for the VUV range/1/ with the capability of measuringforward scatter and backscatter. TheVUV- and the UV-VIS arrangementsmainly differ from one another by thevacuum chamber system for the VUVsystem, which allows operation undervacuum, in purge gas, or a combinati-on of the two. The ARS set-up for theVUV range (schematic picture in Fig. 2)/1/ can be introduced into the measu-rement chamber as another module.This enables the same beam prepara-tion system to be used for both the TSand the ARS measurements.

ARS measurements in the UV-VIS andIR spectral region are performed with aseparate system based on the doublegoniometer with a hexapod for samplepositioning, as shown in fig. 3. Moredetails can be found in /2/.

TS measurements are carried out accor-ding to the ISO standard 13696 whichwas developed with the active partici-pation of the IOF /3/. For ARS measure-ments, more detailed development of anew ISO standard is planned and shallbe coordinated by the IOF.

Tables 1 and 2 summarize the back-ground levels achieved and the dynamic ranges of the TS and ARSmeasurements, respectively. The dynamic range for ARS measurementsat 1064 nm is currently being enhancedby implementing a cooled detector.Extension of the TS set-up for 1064 nmmeasurement is also planned.

High-sensitivity light scattering analysis of optical components from the VUV to IR


Abb. 2: Schema einer Messanordnung zur Messung der winkelaufgelösten Streuung (ARS), der Transmission (T) und Reflexion (R) bei VUV-Wellenlängen.

Fig. 2: Schematic picture of the arrangement for angle resolved scatter (ARS), transmittance (T), and reflectance (R) measurements at VUV wavelengths.

Abb. 3: Doppelgoniometer mit Hexapod, Probe undDetektionssystem der ARS-Messanordnung fürden UV-IR-Wellenlängenbereich.

Fig. 3: Double goniometer with Hexapod: sample anddetection system of the ARS measurementsetup at wavelengths from UV to IR.

Tab. 1: Wavelengths with associated dynamic ranges of ARS measurements.

wavelengths dynamic range157 nm, 193 nm 10 orders of magnitude325 nm, 442 nm, 532 nm, 633 nm up to 12 orders of magnitude1064 nm 9 orders of magnitude

(currently being extended)

Tab. 2: Wavelengths with background levels of TS measurements.

wavelengths background level157 nm, 193 nm 1 x 10-6

248 nm, 325 nm, 532 nm, 633 nm up to 5 x 10-8

10.6 µm 4 x 10-6


Anwendungsbeispiele

Abb. 4. zeigt ARS-Messungen an zweiidentisch polierten CaF2-Substraten bei157 nm. In beiden Streurichtungen(Rückwärtsstreuung: Θs = –90° bis 90°,Vorwärtsstreuung: Θs = 90° bis 270°)zeigt sich deutlich die durch Volumen-streuung hervorgerufene Erhöhung desStreuniveaus des einen Substrats zudem des anderen.

In Abb. 5 sind TS-Messungen (Wellen-länge 633 nm) an einem AR-beschich-teten Glas vor und nach Reinigung zusehen. Die Messung vor der Reinigungweist eine Vielzahl von starken lokalenStreulichterhöhungen auf, die durchdie Kontamination hervorgerufen wur-den. Die Messung nach der Reinigungzeigt, dass die Anzahl und Größe derKontaminationen erheblich gesenktwerden konnte. Durch die Reinigungkonnte das Streulicht großflächig aufdas Niveau gesenkt werden, das schon bei der ungereinigten Probe anunkontaminierten Stellen vorlag.

Die totale Vorwärts- und Rückstreuungbei 193 nm eines CaF2-Substrates mitradial unterschiedlicher Polierqualitätist in Abb. 6 dargestellt. Anhand deserhöhten Streulichtniveaus ist zu sehen,dass der Mittelbereich des Substratesnicht so gut poliert wurde wie der ringförmige Bereich mit einem Durch-messer von ca. 15 mm. Die Streulich-terhöhungen in den Randbereichen beider Rückstreurichtung sind auf den Ein-fluss des Probenhalters bei der Streu-lichtmessung zurückzuführen.

Die Streulichtverteilung in Rückwärts-richtung von Dünnschichtfiltern ausder Kommunikationstechnik für denEinsatz bei 1064 nm ist in Abb. 7 dar-gestellt. Die Messungen wurden bei1064 nm jeweils unter dem Einsatzwin-kel der Komponenten durchgeführt.

Ein Vergleich zwischen der Modellie-rung und der Messung der winkel- undpolarisationsabhängigen Reflexion (2Θ-Messung) eines Si-Wafers bei 633 nm ist in Abb. 8 dargestellt. DieResultate der Modellierung und derMessung bei TE-polarisiertem Einfalls-strahl sind nahezu deckungsgleich.

Weitere Anwendungsbeispiele sind indem Beitrag von Flemming, Hultacker,Duparré „Metrologie für die Nanotech-nik” in diesem Jahresbericht und u. a.in /4/, /5/ zu finden.

Literatur:/1/ Gliech, S.; Steinert, J.; Duparré, A.: „Light-

scattering measurements of optical thin-filmcomponents at 157 nm and 193 nm”, inAppl. Opt. 41 (2002) 3224–3235.

/2/ Duparré, A.; Ferre-Borrull, J.; Gliech, S.;Notni, G.; Steinert, J. and Bennett, J.: „Surface characterization techniques fordetermining the root-mean-square roughness and power spectral densities ofoptical components”, in Appl. Opt. 41(2002) 154–171.

/3/ ISO 13696: „Optics and optical instruments:Test methods for radiation scattered by optical components”, DIN-NormenausschussNAFuO, AA O18 AK2, „Optische Kompo-nenten und Werkstoffe”, ISO-CommitteeISO/TC 172/SC 9/WG 6.

/4/ Duparré, A.: „Untersuchungen der Mikro-und Nanorauheit von Oberflächen durchStreulichtmessung”, VDI-Berichte 1669(2003) 43–50.

/5/ Gliech, S.; Gessner, H.; Hultaker, A.;Duparré, A.: „157 nm and 193 nm scatter, R and T measurement technique”, Proc. SPIE 5250 (2003) in print.



Abb. 4:ARS-Messungen bei 157 nm an CaF2-Substraten mit unterschiedlicher Volumenstreuung (farbige Kurven). Untere schwarze Kurve: Untergrundsignal bei 157 nm.

Fig. 4: ARS measurement at 157 nm of CaF2 substrateswith different volume scatter (colored curves).Lower black curve: instrument signature at 157 nm.

Abb. 5: Messung der totalen Rückstreuung bei 633 nman einem AR-beschichteten Glas vor (links) undnach (rechts) der Reinigung.

Fig. 5: TS backscatter measurement at 633 nm of anAR coated glass before (left) and after (right)surface cleaning.


Examples of application

Fig. 4 displays ARS measurements oftwo identically polished CaF2 substratesat 157 nm. In both scatter directions(backscatter: Θs = -90° to 90°, forwardscatter: Θs = 90° to 270°) one of thesubstrates reveals an enhanced scatterlevel resulting from volume scattering.

Fig. 5 shows TS measurements on con-taminated AR coated glass before andafter cleaning. A variety of local scatterpeaks occur in the measurement befo-re cleaning. These peaks are caused bycontamination. As the TS measurementafter cleaning demonstrates, the conta-mination was considerably reduced.The scatter losses were decreased overthe whole surface area to the level ofthe uncontaminated surface partsbefore cleaning.

The total forward scatter and backs-catter at 193 nm of a CaF2 substratewith radially variant polishing qualitycan be seen in Fig. 6. The higher scatter values in the central part of the

substrate reveal that this part was lesswell polished than the outer ring-shaped area. The backscatter enhance-ment close to the substrate rim is caused by stray light from the sampleholder.

Fig. 7 displays the scatter distribution(backscatter direction) of thin film filters for application at 1064 nm in telecommunication. The measurementswere carried out at 1064 nm at theangle of application of the compo-nents.

A comparison of modeling andmeasurement of the angle and pola-rization dependent reflectance (2Θ measurement) of an Si wafer at633 nm is demonstrated in Fig. 8. Thecomparison shown with TE polarizationdemonstrates very good agreement.

More application examples can befound in this annual report in the paperon „Metrology for Nanotechnologies”by Flemming, Hultaker, Duparré and in/4/, /5/.

References:/1/ Gliech, S.; Steinert, J.; Duparré, A.: „Light-

scattering measurements of optical thin-filmcomponents at 157 nm and 193 nm”, inAppl. Opt. 41 (2002) 3224–3235.

/2/ Duparré, A.; Ferre-Borrull, J.; Gliech, S.;Notni, G.; Steinert, J. and Bennett, J.: „Surface characterization techniques fordetermining the root-mean-square roughness and power spectral densities ofoptical components”, in Appl. Opt. 41(2002) 154–171.

/3/ ISO 13696: „Optics and optical instruments:Test methods for radiation scattered by optical components”, DIN-NormenausschussNAFuO, AA O18 AK2, „Optische Kompo-nenten und Werkstoffe”, ISO-CommitteeISO/TC 172/SC 9/WG 6.

/4/ Duparré, A.: „Untersuchungen der Mikro-und Nanorauheit von Oberflächen durchStreulichtmessung”, VDI-Berichte 1669(2003) 43–50.

/5/ Gliech, S.; Gessner, H.; Hultaker, A.;Duparré, A.: „157 nm and 193 nm scatter, R and T measurement technique”, Proc. SPIE 5250 (2003) in print.

High-sensitivity light scattering analysis of optical components from the VUV to IR


Abb. 6: TS-Messung bei 193 nm an einem lokal unterschiedlich polierten CaF2-Substrat(links: Rückstreuung; rechts: Vorwärtsstreuung).

Fig. 6: TS measurement at 193 nm of a locally differently polished CaF2

(left: backscatter; right: forward scatter).

Abb. 7: ARS-Messung (@ 1064 nm, Rückstreuung) anoptischen Dünnschichtkomponenten designedfür 1064 nm.

Fig. 7: ARS measurement (@ 1064 nm, backscatter) of optical thin film components designed for1064 nm.

Abb. 8: Winkelabhängige und polarisationsabhängigeReflexion eines Si-Wafers bei 633 nm. Vergleich zwischen Modellierung und Messung.

Fig. 8: Angle-resolved and polarization dependentreflectance of an Si wafer at 633 nm. A comparison between modeling and measurement.


Einleitung

Die Konzentrationsbestimmung medi-zinisch relevanter Biomoleküle oder der spezifische Nachweis pathogenerKeime bzw. deren Bestandteile ist eine wichtige Aufgabe in der medizinischen Diagnostik. Dabei gewinnen markie-rungsfrei arbeitende Analysemethodenzunehmend an Bedeutung. Eine dervielversprechendsten Methoden istdabei die Nutzung der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz /1/. Unser Ziel istdie Entwicklung eines einfach zu hand-habenden Messsystems zur schnellenund parallelen Bestimmung einergrößeren Anzahl verschiedener Para-meter in Blut oder Körperflüssigkeitenvon Patienten. Die Sensorelementesind dabei als kostengünstige Einweg-artikel ausgelegt. Mit der vorgestelltenLösung ist bei Einsatz geeigneter Fängermoleküle ebenso eine einfacheund sichere Analyse von Proben in derUmweltanalytik oder die gezielte Suchenach Verunreinigungen in der Lebens-mittelanalytik möglich.

Messmethode

Der Nachweis bzw. die Bestimmungder Konzentration der zu analysieren-den Biomoleküle mit Hilfe des Prinzipsder Oberflächen-Plasmonen-Resonanz(surface plasmon resonance, SPR)

ermöglicht einen hochsensitiven Nach-weis ohne den Einsatz zusätzlicherMarkierungen, wie z. B. mittels Fluores-zenzmoleküle (Abb. 1). Die Sensor-elemente bestehen aus einem optischtransparenten Träger, für den sich ausGründen der Kosteneffizienz Polymer-materialien wie z. B. PMMA oderTOPAS anbieten. Abb. 2 zeigt ein heißgeprägtes Element, für größereStückzahlen erfolgt die Herstellung mitSpritzguss.

Sowohl für eine justage-unkritischeoptische Kopplung mit dem Auswerte-system als auch für eine Vereinfachungdes gesamten optischen Aufbaus sindstrahlformende optische Elemente inden Träger geprägt /2/. Diese bewirkendie Fokussierung kollimiert eingestrahl-ten Lichts auf die Oberseite des Sensor-elements, auf das eine ca. 50 nm dickeGoldschicht aufgebracht ist. Der Mess-strahl, der einen Winkelbereich ober-halb der Totalreflexion ausleuchtet,regt damit SPR in der Goldschicht an.Das reflektierte Licht verlässt wiederumkollimiert das Sensorelement und wirdmit einer Kamera aufgenommen. Dieso detektierte SPR-Kurve zeigt diedirekte Abhängigkeit zwischen demWinkel des Resonanzminimums undder Massenbelegung einer nur wenige100 nm dicken Oberflächenschicht aufder Goldfläche.

Befinden sich auf der Goldschicht spezifische Rezeptormoleküle, wie z. B.Antikörper, so binden diese nach Zugabe des Analyten ihren entspre-chenden Liganden, z. B. das Antigen.Die Anzahl der besetzten Rezeptorenist dabei abhängig von der Konzentra-tion des Liganden. Der durch diese Bindungsreaktion hervorgerufene Massenzuwachs auf der Goldober-fläche führt zu der Verschiebung desResonanzminimums und wird als Mess-signal detektiert und ausgewertet. Ausihm ergibt sich die Konzentration derLigandenmoleküle im Analyten.

Miniaturisiertes markierungsfreies Detektionssystem

Bürk Schäfer, Norbert Danz, Michaela Harz


Bürk Schäfer

Abb. 1: Allgemeines Funktionsprinzip des Sensor-elementes mit einer Anordnung paralleler Messflächen.

Fig. 1: Functional principle of the sensor element withan arrangement of parallel measuring spots.


Introduction

Determining the concentration ofmedically relevant biomolecules andthe specific detection of pathogenicgerms or their parts is a major task inmedical diagnostics. For this purposethe use of marker-free detectionmethods is becoming more and moreimportant. One of the most ambitiousamong various methods is surface plasmon resonance /1/. Our goal is thedevelopment of an analysis systemwhich is simple to handle and optimizedfor a fast and parallel determination ofa significant number of different para-meters for blood or body fluids of patients. The sensor elements are designed as cost-efficient disposables.In the same way the system presentedallows for a simple and precise analysisof samples for environmental monito-ring or the specific detection of conta-mination in food supervision if suitablecapture molecules are applied.

Measuring method

The measuring principle of surfaceplasmon resonance (SPR) allows forhigh-sensitivity detection or determi-nation of the concentration of biomole-cules without the additional use ofmarker substances such as fluorescencemolecules (fig. 1). The sensor elementsare made of an optically transparentsubstrate for which cost-efficient poly-mer materials such as PMMA or TOPASare well suited. Fig. 2 shows a sensorelement made by hot embossing. Ifhigher quantities are required injectionmolding should be used.

Beam shaping optical structures, enabling an uncritical optical couplingbetween the sensor element and themeasuring unit as well as simplifyingthe entire optical set-up, are integratedinto the polymer substrate /2/.

These structures cause a collimatedincoming light beam to be focused onthe top of the sensor element, which iscoated with a gold layer of around50 nm thickness. This measuring beamilluminates an angular range above theangle of total internal reflection andexcites SPR in the gold layer. The reflec-ted light is re-collimated by the beamshaping structure and subsequentlydetected by a camera. The SPR angularreflectivity is shown in this image whereby the angle of minimum reflec-tivity depends on the mass density within a layer of a few 100 nm thick-ness near the gold surface.

If specific receptor molecules, e. g. antibodies, are immobilized on the goldsurface, they will capture its correspon-ding ligands, e.g. the antigens, afteraddition of an analyte. The number ofoccupied receptor molecules dependson the ligand concentration in the analyte. The increase in mass on thegold surface, caused by this couplingreaction results in an angular shift ofthe resonance minimum. This signal isdetected and analyzed.


Miniaturized labelfree detection system

Bürk Schäfer, Norbert Danz, Michaela Harz

Norbert Danz

Michaela Harz

Abb. 2: Sensorelement geprägt in Polymer und mit Goldmessflächenstrukturiert.

Fig. 2: Sensor element hot embossedonto polymer and patterned withgold spots.


Aufbau und Datenauswertung

Die Sensorelemente in der Größe einesObjektträgers besitzen eine lineareAnordnung von bis zu 50 Messflächen.Neben einer für Referenz und Kontroll-zwecke benötigten Anzahl an Flächenstehen ca. 40 Messflächen, die mitunterschiedlichen Rezeptormolekülenbelegt sein können, für die Analyseverschiedener Biomoleküle im Analytenzur Verfügung. Die Referenzmess-flächen dienen dabei z. B. einer Tempe-raturkompensation und damit alsErsatz für eine ansonsten notwendigeTemperaturstabilisierung des Sensor-elementes.

Weiterhin erfolgt nach einer Aufnahmedes Messsignals in TM-Polarisations-richtung eine Aufnahme des analogenBildes in TE-Polarisationsrichtung. Die-ses enthält keine SPR-Information undermöglicht damit die Normierung desMesssignals, womit sich eine deutlicheFehlerreduzierung und Erhöhung derMessgenauigkeit ergibt.

Die Erfassung der Messdaten erfolgtautomatisiert durch die Steuer- undAuswertesoftware und wird über einegraphische Benutzeroberfläche darge-stellt (Abb. 3). Nach dem Start derDatenaufnahme erfolgt die Normie-rung des Messsignals und daran anschließend die Berechnung der winkelabhängigen Intensitätsprofile fürjede Messfläche. Eine Regression dieserProfile mit dem elektrodynamischenModell des Schichtsystems liefert dieWerte für den effektiven Brechungs-index und damit die Massenbelegungder aktiven Rezeptorschicht auf jederGoldfläche. Daraus kann auf die Konzentration der entsprechendenLigandenmoleküle im Analytengeschlossen werden. Erfolgt zusätzlichdie zeitlich aufgelöste Beobachtungder Bindung, ergeben sich Aussagenüber die Reaktionskinetik und damit

die Bindungskonstanten der Reaktions-partner /3/. Eine entsprechende Bin-dungsreaktion von Immunglobulin Gan auf der Sensorfläche immobilisier-tem Protein A zeigt Abb. 4. Die Messung erfolgte an einem Sensor-element mit externer Strahlformung.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Das vorgestellte System erlaubt eineeinfache und kostengünstige Analyseeiner größeren Anzahl verschiedenerBiomoleküle, die durch die auf demSensorelement immobilisierten Fänger-moleküle bestimmt sind. In einer weiteren Entwicklung des Systems istdie Integration von Lab-on-a-Chip-Strukturen in das Sensorelementgeplant /2/. Diese würden z. B. eine Filterung größerer Partikel, gefolgt voneiner biochemischen Modifikation desAnalyten vor Beginn der Messung und direkt auf dem Sensorelementerlauben. Eine Anzahl von notwendi-gen Schritten zur Probenvorbehand-lung wäre damit in den Messablaufintegriert und würde eine sichere undschnelle Messung ermöglichen.

Literatur:/1/ Homola, J.; Yee, S. S.; Gauglitz, G.: „Surface

plasmon Resonance sensors: review”, Sensors and Actuators B54 (1999) 3–15.

/2/ Danz, N.; Schäfer, B.; Harz, M.; Büttner, A.;Schreiber, P.: „Anordnung und Verfahren zuroptischen Detektion von in Proben enthalte-nen chemischen, biochemischen Molekülenund/oder Partikeln”, Deutsche Patentan-meldung 103 24 973.7.

/3/ Green, R. J.; Frazier, R. A.; Shakesheff, K. M.,Davies, M. C.; Roberts, C. J.; Tendler, S. J. B.:„Surface plasmon resonance analysis ofdynamic biological interactions with bioma-terials“, Biomaterials 21 (2000) 1823–1835.

Miniaturisiertes markierungsfreies Detektionssystem


Abb. 3: Graphische Benutzeroberfläche zur Steuerungdes Messablaufs sowie zur Auswertung undDarstellung der Ergebnisse.

Fig. 3: Graphical user interface for system control, dataanalysis and display of the results.


Set up and data analysis

The sensor elements, which have thesize of a microscope slide, are coatedwith a linear arrangement of up to 50 measurement spots. Around 40 ofthe spots are used for the analysis ofdifferent biomolecules in the analytewhereby each spot could be coatedwith different receptor molecules. Theremaining spots are reserved for refe-rence and control measurements. Theyare used for e. g. temperature controlthereby circumventing a hardware temperature stabilization of the sensorelement, which would otherwise benecessary.

Furthermore, one image with TM-pola-rized illumination followed by oneimage with TE-polarized illumination istaken for each measurement. The TE-image contains no SPR informationand is therefore used to normalize theTM-image. This results in a defectreduction and an increase in measure-ment precision.

The measurement cycle is automatedand displayed via the graphical userinterface of the control and analysissoftware (fig. 3). After starting the dataacquisition the system normalizes thedetected SPR signal followed by a calculation of the angle-dependentintensity profiles for each measuringspot. A regression of this profiles withthe electrodynamical model of thesystem gives the effective refractionindex values of the cladding and hencethe mass density of the active receptorlayer on the gold surface. The concen-tration of the corresponding ligandmolecules in the analyte is calculatedfrom these values. Furthermore, atime-resolved observation of bindingkinetics is available thereby providinginformation about the coupling constants of the reaction partners /3/.

The binding reaction between immuno-globulin G and immobilized protein Ais shown in fig. 4. The measurementswere taken with a sensor element withexternal beam shaping.

Conclusion and outlook

The system presented allows for a simple and cost effective analysis of asignificant number of different bio-molecules by immobilizing differentspecific capture molecules on eachmeasurement spot. Furthermore, theintegration of lab-on-a-chip structuresinto the sensor element is intended infuture system development /2/. Thiswould enable e. g. an on-chip filtrationor a biochemical modification of theanalyte prior to measurement. Theintegration of required steps for sample preparation into the measure-ment system leads to an increasedsample throughput and measurementstability.

References:/1/ Homola, J.; Yee, S. S.; Gauglitz, G.: „Surface

plasmon Resonance sensors: review”, Sensors and Actuators B54 (1999) 3–15.

/2/ Danz, N.; Schäfer, B.; Harz, M.; Büttner, A.;Schreiber, P.: „Anordnung und Verfahren zuroptischen Detektion von in Proben enthalte-nen chemischen, biochemischen Molekülenund/oder Partikeln“, Deutsche Patentanmel-dung 103 24 973.7.

/3/ Green, R. J.; Frazier, R. A.; Shakesheff, K. M.;Davies, M. C.; Roberts, C. J.; Tendler, S. J. B.:„Surface plasmon resonance analysis ofdynamic biological interactions with bio-materials”, Biomaterials 21 (2000)1823–1835.

Miniaturized labelfree detection system


Abb. 4: Reaktionskinetik von humanem Immun-globulin G an immobilisiertem Protein A als Beispiel für eine biochemische Anwendung.

Fig. 4: Binding kinetics of human immunoglobulin G to immobilized protein A as an example of abiochemical application.


Einführung

Optische Sensoren weisen gegenüberelektrischen eine Reihe von Vorteilenwie z. B. Unempfindlichkeit gegenelektromagnetische Störfelder, Potenzialfreiheit und metallfreie Reali-sierbarkeit auf. Die Detektion vonSchallwellen durch optische Abtastungeiner Mikrofonmembran ist ein viel-versprechendes Einsatzfeld derartiger Sensoren. Um die erforderliche hoheEmpfindlichkeit zum Nachweis derMembranauslenkungen im sub-Mikro-meterbereich zu erzielen, werden dafürhäufig interferometrische Systeme odersinglemode Faserkoppler zur Detektioneingesetzt /1/. Problematisch ist dabeidie Verwendung von Laserdioden alsLichtquelle, die auf Grund des Oszilla-torrauschens das erzielbare Signal-Rauschverhältnis des Mikrofonsbegrenzen.

Systemdesign

Ein alternativer Ansatz mit einem konfokalen Defokussensor ermöglichtsowohl den Einsatz einer rauscharmen,lichtemittierenden Diode (LED) alsLichtquelle und die Ankopplung desSensorkopfs über Multimodefasern alsauch die Erzielung einer hinreichendenWandlungsempfindlichkeit. DiesesDesignkonzept wurde im Rahmen einesProjekts mit der Firma Sennheiser electronic entwickelt und als Labor-muster realisiert.

In Abb. 1 ist der Aufbau des Mikrofon-kopfs schematisch dargestellt. DieAbstrahlung der Sender-Multimode-faser wird von einer asphärischen Linsekollimiert und von dem nachfolgendenZylinderlinsenarray in einer Reihe vonLinienfoki auf die Mikrofonmembranabgebildet. Nach Reflexion an derMembran wird das System in umge-kehrter Richtung durchlaufen und das

Licht auf die Empfängerfaser fokus-siert. Entsprechend der aktuellen Membranauslenkung ist die Abbildungdes Sendefaserkerns auf die Empfän-gerfaser mehr oder weniger stark defokussiert und damit der Koppelgradder Anordnung von der Membran-position abhängig. Die Optimierungdes optischen Designs erfolgte mit derRaytracing-Software ZEMAX. DieAnwendbarkeit der Strahlverfolgungwurde durch den Vergleich mit Koppel-kurven, die durch Freiraum-Wellen-propagation /2/ berechnet wurden,bestätigt (Abb. 2). Das Raytracing liefert durch Vernachlässigung vonBeugungseffekten in Fokusnähe zuoptimistische Werte für den Koppel-grad, im Arbeitspunkt des Mikrofonsauf der Flanke der Koppelkurve ist abereine sehr gute Übereinstimmung beider Verfahren zu verzeichnen.

Bei der Optimierung des Designs sindu. a. folgende Randbedingungen zubeachten:• Der Luftspalt zwischen Membran

und Array sollte 0,2 mm aus akus-tischen Gründen nicht unterschrei-ten. Um dennoch eine geringeArraybrennweite und damit hoheEmpfindlichkeit zu erzielen, be-nötigt man Arrays, deren konvexeSeite zum Fokus orientiert ist. Daswiederum macht den Einsatz starkasphärischer Arrays erforderlich.

• Da die Mikrofonempfindlichkeitproportional zur numerischen Apertur des Arrays ist, ist eine mög-lichst hohe NA anzustreben. Zugroße Werte über 0,5 sind aberwegen der dann zu flachen Aus-trittswinkel aus der konvexen Linsenfläche und den damit verbun-denen Fresnelverlusten nicht sinnvoll.

Optisches Mikrofon

Peter Schreiber, Sergey Kudaev, Ralf Rosenberger, Peter Dannberg, Bernd Höfer


Peter Schreiber

Abb. 1:Optikschema des Mikrofonkopfs.

Fig. 1:Optics scheme of the microphonehead.

Source fiber(from LED)

Collimationasphere

Cylindricallens array

Receiverfiber(to photodiode)

Microphonemembrane


Introduction

Optical sensors exhibit a variety ofadvantages compared to electrical sensors, they are insensitive with respect to electromagnetic influences,metal-free and electrically isolated. Thedetection of acoustic waves throughmeasurement of optical displacementof a microphone membrane is a promising field of application for suchsensors. To achieve the high level ofsensitivity required for distance sensingof the membrane in the sub-micronrange, interferometric systems or single-mode fiber-coupling schemes areusually employed /1/. For these types ofsystems the use of laser diodes as lightsource limits the achievable signal tonoise ratio because of the oscillatornoise of the laser.

System design

An alternative approach employing aconfocal defocus sensor provides suffi-cient sensitivity and enables the use ofa less noisy light-emitting diode (LED)coupled by a multimode fiber as lightsource. This design concept was deve-loped and constructed as a laboratorydemonstrator in collaboration with thecompany Sennheiser electronic.

In Fig. 1 the set-up is shown schemati-cally. The light emitted by the trans-mitter fiber is collimated by an asphericlens and then focused by a cylindricallens array into a set of line-foci ontothe membrane. After reflection, thelight is propagated back through thesystem and is focused on the core of thereceiver fiber. According to the actualaxial position of the membrane, the

image is more or less defocused andthus the coupling efficiency of thesystem depends on the membrane displacement. The optimization of thesystem layout is carried out with theraytracing software ZEMAX. The appli-cability of raytracing is verified by acomparison of coupling curves calcula-ted by raytracing and free-space wavepropagation (Fig. 2) /2/. Raytracing failsnear focus, because in this regioneffects of diffraction control the spotsize. However at the sensor’s operatingpoint, at maximum steepness of thecurve, both calculations agree well.

For the optimization of the system the following constraints must be considered:• The air-gap between membrane

and array should not be less than0.2 mm from acoustic conside-rations. To achieve a short focalwidth of the array regardless of thatconstraint, planoconvex arrays,which have their curved side orien-ted towards the focus, are required.To realize such arrays aspheric lenssurfaces are necessary.

• Because microphone sensitivity isproportional to the numerical aperture (NA) of the array, a highNA is desirable. An array-NA excee-ding 0.5 is too large and must be avoided, because in such a caselarge ray exit angles from the curved array surface occur causingincreased Fresnel losses.


Sergey Kudaev Ralf Rosenberger

Peter Dannberg Bernd Höfer

Optical microphone

Peter Schreiber, Sergey Kudaev, Ralf Rosenberger, Peter Dannberg, Bernd Höfer

Abb. 2:Koppelgrad eines Systems mit 100 µm-Faser inAbhängigkeit von der Membranauslenkung,berechnet mittels Raytracing und Freiraum-Wellenpropagation.

Fig. 2:Coupling efficiency dependence from membra-ne displacement for a system with 100 µm-fiber,calculated by raytracing and free-space wavepropagation.


Die Erfüllung beider Bedingungenermöglicht der Einsatz von abgeform-ten Zylinderlinsenarrays, deren Masterdurch single-point diamond turning(SPDT) hergestellt wurden /3/. EinNachteil derartiger Arrays ist die prozessbedingte Krümmung der Zylin-derlenslets senkrecht zum Linsenprofil(Abb. 3). Der Einfluss dieser Krümmungund die Auswirkungen der Totzonendes Arrays auf die Sensorsteilheit wurden durch Raytracing-Simulationenuntersucht. Für die vorliegende Design-variante ist mit einer tolerierbaren Ver-schlechterung der Empfindlichkeit umnur wenige Prozent zu rechnen.

Realisierung

Ein Labormuster des optischen Mikro-fons wurde mit 200 µm-Multimode-fasern, einer Geltech-Kollimations-asphäre mit 8 mm Brennweite undeinem asphärischen Zylinderlinsenarraymit Brennweite 0,2 mm und pitch 0,15 mm, entsprechend einer NA von0,35, aufgebaut (Abb. 4, 5). Das Arraywurde von einem mittels SPDT in Kupfer erzeugten Master abgeformt /3/.Die Abformung erfolgte durch Reak-tionsguss eines UV-härtenden Polymersauf Floatglassubstrat /4/. Abb. 6 zeigtdie mit einem Planspiegel als Membran-modell gemessene Abstandskennliniedes Labordemonstrators, verglichenmit der Raytracing-Simulation.

Bei der Assemblierung der Komponen-ten ist besondere Sorgfalt auf die parallele Montage der Mikrofon-membran relativ zum Linsenarray zuverwenden. Um die erforderliche Präzision in der Größenordnung einerBogenminute zu erzielen, wurde dieauf einem Metallring aufgezogeneMembran unter aktiver Justage aufdem Arrayträger durch UV-Klebenfixiert. Die Reproduzierbarkeit dieserTechnologie konnte durch die Realisierung mehrerer Mikrofonkapseln

nachgewiesen werden. Erste akustischeCharakterisierungen des Mikrofons beider Fa. Sennheiser zeigen mit einfachenKondensatormikrofonen vergleichbareakustische Eigenschaften (Abb. 7).

Zusammenfassung

Ein konfokales optisches Mikrofonwurde durch Designrechnungen opti-miert und als Labordemonstrator realisiert. Die Charakterisierung desSystems zeigte eine gute Übereinstim-mung zwischen den berechneten undgemessenen Werten. Das Sensor-prinzip ist in unterschiedlichenAusführungsformen vielfältig fürAbstandsmessungen auch in anderenBereichen, wie z. B. Maschinen- oderAutomobilbau, einsetzbar.

Dank

Diese Arbeit wurde im Rahmen desProjekts „Optisches Mikrofon” der Landesinitiative MikrosystemtechnikNiedersachsen gefördert. Die Verfasserdanken den Mitarbeitern der Fa. Senn-heiser electronic für die konstruktiveund anregende Zusammenarbeit.

Literatur:/1/ Garthe, D.: „Faser- und integriert-optische

Mikrofone auf der Basis intensitätsmodulie-render Membranabtastung”,VDI Fortschrittsberichte, Reihe 10: Informa-tik/Kommunikationstechnik Nr. 214 (1992).

/2/ Duparré, J.; Göring, R.: „Numerical waveanalysis of microlens array telescopes andcomparison with experimental results”,Appl. Opt. 43 (2003) 3992.

/3/ Gebhardt, A.; Steinkopf, R.: „Diamant-drehen mikrooptischer Strukturen”,Fraunhofer IOF, Jahresbericht 2003.

/4/ Dannberg, P.; Mann, G.; Wagner, L.; Bräuer, A.: „Polymer UV-molding for micro-optical systems and O/E-integration“,Proc. SPIE 4179 (2000) 137.

Optisches Mikrofon


Abb. 4:Konstruktion des Labormusters des optischen Mikrofons.

Fig. 4:Construction of optical microphone laboratory demonstrator.

Abb. 3:ZEMAX user-defined surface für SPDT-Zylinder-linsenarray (nicht maßstäblich).

Fig. 3:ZEMAX user-defined surface for SPDT-manufactured cylindrical lens array modeling (not to scale).

Abb. 5:Montiertes optisches Mikrofon und Mikrofon-kapsel mit Array und aufgeklebter Membran(vorn rechts).

Fig. 5:Assembled optical microphone and microphonecartridge with lens array and glued membrane(front right).


Both conditions can be met by usingcylindrical lens arrays replicated frommaster structures manufactured bysingle-point diamond turning (SPDT)/3/. One drawback of such arrays is thecurvature perpendicular to the lensprofile, resulting from the diamond tur-ning process. The influence of that cur-vature and the array fill factor weresimulated by raytracing calculations.For the current design, a tolerable deg-radation of only a few percent wasobserved.

Realization

A laboratory demonstrator of the optical microphone was realized using 200 µm multimode fibers, a Geltechasphere with an 8 mm focal width andan aspheric cylindrical lens array with a0.2 mm focal width and 0.15 mm pitchaccording to an NA of 0.35 (Fig. 4, 5).The array was replicated from a coppermaster fabricated by SPDT /3/. Thereplication process was carried out byUV-molding of a polymer onto a float-glas substrate /4/. Fig. 6 shows the sen-sor curve recorded with a plane mirroras a membrane model compared to theraytracing simulations.

During system assembly special atten-tion has to be paid to parallel adjust-ment of the microphone membranewith respect to the lens array surface.To meet the required precision, which isin the range of one arc minute, themembrane attached to a mountingring was fixed on the array carrier byUV-curing with active alignment. The reproducibility of that process was proven by successfully mounting anumber of microphone cartridges. Initial acoustic characterization of themicrophone exhibited properties comparable to simple condenser micro-phones (Fig 7).

Summary

A confocal optical microphone wasoptimized by design calculations andconstructed as a laboratory demonstra-tor. Characterization of the system showed good agreement between calculated and measured parameters.The sensor principle is appropriate for awide variety of applications regardingdistance measurement, for instance inengine building and in the car manu-facturing industry.

Acknowledgement

This work was sponsored as part of theproject „Optisches Mikrofon” of theLandesinitiative MikrosystemtechnikNiedersachsen. The authors wish tothank their colleagues from Sennheiserelectronic for their constructive and stimulating cooperation.

References:/1/ Garthe, D.: „Faser- und integriert-optische

Mikrofone auf der Basis intensitätsmodulie-render Membranabtastung”,VDI Fortschrittsberichte, Reihe 10: Informa-tik/Kommunikationstechnik Nr. 214 (1992).

/2/ Duparré, J.; Göring, R.: „Numerical waveanalysis of microlens array telescopes andcomparison with experimental results”,Appl. Opt. 43 (2003) 3992.

/3/ Gebhardt, A.; Steinkopf, R.: „Diamond turning of micro-optical structures”,Fraunhofer IOF, Annual report 2003.

/4/ Dannberg, P.; Mann, G.; Wagner, L.; Bräuer, A.: „Polymer UV-molding for micro-optical systems and O/E-integration”,Proc. SPIE 4179 (2000) 137.

Optical microphone


Abb. 6:Sensorkennlinie, berechnet und gemessen.

Fig. 6:Calculated and measured sensor characteristics.

Abb. 7:Frequenzgang des optischen Mikrofons.

Fig. 7: Measured frequency response of the optical microphone.


Einführung

In der Gegenwart und Zukunft werdendurch die rasche Vermehrung derDatenmengen Konzepte für die Speicherung und Archivierung großerDatenmengen gefordert. Während inden vergangenen Jahrzehnten diemagnetische Speicherung auf Disket-ten und Bandlaufwerken als fortschritt-lich galt, werden heute elektronischeDaten fast ausschließlich auf Festplat-ten oder auf optischem Weg (CD oderDVD) gespeichert /1/. Ein kleinerer Teildieses weltweit riesigen Marktes ist derMarkt für die Datenlangzeitarchivierungvon Bildmaterial und elektronischenDaten. Beispiele können Krankenhaus-,Wissenschafts-, Konstruktionsunter-lagen oder kunsthistorische Meister-werke sein.

Eine neue und gleichzeitig altbekannteVariante für die Langzeitarchivierungist die Analogspeicherung großerDatenmengen auf Mikrofilmen. DiesesMedium ist stets wiederlesbar, kom-patibel, zukünftig mittels Scanner rücklesbar, vor Datenverlust und -mani-pulation sicher und vergleichsweisepreiswert.

Im hier vorgestellten ProjektLASER_COM (Laser computer output on microfilm) wurden dieGrundlagen für eine Langzeitdaten-sicherung und -archivierung (größer 50 Jahre) auf Filmmaterial mit RGB-Laserquellen untersucht.

Konzeption

Die Konzeption basiert auf einer paten-tierten Idee der Firma MikroPictureGmbH (Abb. 1) mit der Zielstellungeiner Auflösung von rund 7.700 dpi inFarbe. Die Herausforderung lag dabeiin der Entwicklung und Charakterisie-rung von optischen und mechanischenModulen, die eine Langzeitarchivierungfarbkorrekt mit einem pixelgenauenBildaufbau im 3,3 µm Raster ermög-lichen.

Gelöst wurde diese Aufgabe durch eineKombination aus Optik- und Mechanik-entwicklung, die erstmalig ein Direkt-schreiben mit RGB-Lasern auf Mikrofilmauf das Format 105 mm x 148 mmerlaubt.

Mechanik und Optik vereint – Langzeitarchivierungvon farbigen Bildern auf Mikrofilm

Stefan Risse, Sandra Müller, Michael Thaut, Gerd Harnisch, Michael Thomas1, Aleksander Wlodarski2, Daniel Fluck3

MikroPicture GmbH, 1 Jenoptik LOS GmbH, 2 Präzisionsoptik Gera GmbH, 3 Fluck engineering GmbH


Stefan Risse

Abb. 1:Prinzip der Filmbelichtung.

Fig. 1:Principle of film exposure.


Introduction

There is now and will continue to be anever increasing demand for archivaldata storage systems in response to thecoincidentally increasing rate of dataproduction. During the last few deca-des magnetic storage on floppy disksand tape drives was considered pro-gressive but today data is saved nearlyexclusively on hard disks or in an opti-cal way (CD or DVD) /1/. A small partof the gigantic, worldwide marketdemands the long-term data storage ofpictures, conventional files and electro-nic data. Examples are medical data,scientific data, engineering data orhistorical works of art.

A new method for long-term archivalstorage of data utilizes the long-esta-blished analogue method and storesdata at a high density on microfilm.This film is always re-readable (in thefuture by scanner), compatible, proofagainst data loss and data abuse and,in comparison to other methods, goodvalue.

In the project LASER_COM (Lasercomputer output on microfilm) thebasics of long-term data storage andarchiving (over 50 year storage) on filmmaterials by using RGB-Laser sourcesare investigated.

Concept

The concept is based on a patent ideafrom the MikroPicture GmbH Company(fig.1) the aim of which is to achieve aresolution of 7700 dpi in color. Thechallenge was the development andcharacterization of optical and mecha-nical modules to facilitate long-termstorage of images which are faithfullycolored and assembled of pixels in a3.3 µm raster.

The task was completed by using acombination of optical- and mechani-cal engineering, which resulted in thedirect writing of information by RGB-Laser onto microfilm with a format of105 mm x 148 mm in the first instance.


Sandra Müller Michael Thaut

Gerd Harnisch Michael Thomas

Aleksander Wlodarski Daniel Fluck

Mechanics and Optics united – long time archival storage of colored pictures on microfilms

Stefan Risse, Sandra Müller, Michael Thaut, Gerd Harnisch, Michael Thomas1, Aleksander Wlodarski2, Daniel Fluck3

MikroPicture GmbH, 1 Jenoptik LOS GmbH, 2 Präzisionsoptik Gera GmbH, 3 Fluck engineering GmbH


Hauptkomponenten der Versuchs-anlage im Labormaßstab sind das vonder Jenoptik LOS GmbH in Zusammen-arbeit mit der Firma Fluck engineeringentwickelte Lasermodul mit Elektronik(Abb. 2) und das vom IOF und POGGmbH entwickelte Mechanikmodul mitintegrierten optischen Baugruppen zurStrahlformung (Abb. 3). Beide Modulewerden örtlich getrennt über eineoptische Faser verbunden. Die elektro-nisch aufbereitete Bildinformation wirdsynchronisiert an das SpeichermediumFilm übertragen. Fragen zur Daten-aufbereitung, Farbkalibrierung undzum Filmmanagement wurden durchdie MikroPicture GmbH bearbeitet undermöglichen so eine farbkorrekteBelichtung.

Lasermodul

Die Erzeugung des Laserlichtes erfolgtüber zwei Helium-Neon-Laser mit einerWellenlänge von 632,8 nm (rot) bzw.543 nm (grün) und einem Argon-Laser,der Licht der Wellenlänge 457,9 nm(blau) emittiert. Die Ausgangsleistungder Laser sind 2 mW weißes Licht. Dieses RGB-Lasersystem arbeitet frequenz- und amplitudenstabil imBereich +/– 1,5 %.

Die Modulation erfolgt über akusto-optische Modulatoren in den einzelnenFarbkanälen. Diese AOM’s sorgen füreine Intensitätsregelung und für dieAnpassung der notwendigen Schalt-frequenz in Bezug zum Bildaufbau derScannerbaugruppe. Zur Strahlformung(Aufweitung und Fokussierung) sindoptische Bauelemente integriert. Dieelektronisch aufbereitete digitaleBildinformation wird über einen Treiberan die akusto-optischen Modulatorenübertragen. Damit wird die Synchroni-sation zur Mechanik gesichert undsorgt für die zeitgleiche Ansteuerungder drei Farben. Die Farbmischungerfolgt gemäß der Farbkalibrierung inden jeweiligen spezifischen Farban-teilen und in der benötigten Intensität.Die Zusammenführung der einzelnenFarbkanäle wird über Prismenbau-gruppen realisiert. Der gemischteLaserstrahl wird zur WeiterleitungdesLichtes zum Mechanikmodul in eineMonomodefaser eingekoppelt. In Abb. 2 ist das optische Prinzip desLasermoduls (grün) und des Mechanik-moduls (rot) vereinfacht für einen Laserdargestellt.

Mechanikmodulmit Strahlformungsoptik

Die gleichmäßige Belichtung des Filmmaterials erfordert präzise mecha-nische Bewegungsachsen. Der Bildauf-bau erfolgt über eine luftgelagerteFührung (y-Achse) und einen luft-gelagerten Rotationsscanner (φ-Achse)mit einem integrierten optischenSystem zur Übertragung der RGB-Laserimpulse auf den Film. Abb. 3 zeigtdas Mechanikmodul als CAD-Modell.

Die Bildinformation wird durch dieMonomodefaser zentral in den Rota-tionsscanner eingekoppelt. Über einePrismenbaugruppe wird das Laserlichteiner filmnahen Fokussieroptik zuge-führt. Dabei erfolgt im optischenSystem eine Transformation der Faser-apertur, die typisch 0,12 beträgt undeine Punktgröße von 3...4 µm in derFilmebene realisiert. Das entsprichteiner bildseitigen Apertur von 0,2. DerBereich der Tiefenschärfe beträgt dabeinur 15 µm. Der Fokus wird über einpiezoelektrisches Trackingsystem aufdas jeweilige Filmmaterial voreinge-stellt. Funktionsbedingt rotiert dieFokussieroptik satellitenartig um dieRotationsachse und ist Fliehkräftenausgesetzt.

Mechanik und Optik vereint – Langzeitarchivierung von farbigen Bildernauf Mikrofilm


Abb. 2:Optikkonzept des Lasermoduls (grün) und des Mechanikmoduls (rot).

Fig. 2:Optical concept of laser module (green) and mechanical module (red).


The main components of the experi-mental system are: the laser moduleincluding electronic devices, developedin cooperation between JENOPTIK LOSGmbH and the Fluck engineering company (fig. 2) and the mechanicalmodule with an integrated optical device for beam shaping (fig. 3) developed in cooperation between IOFand POG Gera GmbH. The modules areconnected by an optical fiber but areotherwise physically separate. The electronically processed picture infor-mation is synchronously transmitted tothe film. Otherwise questions of datapreparation, color calibration and filmmanagement are worked out by Mikro-Picture GmbH to produce faithfullycolored images.

Laser module

The laser light is generated by a Heli-um-Neon-Laser at a wavelength of632.8 nm (red) and 543 nm (green)respectively, and an Argon-Laser whichemits light at a wavelength of

457.9 nm (blue). The output power ofthe lasers is 2 mW white light. ThisRGB-Laser system works at a frequencyand amplitude stability of +/– 1.5%.

The modulation proceeds by acoustic-optical modulators (AOM´s) in eachsingle color channel. The AOM´s areresponsible for regulating the intensityand for the necessary adjustments tothe frequency with reference to thepicture built up by the scanner device.For beam focusing and expanding,optical components are integrated. Theelectronically prepared digital pictureinformation is transmitted to theAOM´s. Thereby synchronization withthe mechanical components, and the-refore simultaneous activation of thethree colors, is ensured. Color mixing isperformed with several specific colorportions of the required intensity according to the color calibration. Themixed laser beam is coupled onto asingle mode fiber which is responsiblefor leading the light to the mechanicalmodule. Fig. 2 shows the optical concept for one channel of the lasermodule (green) and the mechanicalmodule (red).

Mechanical module including beam shaping optical device

Constant exposure of the film materialrequires a precisely mechanical axes.The picture is built up with an air-bed-ded guide (y-axis) and an air-beddedrotating scanner device (φ-axis) with anintegrated optical system for leadingthe RGB-Laser impulse to the film. Themechanical module is shown in fig. 3.

The picture information is put in thecenter of the rotating scanner devicethrough a single mode fiber. The laserlight then passes a prism device and islead to a focusing optical componentclose to the film. Therefore a transfor-mation of the fiber aperture (typically0.12) and a spot size of 3–4 µm on thefilm plane are realized by this opticalsystem. This corresponds to a pictureside aperture of 0.2. The field of focu-sing depth here is only 15 µm. A piezo-electronic tracking system adjusts thefocus. The component for focusingrotates under centrifugal force like asatellite around the rotation axis.

Mechanics and Optics united – long time archival storage of colored pictures onmicrofilms


Abb. 3:CAD-Modell des Mechanikmoduls.

Fig. 3:CAD-model of mechanical module.


Um eine exakte Belichtung zu realisie-ren wurde ein neuartiger Rotations-scanner (Abb. 4 und 5) auf Basis einesplan-sphärischen Luftlagers entwickelt(Abb. 6). Als Lagerwerkstoff wurdeGlaskeramik mit minimaler thermischerLängendehnung eingesetzt /2/. DieAnwendung klassischer Verfahren derOptikbearbeitung (analog zur Ferti-gung von Linsen) wurde zur Herstel-lung der Luftlagerkomponentengenutzt. Die Qualität der so gefertigtenplanen und sphärischen Lagerflächenentspricht der optischer Bauteile. Diegeringe Rauheit und die hohe Formge-nauigkeit garantieren, bei Einhaltungdes Lagerspaltes, Luftlager mit exaktenLaufeigenschaften /3/.

Das gewählte Lagerprinzip ermöglichtdie gleichzeitige Aufnahme axialer undradialer Kräfte. Der Effekt der Selbst-zentrierung des sphärischen Luftlagersstabilisiert die Baugruppe während derRotation. Durch ein mehrstufigesWuchtverfahren wurde die Ur-Unwuchtdes Rotationsscanners auf eine Größevon kleiner 5 mg absolut reduziert.Angetrieben wird die Baugruppe durcheinen direktgekoppelten DC-Antrieb.Die Rund- und Planlauffehler sphärischer Luftlager aus Glas oderGlaskeramik sind kleiner als 50 nm /3/.

Eine luftgelagerte Translationsachse derFirma KUGLER GmbH trägt den Rotationsscanner. Die Bewegung istgleichförmig und sorgt so für den zwei-dimensionalen Bildaufbau. Als Antriebwurde hier ein Reibantrieb der FirmaNANOMOTION eingesetzt.

Der zu belichtende Film wird in einertunnelartigen Trommel über einenUnterdruck-Chuck fixiert. Die mit Ultrapäzisionsverfahren hergestellteTrommel hat eine Formabweichungvon kleiner 3 µm und definiert dieAblage des Films in Bezug zur rotieren-den Belichtungsoptik.

Zusammenfassung

Im Labormaßstab wurden die erstenMikrofilme erfolgreich belichtet (Abb. 7a). Zur Zeit wird mit einer Frequenz von 30 Hz gearbeitet. In Testbelichtungenwurde die Auflösung von 3,3 µm Pixel-größe untersucht. An einem ausbelich-teten Gitter wurde diese Auflösungnachgewiesen (Abb. 7b). Eine Unter-suchung der 150 Linienpaare an einemLichtmikroskop ergab eine Abwei-chung von kleiner 2 %. Die Belichtung von Bilddaten zeigteeine hohe Farbqualität.

Die nächsten Arbeitsschritte sind dasSteigern der Belichtungsfrequenz undweitere Untersuchungen z. B. zur Stabilität der Belichtung.

Mit dem vorliegenden Experimental-aufbau steht erstmalig eine Mikro-filmbelichtungsanlage mit RGB-Laser-quellen zur Verfügung (Abb. 8). DieÜberführung der Technik in ein markt-fähiges Produkt wird durch die Industriepartner betrieben. Bereits imnächsten Jahr soll ein erster Prototypaufgebaut werden.

Danksagung

Das Projekt LASER_COM wurde unterdem Förderkennzeichen B 509-02001durch das Thüringer Ministerium fürWissenschaft, Forschung und Kunst,Erfurt, gefördert.

Literatur:/1/ Client Server Computing IT 03/2001, S. 62 ff/2/ Risse, S.: „Präzisionslager aus Glaskeramik”,

Dezember 1997; S.114–115./3/ Risse, S.: „Ein Beitrag zur Entwicklung eines

doppelsphärischen Luftlagers aus Glaskera-mik”, Dissertation; Technische UniversitätIlmenau; 2001.

Mechanik und Optik vereint – Langzeitarchivierung von farbigen Bildernauf Mikrofilm


Abb. 4:Modell des Rotationsscanners mitStrahlformungsoptik.

Fig. 4:Model of rotation scanner with beamshaping optical device.

Abb. 5:Rotationsscanner zur Strahlablenkung.

Fig. 5:Rotation scanner for beam deflection.

Abb. 6:Aerostatisches plan-sphärisches Lager.

Fig. 6:Aerostatic plan-spherical bearing.


To ensure an accurate exposure a newrotation scanner (fig. 4 and 5) wasdeveloped on the basis of a planespherical air bearing (fig. 6). A glassceramic with low thermal expansion isused as material /2/.

The application of glass or glass cera-mic allows the manufacture of planeand spherical bearings with outstan-ding properties by using productionmethods and assembly technologiesfrom the optics industry. The quality ofthe produced plane and spherical bea-ring surfaces is equal to the quality ofoptical lenses. The small roughness andthe precise geometrical accuracy guarantee precise rotation quality oncondition that the distance betweenthe rotor and the stator bearing surfaces is adjusted /3/.

The bearing principle is able to admitaxial forces as well as radial forces. The effect of self-centering stabilizesthe spherical air bearing during the rotation. By balancing the rotationscanner in several steps any unbalanceis reduced to less than 5 mg absolute.The movement is powered by a directDC-drive. The rotation accuracy andthe wobble is better than 50 nm /3/.

The rotation scanner is carried by an airguide, which is manufactured by thecompany KUGLER GmbH. The drivehere is a friction drive from the NANO-MOTION Company. The movement isuniform and responsible for the two-dimensional picture built up.

The film which is to be exposed is clam-ped in a drum like a tunnel and is fixedby a vacuum chuck. The film drum ismade by an ultra-precision technique(single diamond turning) and achievesgeometrical accuracy of cylinder betterthan 3 µm. It defines the position ofthe film with reference to the rotatingexposure optic.

Summary

The first microfilms were exposed suc-cessfully (fig. 7a). At the moment arotation frequency of 30 Hz is used.The resolution of the pixel size 3.3 µmis proved. Analysis of the 150 pairs oflines with a microscope shows a deviation of less than 2 % (fig. 7b). Theexposure of picture data achieved highcolor quality.

The next steps are the increase of theexposure frequency and further investi-gations into, for example, the stabilityof the process.

The test bench system shown in fig. 8is the first system to expose microfilmby using RGB-Laser sources. The trans-fer of this new technology to theworldwide market will be realized byour industrial partners . By next yearthe first prototype should already beset up.

Acknowledgment

This work was supported under contract no. B 509-02001 by the Thuringia’s ministry of science, researchand the arts, Erfurt.

References:/1/ Client Server Computing IT 03/2001, S. 62 ff./2/ Risse, S.: „Präzisionslager aus Glaskeramik”

Dezember 1997, S.114–115./3/ Risse, S.: „Ein Beitrag zur Entwicklung eines

doppelsphärischen Luftlagers aus Glas-keramik”. Dissertation; Technische Univer-sität Ilmenau; 2001.

Mechanics and Optics united – long time archival storage of colored pictures onmicrofilms


Abb. 7a:Belichtetes Muster auf einem Mikrofilm.

Fig. 7a:Exposed pattern on microfilm.

Abb. 7b:Nachweis der Auflösung an einem ausbelichteten Gitter.

Fig. 7b:Exposed line pattern with pixel size.

Abb. 8:Experimentalaufbau des Filmbelichters.

Fig. 8:Test bench system of film exposure tool.


Einleitung

In vielen Applikationen ist die Projek-tion von Bilddaten in eine Halbkugelnotwendig, wie zum Beispiel bei (Flug-) Simulatoren, Planetarien oderophthalmologischen Untersuchungs-geräten. Aktuelle Anordnungen hierfürsind High-End-Systeme im Hochpreis-segment, meistens basierend auf Rückprojektion mit bis zu 60 einzelnenDisplay-Projektoren /1/ oder Laser-Frontprojektion mit mehreren Projek-toren /2/. Diese komplexen Systemeerfordern zwar nur Optiken mittlererQualität, ein perfektes Bild hinsichtlichVerzeichnungsfreiheit und Bild-homogenität muss aber über sehr leistungsfähige Rechentechnik aus deneinzelnen, projizierten Segmentenelektronisch zusammengesetzt undangepasst werden.

Wir haben einen Kuppelprojektor mittels Frontprojektion realisiert /3/,welcher mit einem einzigen Projektorauskommt. Dieses System wurde fürden Einsatz in kleinen Halbkugeln(Durchmesser 60–100 cm) der ophthal-mologischen Diagnostik konzipiert. DasHauptziel dieser Systementwicklungwar es, einen 160° Kuppelprojektor miteiner hochwertigen Optik, aber einemStandard Video-Eingangssignal (24 bitVollfarbe vom PC) zu realisieren.

Systemrealisierungund Spezifikationen

Vor der Realisierung eines Kuppel-projektionssystems für die ophthal-mologische Diagnostik mussten in derPlanungsphase einige aus der Anwen-dung resultierende technische undoptische Randbedingungen berück-sichtigt werden:• Projektion in eine Halbkugel, Raum-

winkelbereich mindestens +/– 80°,• Echtfarbenprojektion (24 bit Farb-

raum) mit hoher Leuchtdichte not-wendig,

• keine sequentielle Farbgenerierungerlaubt (über Farbrad oder ähnliches).

Kuppelprojektor

Stefan Riehemann, Martin Palme, Gerd Harnisch, Gunther Notni


Stefan Riehemann


Introduction

Dome projection is required for a widevariety of applications, such as (flight)simulators, planetariums, and ophthal-mologic diagnostics. Recent systemsfor simulation domes are high-end andhigh-cost solutions based on multiplerear projection displays (up to 60 pro-jectors, /1/) or laser front projectionwith multiple projectors /2/. Thesecomplex systems require only mediumquality optics, but very high perfor-mance image processing equipment toensure that the image is perfectly matched and to generate a uniformimage quality.

We developed a front projection domedisplay /3/ with only one projector,mainly designed for small spheres inophthalmologic diagnostics (diameter60–100 cm). The purpose of thissystem is to generate a 160° dome projection with full color video inputfrom a standard PC and high qualityprojection optics.

System realization and specifications

For the completion of a dome projec-tion system for ophthalmologic diagnostics, some technical and opticalrestrictions must be taken into account.These constraints had to be consideredwhile realizing this projection system: • projection inside a dome of at

least +/– 80°• full color, high brightness projection

necessary• no sequential color processing

allowed (with color wheel or some-thing similar)


Martin Palme

Gerd Harnisch

Dome projector

Stefan Riehemann, Martin Palme, Gerd Harnisch, Gunther Notni

Gunther Notni


Entsprechend diesen Systemanforde-rungen wurde ein entsprechendes Projektionssystem realisiert. Ein Ultra-Weitwinkelobjektiv realisiert die +/– 80° Kuppelprojektion, ein 3-ChipLCoS-Projektor mit farbteilender Polarisationsoptik die Farbprojektion.Das Layout des vollständigen optischenSystems ist in Abb. 1 zu sehen, derAbbildungsstrahlengang des blauenFarbkanals in Abb. 2. Die Projektionrealisiert hierbei auf der Objektseite(LCoS-Display) einen quasi telezen-trischen Strahlengang. Vor jedemLCoS-Display ist zudem eine Feldlinseplatziert. Im Weitwinkelobjektiv ist eine90° Strahlumlenkung eingefügt, umdie beste Projektionsposition imGesamtgerät zu erzielen. Ein zusätz-licher Aspekt des Systemdesigns wardie Realisierung einer hohen Modula-rität, um einzelne Komponenten desSystems gegen neue, leistungsfähigereEntwicklungen leicht austauschen zukönnen.

Die Leistungsdaten des neu entwickel-ten Kuppelprojektionssystems könnenwie folgt zusammengefasst werden:• Beleuchtungsstärke im projizierten

Bild ca. 800 lx (Lichtstrom ca. 500 lm),

• Homogenität der Bestrahlungs-stärke im projizierten Bild > 75 %,

• laterale chromatische Aberration < 200 µm (< 1/4 der projiziertenPixelgröße),

• optische Auflösung (spot size) < 280 µm (< 1/4 der projiziertenPixelgröße), Modulationstransfer-funktion > 70 % absolut für alleRaumfrequenzen bis hinunter zurPixelgröße im ganzen Kuppel-bereich (siehe Abb. 3).

Da dieses Projektionssystem etliche ausder Anwendung resultierende optischeund geometrische Vorgaben erfüllenmuss, können die Leistungsdaten nicht1 :1 mit denen kommerziell erhältlicherMultimedia-Beamer verglichen werden,da diese die Randbedingungen nichterfüllen.

Kuppelprojektor


Abb. 1: 160° Kuppelprojektor mit einer 3-Display LCoSFarbprojektionseinheit: prinzipielles Layout derOptik des Projektors.

Fig. 1: 160° sphere projector with 3-chip LCoS colorprojection: principle layout of the projectorsoptic.

Abb. 2: 160° Kuppelprojektor mit einer 3-Display LCoSFarbprojektionseinheit: Abbildungsstrahlengangfür den blauen Farbkanal.

Fig. 2: 160° sphere projector with 3-chip LCoS color projection: imaging ray trace for the bluechannel.


According to these system require-ments, a projection system was reali-zed. An ultra wide-angle projectionlens achieves the +/– 80° dome projec-tion. A three-chip LCoS projector and color splitting polarization optics perform full color projection. The com-plete optical system is schematicallyplotted in Fig. 1.

Fig. 2 outlines the imaging ray tracefrom the blue channel. As can be seen,the projection lens produces a quasi-telecentric ray trace on the LCoS side.In front of the LCoS display, a field lensis placed. A 90° redirection is includedin the projection lens to ensure the bestprojection position of the system wit-hin the complete ophthalmologic dia-gnostic instrument. An additionalaspect of the system design was to

ensure modularity so that individualcomponents can easily be exchangedin response to new developments.The newly developed dome projectionsystem can be characterized by the following parameters:• illuminance within the projected

image approximately 800 lx (luminous flux approx. 500 lm)

• illuminance homogeneity within theprojected image > 75 %

• lateral chromatic aberration < 200 µm (< 1/4 of the projectedpixel size)

• optical resolution (spot size) < 280 µm (< 1/4 of the projectedpixel size), modulation transferfunction better than 70 % absolutefor all spatial frequencies down tothe pixel size for the whole dome (see Fig. 3)

As this new projection system has tofulfill many optical and geometricalrestrictions, the optical performance ofthis system cannot be compared direct-ly with standard multimedia beamers,as these commercially available bea-mers do not fulfill these constraints.

Dome projector


Abb. 3: Modulationstransferfunktion im projizierten Bild.

Fig. 3: Modulation transfer function in the projected image.

Abb. 4: 160° Kuppelprojektor: Abbildungs-strahlengang in der Halbkugel.

Fig. 4: 160° sphere projector: imaging raytrace inside the sphere.


Systemintegration

In Abb. 4 ist das Projektionssystem inseiner Arbeitsposition in einer 60 cm-Kugel dargestellt, wobei der Abbil-dungsstrahlengang wiedergegeben ist.

Das realisierte Projektionssystem mitmechanischen Halterungen undGehäusebauteilen sowie der Display-elektronik kann in Abb. 5 gesehenwerden. Bestimmungen des Medizin-produktegesetzes (thermische undelektrische Aspekte) mussten bei derkonstruktiven Umsetzung beachtetwerden. Unter Nutzung einer 300 WCermax Lampe und eines Flüssigkeits-lichtleiters wurde mit dem Projektions-system ein Lichtstrom von mehr als 500 lm erreicht.

Die Anordnung und Montage des Pro-jektionssystems innerhalb einer 60 cm-Halbkugel für die ophthalmologischeDiagnostik ist in Abb. 6 wiederge-geben. Der Projektor befindet sich seit-

lich neben dem zu untersuchendenAuge, dessen Sichtfeld mittels objek-tiver, multifokaler Perimetrie untersuchtwerden soll. Für die Untersuchung desanderen Auges kann das Projektions-system 180° um die optische Achse desGesamtsystems geschwenkt werden.

Zusammenfassung

Mikrodisplays öffnen in medizinischenAnwendungen interessante Perspek-tiven für neue Messtechniken, neueSystemkonzepte und erweiterteAnwendungsgebiete. Für die perime-trische Diagnostik wird zur multifokalenStimulation des Auges erstmals die Pro-jektion beliebiger Muster in eine Kuppelermöglicht. Die Kombination dieses Stimulationsprinzips mit der Kuppel-projektion eröffnet neue Perspektivenin der medizinischen Diagnostik /4/.

In der Kuppelprojektion sind generellSysteme mit einer Standardschnittstellezu konventioneller elektronischer Bild-datenerstellung (z. B. Standard-PC oderVideo) von Interesse.

Systeme mit nur einem Projektor bietendiese Möglichkeit, benötigen aber speziell an die kugelförmige Projek-tionsfläche adaptierte, hochwertigeObjektive. Das präsentierte optischeSystem eröffnet neue Anwendungs-gebiete für die Kuppelprojektion, in derbisherige Hochpreissysteme noch nichtFuß fassen konnten. Kuppelprojektionmit nur einem Projektor sowie medizi-nische Diagnosesysteme stellen neueAnwendungsgebiete für Mikrodisplaysdar – beides Nischenmärkte der Hoch-technologie mit hohem Potential. Fürdiese Anwendungsfelder sind jedochimmer speziell angepasste optischeSysteme notwendig. Das optischeDesign wird somit in der Entwicklungentsprechender Systeme eine Schlüssel-stellung einnehmen.

Literatur:/1/ Blackham, G.: „Recent Advances in Dome

Display Systems”, SID 2000 Digest (2000)968–971.

/2/ www.zeiss.de/de/planetarium/home.nsf/78be232b5368b1b2c12566fe003b2602/89628edaacd56872c1256cbf0038e2a3?OpenDocument

/3/ Riehemann, S.; Palme, M.; Kuehmstedt, P.;Notni, G.: „LCoS Based Projection Systemsfor Optical Metrology”, SID 2002 Digest(2002) 256–259.

/4/ Patente DE19855848A1, DE19961323A1,DE10146330A1, DE10140871A1.

Kuppelprojektor


Abb. 5: Foto des Kuppelprojektors.

Fig. 5: Photo of the dome projector.


System integration

In Fig. 4, the projection system is arran-ged in its working position inside a60cm diameter sphere and the imagingray trace of a projected image is out-lined. The optical system constructed,including mechanical mounting, elec-tronics and housing, can be seen in Fig. 5. Safety regulations for medicalproducts (thermal and electrical con-straints) have been considered whileconstructing the projector. Utilizing a300 W Cermax lamp and a fiber opticillumination, a luminous flux of morethan 500 lm can be achieved. The principle behind the positioning andmounting of the projector inside a 60cmdiameter dome for ophthalmologic diagnostics are outlined in Fig. 6. Theprojector is located at the temporal sideof the eye whose viewing field shouldbe investigated by objective, multifocalperimetric diagnostics. For investiga-ting the other eye, the complete pro-jection system can be rotated by 180°.

Summary

Micro-displays in medical applicationsoffer interesting perspectives for newmeasuring devices, new system con-cepts and extended application areas.For perimetric diagnostics they can pro-vide the projection of any arrangementof patterns for multifocal stimulation of the eye. This stimulation principle incombination with dome projection hasnot been realized up until now andoffers new perspectives in medical diagnostics /4/. For dome projection,systems which can interface with standard electronic image processingequipment (PC or video) are of specialinterest. Single projector systems offerthis interface, but require specially designed optics for projection onto orinside a dome surface. Thus, the opticalsystem presented opens up new application areas for low-cost domeprojection systems in medical and non-medical fields. Single projector domeprojection and medical diagnostics areboth new application areas for micro-

displays. Both of which are high technology niche markets with highpotential. But for all these devices, specially adapted optical systems arerequired. Thus, optical design will play a key role in the development of suitable systems.

References:/1/ Blackham, G.: „Recent Advances in Dome

Display Systems”, SID 2000 Digest (2000)968–971.

/2/ www.zeiss.de/de/planetarium/home.nsf/78be232b5368b1b2c12566fe003b2602/89628edaacd56872c1256cbf0038e2a3?OpenDocument

/3/ Riehemann, S.; Palme, M.; Kuehmstedt, P.;Notni, G.: „LCoS Based Projection Systemsfor Optical Metrology”, SID 2002 Digest(2002) 256–259.

/4/ Patents DE19855848A1, DE19961323A1,DE10146330A1, DE10140871A1

Dome projector


Abb. 6: Unterschiedliche Ansichten desProjektors in einer 60 cm-Unter-suchungshalbkugel der Ophthal-mologie.

Fig. 6: Different views of the projectorinside a 60 cm diameter dome forophthalmologic diagnostics.


Einleitung

Die ersten Faserlaser wurden zu Beginnder sechziger Jahre mit Wellenlängenvon rund einem Mikrometer und einerAusgangsleistung von einigen Milliwattbetrieben. Aufgrund jüngster Entwick-lungen verlässlicher Festkörper-Pump-quellen mit hoher Leuchtkraft und derBenutzung des Claddingpumpens sind Faserlaser nicht länger auf einen Niedrigleistungsbetrieb beschränkt. Für diodengepumpte Systeme im cw-Betrieb konnten Ausgangsleistun-gen von mehr als 100 W erreicht werden. Darüber hinaus können Puls-energien von einigen mJ bei Pulsbreitenin der Größenordnung von 10 nserzielt werden, was kürzlich anhandvon Yb-dotierten Fasern gezeigtwurde.

Mittels der Chirped-Puls Verstärkungs-technik können Pulse so weit gestrecktwerden, dass nichtlineare Störungenminimiert und Energien im Bereich derSättigungsfluenz von seltenerdedotier-ten Fasern selbst bei Verwendungultrakurzer Pulse erreicht werden.

Entwicklung eines Hochleistungs-Faserlasers

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena (IAP) wurde amIOF ein diodengepumptes Doppel-Kern-Faserlasersystem entwickelt, welches Ausgangsleistungen von bis zu500 W mit einer beugungsbegrenztenStrahlqualität (M2 < 1,3) erreicht /1/.Der Laser basiert auf einem neuartigenFaserdesign, welches durch einen imVergleich zu herkömmlichen Fasernvergrößerten Modenfelddurchmesserdie Kompensation nichtlinearer Effekteerlaubt.

Für die Experimente wurde eine Yb-/Nd-dotierte Faser mit einer Länge von 35 m, einem Kerndurchmesser von 24 µm und einer numerischen Aperturvon 0,086 benutzt. Der Pumpkern-durchmesser betrug 400 µm. In Bezugauf die Pumpleistung konnte ein Wirkungsgrad von mehr als 70 %erreicht werden, was einer thermischenBelastung von ca. 5 W/m entspricht.Obwohl keine aktive Kühlung verwen-det wurde, können thermooptischeEffekte selbst bei höchsten Ausgangs-leistungen vernachlässigt werden, wasdurch die Linearität der Responsekurveselbst für hohe Ausgangsleistungenbelegt wird.

Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser

Andreas Tünnermann, Thomas Peschel, Ulf Peschel*, Jens Limpert**Friedrich-Schiller-Universität Jena


Andreas Tünnermann

Abb. 1:Input/Output Charakteristik eines Hochleistungs-Faserlasers mit beugungs-begrenztem Strahl.

Fig. 1:input – output characteristics of a high powerfiber laser, operating with diffraction Iimitedbeam quality.


Introduction

The first fiber lasers were operated inthe beginning of the sixties at wave-lengths around one micron with output powers in the order of a fewmilliwatts. Owing to recent develop-ments of reliable high brightness allsolid state pump sources and the useof cladding pumping these devices are no longer restricted to low-power operation. Output powers of more than100 W have been achieved for diodepumped systems in cw-operation. Thecapability of fiber systems for extrac-ting pulse energies as high as severalmillijoules at pulse durations in therange of 10 ns has been demonstratedmost recently in Yb-doped fibers.

Additional sufficient pulse stretching inthe time domain using the chirpedpulse amplification technique enablesto reduce nonlinear pulse distortions inthe fiber and to extract energies in theorder of the saturation fluence limit ofrare-earth doped fibers even in ultra-short pulse operation.

Development of the a high power fiber laser

In collaboration with the Institute ofApplied Physics at the Friedrich-Schiller-University Jena (IAP) at the IOF a diodepumped double clad fiber laser systemhas been developed, delivering outputpowers up to 500 W with diffractionlimited beam quality (M2 < 1.3) /1/.The laser is based on a novel fiberdesign, which allows for the compen-sation of nonlinear effects due to an increased mode field diameter of the active doped core compared toconventional step index fibers. For theexperiments, an Yb-/Nd-doped fiber of35 m length has been used with a corediameter of 24 µm and a numericalaperture of 0.086. The pump core diameter was 400 µm. A slope efficiency of more than 70 percent hasbeen measured with respect to thelaunched pump power, which corre-sponds to a heat loading of the fiber ofabout 5 W/m. No active cooling wasapplied in the experiments. Because ofthe linearity of the slope even at thehighest output powers thermo-opticaleffects can be neglected.


High power fiber and waveguide lasers

Andreas Tünnermann, Thomas Peschel, Ulf Peschel*, Jens Limpert**Friedrich Schiller University Jena

Ulf Peschel

Jens Limpert

Thomas Peschel


Um das Potenzial zur Leistungssteige-rung dieser Fasergeräte zu bestimmen,wurden die thermooptischen Limitsvon Faserlasern untersucht. Basierendauf der in Abb. 2 gezeigten Faser-geometrie wurde die eindimensionaleWärmeleitungsgleichung gelöst. Beieiner thermischen Belastung von 5 W/m erhöht sich die Fasertemperaturum weniger als 50 K in Bezug auf dieUmgebung. Unter diesen Bedingungenbeträgt die Temperaturdifferenz zwischen Faserkern und Faserober-fläche weniger als 5 K, was bedeutet,dass keine wesentliche zusätzlicheSpannung innerhalb der Faser durchden Pumpprozess entsteht. Selbst beieiner thermischen Belastung im Bereichvon 20 W/m befinden sich die auftre-tenden Spannungen weit unterhalb derBruchgrenze von Quarzglas. Aus diesenDaten kann man schlussfolgern, dassbeugungsbegrenzte Faserlaser ohneaktive Kühlung mit Ausgangsleistungenim kW-Bereich betrieben werden können (Abb. 3).

Aufbauend auf diesen Erkenntnissenwurden ultraschnelle Faserverstärkerentwickelt. Bei Anwendung der Chirped-Puls Verstärkungstechnik inVerbindung mit neuartigen Faser-designs wurden kürzlich durchschnitt-liche Ausgangsleistungen im Bereichvon 100 W gemessen. Dies eröffnetgroßartige neue Möglichkeiten zurpraktischen Anwendung von ultra-schnellen Lasern /2/, /3/. Eine weitereLeistungssteigerung von Faserlasernund Verstärkern im cw- und gepulstenBetrieb ist in der Entwicklung.

Danksagung

Dieses Projekt ist teilweise finanziertdurch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Literatur:/1/ Limpert, J.; Liem, A.; Zellmer, H.;

Tünnermann, A.: „500 W continuous-wavefibre laser with excellent beam quality”,Electron. Lett. 39, 645 (2003).

/2/ Limpert, J.; Clausnitzer, T.; Schreiber, T.;Liem, A.; Zellmer, H.; Fuchs, H. J.; Kley, E.-B.;Tünnermann, A.: „76 W average powerfemtosecond fiber CPA system”,in: Trends in Optics and Photonics, OpticalAdvanced Solid-State Lasers, Editor: John J. Zayhowski, TOPS 83, 414(2003).

/3/ Limpert, J.; Liem, A.; Schreiber, T.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.: „Power andenergy scaling of fiber laser systems basedon ytterbium-doped large-mode-areafibers”, Advances in Fiber Devices, L. N. Dur-vasula, ed., Proceedings SPIE 4974, 135(2003).

/4/ Limpert, J.; Schreiber, T.; Liem, A.; Nolte, S.;Zellmer, H.; Peschel, T.; Guyenot, V.; Tünnermann, A.: „Thermo-optical properties of air-clad photonic crystal fiberlasers in high power operation”, In: Optics Express 11 (2003) 22 p. 2982, ISSN 1094–4087

Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser


Abb. 2:Doppel-Kern-Faserlasergeometrie. Die Wärme wird in demdotierten Laserkern erzeugt, welcher von dem Pumpkern und der Beschichtung umgeben ist. Wärmeabstrahlung und -konvektion können an der Faseroberfläche beobachtet werden. Die Temperaturverteilung der Faser T(r) ist durch dieeindimensionale Wärmeleitungsgleichung bestimmt.

Fig. 2: Double-clad fiber laser geometry. The heat is generated inthe doped laser core, which is surrounded by the pump coreand the coating. Radiative heat dissipation and convectiveheat flow is observed at the fiber surface. The temperature distribution of the fiber T(r) is determinedby the one-dimensional heat conduction equation.


In order to determine the power scaling potential of these fiber devices,the thermo-optical limits of fiber lasershave been analyzed. Based on a fibergeometry as illustrated in Fig. 2, theone-dimensional heat conductionequation has been solved. At a thermalloading of 5 W/m the temperature ofthe fiber is increased by less than 50 Kwith respect to the ambient air. Underthese conditions, the temperature difference between the core and thefiber surface is less than 5 K, indicating,that no significant additional stress isintroduced in the fiber due to the pum-ping process. Even at a thermal loadingin the range of more than 20 W/m, theintroduced stress is well below the fracture limit of fused silica. From thesedata it can be concluded, that diffrac-tion limited fiber lasers can be operatedwithout active cooling devices up tooutput powers in the kW-range (Fig. 3).

Based on this knowledge, ultrafastfiber amplifiers have been developedby us. Applying the chirped pulseamplification technique in combinationwith novel fiber designs, outputpowers in the range of 100 W averagepower have been measured mostrecently, offering novel avenues for realworld applications of ultrafast lasers/2/, /3/. A further power scaling of fiberlasers and amplifiers in cw and pulsedoperation is presently under progress.

Acknowledgements

This project is partly founded by theGerman federal ministry of educationand research.

References:/1/ Limpert, J.; Liem, A.; Zellmer, H.;

Tünnermann, A.: „500 W continuous-wavefibre laser with excellent beam quality”, Electron. Lett. 39, 645 (2003).

/2/ Limpert, J.; Clausnitzer, T.; Schreiber, T.;Liem, A.; Zellmer, H.; Fuchs, H. J.; Kley, E.-B.;Tünnermann, A.: „76 W average powerfemtosecond fiber CPA system”,in: Trends in Optics and Photonics, OpticalAdvanced Solid-State Lasers, Editor: John J. Zayhowski, TOPS 83, 414(2003).

/3/ Limpert, J.; Liem, A.; Schreiber, T.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.: „Power andenergy scaling of fiber laser systems basedon ytterbium-doped large-mode-areafibers”, Advances in Fiber Devices, L. N. Dur-vasula, ed., Proceedings SPIE 4974, 135(2003).

/4/ Limpert, J.; Schreiber, T.; Liem, A.; Nolte, S.;Zellmer, H.; Peschel, T.; Guyenot, V.; Tünnermann, A.: „Thermo-optical properties of air-clad photonic crystal fiberlasers in high power operation”, In: Optics Express 11 (2003) 22 p. 2982, ISSN 1094–4087

High power fiber and waveguide lasers


Abb. 3:Leistungsgrenzen eines passiv gekühlten 400 µmcladding-gepumpten Faserlasers mit einem Modenfelddurchmesser von 25 µm. Die nicht-lineare Grenze wird durch auftretende Raman-streuung festgelegt, während die Zerstörschwelledurch die Beschädigung der Faserendflächenbestimmt wird.

Fig. 3: Power scaling limits of a passively cooled 400 µmpump cladding fiber laser with a mode field diameter of 25 µm. The nonlinearity limit is determined by the stimulated Raman-scattering.The damage threshold is determined by the opticalbreak down of the fiber endfacets.


1. Internationale GästeInternational Guests

Dr. Dang Xuan CuMinistry of Sciences and Technologies, Hanoi, Vietnam

Co-Director Giang DaoInt. SEMATECH, Austin/Texas, USA

Director David DavisPrecitech Inc., Keene/NH, USA

Dr. Sangcholl HanLG Chemical, Daejon, Korea

Dr. Keyogi KamatsuTohoku University, Sendai, Japan

Ph. D. Kevin KempInt. SEMATECH, Austin/Texas, USA

Dr. Igor MilitynskiUniversity Charkov, Ukraine

Prof. Dr. Mats RobertsonACREO, Linköping, Sweden

Prof. Dr. Nikolai SobolevUniversity of Aveiro, Aveiro, Portugal

Dr. Jin-Seung SohnSAIT Samsung, Suwon, Korea

Prof. Alexander V. TikhonravovResearch Computing Centre, Moscow, Russia

Dr. Michael K. TrubetskovResearch Computing Centre, Moscow, Russia

Ron WilleyWilley Optical Consultants, Charlevoix, USA

2. Kooperation mit Instituten anderer LänderCo-operation with Institutes in other Countries

Austria:Universität Innsbruck, Institut für Experimentalphysik, Prof. Hans K. Pulker

Netherlands:University Twente, Prof. Alfred Driessen

France:Universität St. Etienne, Prof. Oliver Parriaux

Israel:Technion, Haifa, Prof. Abraham Marmur

Ireland:Trinity College Dublin, Prof. Werner Blau

Italy:ENEA Rome, Dr. Enrico Masetti

Sincrotrone Trieste, Dr. Richard Walker

University 'La Sapienza', Rom, Prof. Francesco Michelotti

Portugal:University Aveiro, Prof. Nikolai Sobolew

Russia:Lebedev Institute Moscow, Prof. Alexander V. Vinogradov

Moscow State University, Prof. Alexander Tikhonravov

Spain:University of Barcelona, Prof. Salvador Bosch i Puig

Switzerland:CSEM Zurich, Dr. Mike Gale

IMT, University Neuchatel, Prof. Hans-Peter Herzig

Ukraine:National Technical University „Kharkov Polytechnic Institute”, Prof. Valery V. Kondratenko

USA:Naval Air Warfare Center, China Lake, Dr. Jean M. Bennett

Namen, Daten, Ereignisse

Names, Dates, Activities



3. MitgliedschaftenMemberships

3.1 Persönliche MitgliedschaftenPersonal Memberships

Dr. Andreas Bräuer:

• Conference Program Committee „LinearOptical Properties of Waveguides”, SPIE, USA

• Mitglied des AMA-Fachausschusses für Optische SensorikMember of the AMA advisory board for Optical Sensing

• Gutachter (Referee): „Applied Optics”,„Optical Engineering”, „Optics Letters”

• Fachausschuss 4.2 „Mikrooptik” der GMMAExpert committee 4.2 „Microoptics” of GMMA-association

Dr. Angela Duparré:

• Topical Editor „Applied Optics”, Optical Thin Films

• Assessor Board Member of the AustralianResearch Council

• Chair International Conference „AdvancedCharacterization techniques for Optics,Semiconductors, and Nanotechnologies”,SPIE Symposium 2003, San Diego, USA

• DIN-Normenausschuss NAFuO, AA O18 AK2,„Optische Komponenten und Werkstoffe”

• ISO-Committee Member ISO/TC 172/SC 9/WG 6

• Mitglied des Komitees „Metrologie in derMikro- und Nanotechnik” des VDI/VDE/GMA 3.41, 3.43Member of the committee on „Metrology in Micro- and Nanotechnologies” of theassociation of German Engineers,VDI/VDE/GMA 3.41, 3.43

• Program Comittee Member InternationalConference „Advances in Optical ThinFilms”, St. Etienne, France 2003

• Program Committee Member Topical Meeting on Optical Interference Coatings,Tucson, Arizona, June 2004

Dr. Ramona Eberhardt:

• DIN-Normenausschuss NAFuO, AA F3, „Fertigungsmittel für Mikrosysteme”

Dr. Claudia Gärtner:

• Mitglied im DECHEMA Arbeitsausschuss MikroverfahrenstechnikMember of DECHEMA working committee„Micro Process Engineering”

Dr. Volker Guyenot:

• Mitglied im Wissenschaftlich-Technischen Ratder Fraunhofer-GesellschaftMember of the Scientific-Technical AdvisoryCommittee of the Fraunhofer-Gesellschaft

• Mitglied der Hauptkommission des Wissenschaftlich-Technischen Rats der Fraunhofer-GesellschaftMember of the Board of the Scientific-Technical Advisory Committee of the Fraunhofer-Gesellschaft

• Kurator im Businessplan-Wettbewerb des Landes ThüringenCurator of the committee of business competition of Thuringia

• Gutachter (Referee) bei STIFT• Vorstandsmitglied in

„OphthalmoInnovation Thüringen e.V.”Member of the Board of „OphthalmoInnovation Thüringen e.V.”

• Mitglied des Programm-Komitees zum Workshop „Innovative Oberflächen fürUhren und Präzisionstechnik” in DresdenMember of the workshop program committee „Innovative Surfaces for Watchesand Precision Technologies” in Dresden

Dr. Norbert Kaiser:

• Member of Program Committee„5th International Conference on Coatings on Glas”, Braunschweig

• Co-Chair of the „International Symposium onLaser Induced Damage in Optical Materials”,Boulder, USA

• Program Chair „9th Topical Meeting on Optical Interference Coatings”, Tucson, Arizona

• Vorsitzender des Fachausschusses „Dünne Schichten für die Optik und Optoelektronik” der Europäischen Forschungsgesellschaft für Dünne SchichtenPresident of technical committee „Thin Films for Optics and Optoelectronics”of the European Society of Thin Films

• Chair of High Level Expert Meeting„Design and Technology of Optical Coatings”, Anzio, Italien

• Mitglied des Vorstandsrats der DeutschenPhysikalischen GesellschaftMember of the Board of Directors Council ofDeutsche Physikalische Gesellschaft

• Leitung des Otti-Profiforums „Moderne Optische Technologien”, 3.–4.12.2003, RegensburgDirection of the OTTI professional forum„Modern optical technologies”, 3.–4.12.2003, Regensburg

Dr. Gunther Notni:

• Beirat (Editorial Board): „Zeitschrift für Angewandte Gewässerökologie”

• VDI/VDE-GMA Fachausschuss 3.32. „Optische 3-D-Messtechnik”VDI/VDE-GMA board 3.32. „Optical 3-D measurement”

• Fachverband Photonik und PräzisionstechnikSPECTARIS, Fachgruppe „Industrielle Messtechnik und Sensorik”SPECTARIS Association, board Metering solutions

• Session Chair Int. SPIE Conference „Optical Measurement Systems for IndustrialInspection”, München, 23.–26.6.2003

• Gutachter (Referee): DFG, VC



Prof. Dr. Andreas Tünnermann:

• Verbundkoordinator BMBF-Leitprojekt:„MICROPHOT”Joint Coordinator of the „MICROPHOT” project of the German Ministry of Educationand Research

• Board Member European Physical Society –Quantum Electroncis and Optics Division

• Member Scientic Advisory Board OpticsCommunication

• Aufsichtsrat Biocentiv JenaMember of the board of directors of „Biocentiv Jena”

• Vorstand OptoNet e.V.Member of the board of managing directorsof „OptoNet e.V.”

• Beirat VDI-Kompetenzfeld Optische Technologien„VDI Field of Competence Optical Technologies” advisory board member

• General Chair CLEO Europe 2003, München• Program Committee Member ASSP 2003,

San Antonio• Program Committee Member

Micromachining for micro- and nano-opticsconference; Photonics West 2003

• Gutachter (Referee): Optical Letters, Optical Community, Applied Physics B,Applied Optics

• Persönliches Mitglied: DPG, EPS, OSA, IEEE, WLTPersonal member of: DPG, EPS, OSA, IEEE, WLT

Dr. Christoph Wächter:

• Program Committee „Integrated Optics Devices VI SPIE – The International Societyfor Optical Engineering”

• Member Technical Committee Workshop„Optical Waveguide Theory and NumericalModelling”

• Arbeitskreis „Integrierte Optik” (AKIO)Study group „Integrated Optics”

Dr. Uwe-Detlef Zeitner:

• Gutachter (Referee): „Applied Optics”

3.2 Mitgliedschaften des Fraunhofer IOFMembershipsof the Fraunhofer IOF

Beutenberg Campus e.V.– BCwww.beutenberg.de

BioRegio e. V.www.bioregio.com/jena.htm

DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.www.dechema.de

Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik e. V. – DGaOwww.dgao.de

Europäische Forschungsgesellschaft DünneSchichten e. V. – EFDSwww.efds.org

European Optical Society – EOSwww.europeanopticalsociety.org

Fachverband für Sensorik e. V. – AMAwww. ama-sensorik.de

fanimat – Funktionelle anorganisch-nichtmetallische Materialien www.fanimat.de

FasiMiT – Aus- und Weiterbildungsnetzwerkzur Fachkräftesicherung in der Mikrosystemtechnik in Thüringen www.fasimit.de

Fraunhofer-Allianz Rapid Prototypingwww.rapidprototyping.de

Fraunhofer-Allianz Visionwww.vision.fraunhofer.de

Fraunhofer-Verbund Oberflächentechnikund Photonik VOPwww.vop.fraunhofer.de

Industrieverband SPECTARISwww.spectaris.de

Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung e. V. – UPOBwww.upob.de

Kooperationsverbund Präzision aus Jenawww.praezision-aus-jena.de

Mikrotechnik Thüringen e. V. – MTTwww.mikrotechnik-thüringen.de

Netzwerk Mikrotechnologie in Formenbau und Spritzgießtechnikwww.micromold.net

OphthalmoInnovation e. V.www.ophthalmoInnovation.de

OptoNet e. V.www.optonet-jena.de

Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e. V. – WLTwww.wlt.de



4. Besondere Ereignisse Special Events

Feierliche Einweihung des Institutsneubaus Celebratory inauguration of the new institute 7. März 2003, Fraunhofer IOF, Jena

Winterschule Optische SchichtenWinter school Optical Coatings13.–14. März 2003 in Tabarz

1. Thüringer Tage der Optischen Technologien1. Thuringia days of optical technologies6.–8. Mai 2003, Beutenberg Campus, Jena

OptoNet Workshop „Mikrooptische Systeme”„Microoptical Systems”7. Mai 2003, Fraunhofer IOF, Jena

VDI Seminar „Optische 3-D-Messtechnik”der Fraunhofer-Allianz Vision am IOF3.–4. Juli 2003, Fraunhofer IOF, Jena

Ehrenkolloquium anlässlich des Instituts-leiterwechsels am Fraunhofer IOFColloquim on the occasion of handing over ofthe direction at the Fraunhofer IOF 10. September 2003, Fraunhofer IOF, Jena

DgaO-Schule OptikFormung von Licht – Räumliche und zeitliche ModulationDgaO school of OpticsMoulding of Light – Spatial and Temporal Modulation16.–19. September 2003, Fraunhofer IOF, Jena

Workshop„Optical Coating Design and Monitoring”19. September 2003, Fraunhofer IOF, Jena

OptoNet Workshop „Optische Schichten” „Optical Coatings”22. Oktober 2003, Fraunhofer IOF, Jena

Fachkräftesicherung in der Mikrosystemtechnik in ThüringenSafeguarding of specialists in Thuringia’s microsystems technology25. November 2003, Fraunhofer IOF, Jena

5. PreisePrices

Otto-Schott-Forschungspreis 2003Otto Schott Research AwardProf. Dr. rer. nat. habil. Andreas Tünnermann

Josef-von-Fraunhofer-PreisKratzfeste reflexmindernde Beschichtung AR-hard® für transparente KunststoffeDr. rer. nat. Ulrike Schulz, Dipl.-Ing. Peter Munzert,Dr. rer. nat. habil. Norbert Kaiser

6. Berichterstattung in den MedienMedia Coverage

Im Jahr 2003 wurde insgesamt 187 mal über dasFraunhofer IOF in den deutschsprachigen Medienberichtet (kein Anspruch auf Vollständigkeit).Darunter waren 132 Artikel in Zeitungen undZeitschriften, 38 Berichte im Fernsehen undzusätzlich 17 Artikel in Online-Publikationen.

In the German media there were 187 reportsabout Fraunhofer IOF in 2003. This includes 132 articles in newspapers and journals, 38 television reports and additional 17 onlinepublications.


Eindrücke von den ersten Tagen der Optischen Technologien

Impressions from the 1. Thuringia days of optical technologies

Fachkräftesicherung in der Mikrosystemtechnik in Thüringen: Aufmerksame Zuhörer und angeregte Gespräche

Safeguarding of specialists in Thuringia’s micro systems technology: Attentive auditors and motivated discussions


Patentanmeldungen 2003Patent Applications 2003

(P1)Beckert, E.; Damm, C.; Eberhardt, R.; Schreiber, P.Keramiksubstrate mit integrierten mechanischen Strukturen zum direkten Fassen von optischen BauelementenAnmelde-Az.: 103 47 450.1

(P2)Danz, N.; Schäfer, B.; Harz, M.; Büttner, A.; Schreiber, P.Anordnung und Verfahren zur optischenDetektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülenund/oder PartikelnAnmelde-Az.: 103 24 973.7

(P3)Guyenot, V.; Damm, C.; Gebhardt, A.; Siebenhaar, C.; Peschel, T.Verfahren und Vorrichtung zur Herstellungvon Referenzflächen an Fassungen optischer Elemente durch eine spanendeBearbeitung sowie damit hergestellte optische ElementeAnmelde-Az.: 103 22 587.0-51

(P4)Kalkowski, G.; Damm, C.; Peschel, T.; Müller, S. (Philips); Kunze, N. (Philips)Halterung für optische Elemente sowie Verfahren zur HerstellungAnmelde-Az.: 103 16 926.1

(P5)Kalkowski, G.; Schreiber, P.; Waldhäusl, R. (Zeiss Jena); Mühlhoff, D. (Zeiss Jena); Tröllsch, A. (Zeiss Jena)Projektionsvorrichtung mit FeedbackfunktionAnmelde-Az.: 103 12 624.4

(P6)Notni, G.; Kühmstedt, P.; Riehemann, S.Vorrichtung und Verfahren zur Vermessungvon Entfernungen und/oder räumlichenKoordinaten eines GegenstandesAnmelde-Az.: 103 44 051.8

(P7)Riehemann, S.; Palme, M.; Notni, G.Beleuchtungsbaugruppe zur Vermessung der optischen Eigenschaften von Linsen und ObjektivenAnmelde-Az.: 103 44 788.1

(P8)Risse, S.; Damm, C.; Peschel, T.; Harnisch, G.Leichtgewichtsstruktur für Spiegel, Objekthalter und Trägerplatten und Verfahren zu ihrer HerstellungAnmelde-Az.: 103 23 176.5

(P9)Schulz, U.; Kaiser, N.; Schallenberg, U. (mso-Jena)Optisches System zur Verringerung derReflexion optischer transparenter SubstrateAnmelde-Az.: 103 46 282.1

(P10)Schulz, U.; Munzert, P.; Kaiser, N.; Hofmann, W. (Fresnel Optics); Bitzer, M. (FresnelOptics); Gebhardt, M. (Fresnel Optics)Verfahren und Werkzeug zur Herstellungtransparenter optischer Elemente aus polymeren StoffenAnmelde-Az: 103 18 566.6-51

Patente

Patents



Deutsche Patenterteilungen 2003Patent Assignation (Germany)

(P1)Bräuer, A.; Danz, N.; Waldhäusl, R. (Zeiss Jena);Kindervater, R. (Gene disc)Vorrichtung zur Durchführung von biochemischen FluoreszenztestsVeröffentlichungsnummer: DE 101 12 455

(P2)Buß, W.; Kleinle, S.; Poßner, T.Verfahren und Einrichtung zur optischenErfassung eines Fluiddots auf einem SubstratVeröffentlichungsnummer: DE 195 10 402

(P3)Damm, C.; Weber, C.; Schmidt, I. (Klinikum FSU Jena); Schmitz, H. (Klinikum FSU Jena); Markgraf, E. (Klinikum FSU Jena)Fingerfixateur mit Bewegungsmöglichkeiteines Gelenkes an einem gebrochenen FingerVeröffentlichungsnummer: DE 198 56 890

(P4)Feigl, T.; Kaiser, N.; Yulin, S.Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Schichtsystems zur Reflexion von Strahlung im extremenultravioletten Spektralbereich (EUV)Veröffentlichungsnummer: DE 100 11 548

(P5)Glöckner, S.; Göring, R.Mikrooptischer Laserscanner und AbtastverfahrenVeröffentlichungsnummer: DE 197 52 888

AusländischePatenterteilungen 2003Patent Assignation (EP, US)

(P6)Karthe, W.; Bräuer, A.; Eismann, F. (Carl ZeissJena); Köhler, M. (Carl Zeiss Jena); Waldhäusl, R. (Carl Zeiss Jena); Danz, N.Anordnung zur Detektion biochemischeroder chemischer Substanzen mittels Fluoreszenzlichtanregung und Verfahren zu deren HerstellungEP-Veröffentlichungsnummer: EP 0 988 526US-Veröffentlichungsnummer: US 6,534,011

(P7)Mohaupt, M.Verfahren und Vorrichtung zur Vereinzelungvon ring- oder scheibenförmigen Bauteilen EP-Veröffentlichungsnummer: EP 1 086 780

Marken 2003Marks 2003

(M1)AR-hard®

Az.: 302 61 784.1/09

Gebrauchsmuster 2003Petty Patents 2003

(G1)Feigl, T.; Kaiser, N.; Yulin, S.Thermisch stabiles Schichtsystem zur Reflexion von Strahlung im extremen ultravioletten Spektralbereich (EUV)Az.: 200 23 408.0



1. VorlesungenLectures

Dr. Andreas BräuerMicrooptical TechnologiesInstitut Teknologi Bandung/IndonesienAuditorium: Students/scientists from Indonesia,Malaysia, Thailand, Korea, Australia

Dr. Ramona EberhardtMikromontageFachhochschule JenaAuditorium: Studenten, MBA

Dr. Claudia GärtnerMicrofluidics: Technology and ApplicationShort Course Photonics West 2003, San Jose, USA

Dr. Volker GuyenotOptikmontageFachhochschule JenaAuditorium: Studenten, MBA

Dr. Norbert KaiserBeschichtungstechnikFachhochschule Jena, Auditorium: Studenten

Dr. Peter SchreiberRäumliche Formung von LaserbündelnDGaO-Schule am Fraunhofer IOF in JenaAuditorium: Mitglieder der DGaO

Ulrich StreppelProcessing of Optical PolymersInstitut Teknologi Bandung/IndonesienAuditorium: Students/scientists from Indonesia,Malaysia, Thailand, Korea, Australia

Dr. Uwe-Detlef ZeitnerInterne Formung von LaserstrahlungDGaO-Schule am Fraunhofer IOF in JenaAuditorium: Mitglieder der DGaO

2. DiplomarbeitenDiploma Theses

Frank BarkuskyStrukturoptimierung laserlithographisch hergestellter mikrooptischer ElementeFachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen, 09/03

Nicolas BenoitRadiation stability of EUV optics: Contamination issuesEcole Nationale Supérieure de Physique de Marseille, 09/03

Patrick BernitzUntersuchungen zur Herstellung von Mikrostrukturen mittels UltrapräzisionsbearbeitungFachhochschule Jena, 04/03

Dominique BuchenauCharakterisierung der optischen sowie elektrooptischen Eigenschaften reflektierender FlüssigkristallmikrodisplaysFachhochschule Jena, 03/03

Lutz FreytagUntersuchung von Positionierbewegungenunter Einleitung von mechanischen Schwingungen und statischen KräftenFachhochschule Jena, 10/03

Henning GeßnerUntersuchungen zur winkelaufgelöstenStreuung, Transmission und Reflexion mittelsExcimer-Laser-Strahlung bei 193 nm und 157 nm an optischen SchichtkomponentenFriedrich-Schiller-Universität Jena, 01/03

Stefan GuddeiEntwicklung von Vorrichtungen zur Handhabung von HaarenFachhochschule Jena, 05/03

Michaela HarzSPR-Sensor zur parallelen Detektion vonmehreren biochemischen ProbenFachhochschule Jena, 12/03

Ludwig KuttnerEntwicklung, Konstruktion, Realisierung undTest eines FasermehrfachgreifersFachhochschule Jena, 02/03

Jork LeitererSpektralfotometrie mit Excimerlaser für den VUV-SpektralbereichFriedrich-Schiller-Universität Jena, 11/03

Toni ReitzMesstechnische Untersuchungen zur Rastersondenmikroskopischen Struktur- und Rauheitsanalyse über ausgedehnte Ortsfrequenzbereiche für die Vermessungvon Oberflächen und Schichten mit NanometerstrukturenFachhochschule Zwickau, 02/03

Nadine SchalmEntwicklung eines Messplatzes zur Bestimmung der Abbildungsqualität vonminiaturisierten KameraobjektivenFachhochschule Jena, 12/03

3. DissertationenDissertations

Dr. rer. nat. Norbert DanzUntersuchungen zur spontanen Emission von organischen Farbstoffmolekülen inSchichtsystemenFriedrich-Schiller-Universität Jena, Physikalisch-Astronomische Fakultät, 10/03

Dr.-Ing. Stefan GliechEntwicklung und Anwendung eines Messsystems zur Bestimmung des totalenStreulichts von optischen und technisch rauhen OberflächenTechnische Universität Ilmenau, 10/03

Dr. rer. nat. Peter KühmstedtUntersuchung zur Messunsicherheit bei 3D-Formmessverfahren mit strukturierterBeleuchtungErnst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, 04/03

4. Ausbildung und Betreuung Training and Supervision

Azubis, Schüler, Praktikanten/Trainees, Pupils, Interns

Im Fraunhofer IOF wurden im Jahr 2003 insge-samt 11 Schüler und 17 Praktikanten betreut.Außerdem wurden 11 Jugendliche für einenBeruf ausgebildet, 4 Physiklaboranten, 6 Industriemechaniker und 1 Bürokauffrau.

In the year 2003 the Fraunhofer IOF supervised11 pupils and 17 interns. 11 youths were trainedfor a profession including 4 laboratory techni-cians specialized in physics, 6 industrial mechanicand 1 clerk.

Bildungsaktivitäten

Educational Activities



1. MessebeteiligungenScience Fair Participation

Biotrends 200311.2.–14.2., Berlin, Deutschland, Germany

BioAnalytica 20031.4.–4.4., München, Deutschland, Germany

Control 2003Fraunhofer-Verbund Vision, Fraunhofer-Alliance Vision,6.5–9.5., Sinsheim, Deutschland, Germany

Laser 200323.6.–26.6., München, Deutschland, Germany

Productronica 200311.11.–14.11., München, Deutschland, Germany

Biotechnica 20037.10.–9.10., Hannover, Deutschland, Germany

Nanotech 200325.11.–27.11., Montreux, Schweiz, Switzerland

Euromold 2003Fraunhofer Allianz Rapid Prototyping, Fraunhofer Network Rapid Prototyping,3.12.–6.12., Frankfurt/Main, Deutschland, Germany

2. Ausstellungsthemen und ExponateThemes and exhibits

• Mobiles multi-view 3-D-Messsystem „G-Scan”Mobile multi-view 3-D Measurement System „G-Scan”

• Flexibles 3-D-Messsystem „kolibri-flex”Flexible 3-D Measurement System „kolibri-flex”

• Demonstratoren für SilberinselfilmeDemonstrator for silver island films

• Interferenzschichten auf Plastik und GlasInterference films on plastics and glass

• Antireflexschichten auf PMMA, hergestellt durch IonenätzenAntireflection films on PMMA by ion etching

• Kratztest für AR-hard® SchichtenScratch test for AR-hard® films

• 1:3-Mo/Si Schwarzschildobjektiv für EUV, λ = 13,5 nm1:3 Mo/Si Schwarzschild objective for EUV, λ = 13,5 nm

• Optisches Mikrofon z. B. für medizinischeAnwendungen (Computertomograph)Optical microphone e. g. in life science (computer tomograph)

• R-G-B-LED-Modulz. B. für die digitale ProjektionR-G-B LED module e. g. for digital imaging

• Laserstrahllötenmikrooptischer BaugruppenLaser beam soldered microoptical systems

• Design und Herstellung ultrapräziser BauelementeDesign and machining of ultra-precision components

• Rotationsscanner zur StrahlablenkungRotating scanner for laser beam deflection

• Vakuum-Chuckfür HalbleiteranwendungenVacuum chuck for semiconductormanufacturing

• Automatische FaserjustierungAutomatic fibre adjustment

• Mikrofluidische Systeme für live science AnwendungenMicrofluidic systems for live scienceapplications


Messebeteiligungen

Science Fair Participation

Control 2003 Laser 2003

Productronica 2003 Euromold 2003


Wissenschaftliche PublikationenScientific Publications

Bakonyi, Z.; Hui Su; Onishchukov, G.; Lester, L. F.;Gray, A. L.; Newell, T. C.; Tünnermann, A.High-Gain Quantum-Dot SemiconductorOptical Amplifier for 1300 nmIn: IEEE Journal of Quantum Electronics 39(2003) 11 p. 1409–1414, ISSN 0018-9197

Bauer, N.; Notni, G.; Zacher, M.Rundum 3D-Messsysteme für große und komplexe TeileIn: QZ Qualität und Zuverlässigkeit 48 (2003) 5 S.475–477, ISSN 0720-1214

Becker, H.; Gärtner, C.Microreplication technologies for polymer-based µ-TAS applicationsIn: Lab-on-a-Chip: Chemistry in miniaturized synthesis and analysis systems (2003) p. 21–36,ISBN 0-444-51100-8

Bräuer, A.; Dannberg, P.; Zeitner, U.; Mann, G.; Karthe; W.Application oriented complex polymer microopticsIn: Microsystem Technologies 9 (2003) 5 p. 304–307, ISSN 0946-7076

Danz, N.; Heber, J.; Bräuer, A.; Kowarschik, R.Fluorescence lifetime of molecular dye ensembles near interfacesIn: Physical Review A 66 (2002) 6 p. 063809-1 – 7, ISSN 0556-2791

Duparré, A.; Gliech, S.; Benkert, N.VULSTAR: A laser based system for measuring light scattering, transmittance,and reflectance at 157 nm and 193 nmIn: Instruments and Standard Test Procedures forLaser Beam and Optics CharacterizationAbschlussbericht zum Projekt „CHOCLAB II”,VDI-Technology Center (2003) p. 213–222

Duparré, A.; Gliech, S.; Hultaker, A.Methology to evaluate light scatter mechanisms of VUV substrates and coatingsIn: Instruments and Standard Test Procedures forLaser Beam and Optics Characterization,Abschlussbericht zum Projekt „CHOCLAB II”,VDI-Technology Center (2003) p. 223–232

Duparré, J.; Göring, R.Numerical wave optical analysis of microlens array telescopes and comparisonwith experimental resultsIn: Applied Optics 42 (2003) 19 p. 3992–4001,ISSN 0003-6935

Duparré, J.; Götz, B.; Göring, R.Micro-optical 1 x 4 fiber switch for multimode fibers with 600 µm core diameterIn: Applied Optics 42 (2003) 34 p. 6889–6896,ISSN 0003-6935

Erdem A.; Ultanir, E.A.; Stegemann, G.; Michaelis, D.; Lange, C.; Lederer, F.Stable Dissipative Solitons in Semiconductor Optical AmplifiersIn: Physics Review Letters 90 (2003) 25 p.253903, ISSN 0031-9007

Ferrari, M.; Hellige, G.; Schlosser, M.; Frerichs, I.;Damm, C.; Müller, E.; Guyenot, V.; Figulla, H.R.Percutaneous aortic valve replacement witha self-expandable stent-valve-device in thebeating heart – first animal resultsIn: Journal of the American College of Cardiology 41 (2003) 4a p. 419, ISSN 0735-1097

Ferrari, M.; Hellige, G.; Schlosser, M.; Frerichs, I.;Damm, C.; Müller, E.; Guyenot, V.; Figulla, H.R.Percutaneous aortic valve replacement with a self-expandable stent-valve-device in the beating heart – in vivo stress testing in an animal modelIn: European Heart Journal 24 (2003) Supplement p. 150, ISSN 1520-765X

Ferrari, M.; Schlosser, M.; Frerichs, I.; Müller, E.;Eisold, G.; Tenner, I.; Hellige, G.; Figulla, H.R.Hämodynamische Eigenschaften eines Aortenklappen-Stents in vivoIn: Zeitschrift für Kardiologie 92 (2003) Supplement 1 p. 392, ISSN 0303-6308

Gatto, A.Coatings for UV-Free Electron LasersIn: Optical Interference Coatings, Springer Seriesin Optical Sciences Volume 88 (2003) p. 335–358, ISBN 3-540-00364-9

Heber, J.; Mühlig, C.; Triebel, W.; Danz, N.;Thielsch, R.; Kaiser, N.Deep UV laser induced fluorescence in fluoride thin film ?In: Applied Physics A 76 (2003) 1 p. 123–128,ISSN 0947-8396

Herda, R.; Liem, A.; Schnabel, B.; Drauschke, A.;Fuchs, H.-J.; Kley, E.-B.; Tünnermann, A.Efficient side-pumping of fiber lasers using binary gold diffraction gratingsIn: Electronics Letters 39 (2003) 3 p. 276–277,ISSN 0013-5194

Houbertz, R.; Domann, G.; Cronauer, C.;Schmitt, A.; Martin, H.; Park, J.-U.; Fröhlich, L.;Buestrich, R.; Popall, M.; Streppel, U.; Dannberg, P.; Wächter, C.; Bräuer, A.Inorganic-Organic Hybrid Materials forApplication in Optical DevicesIn: Thin Solid Films 442 (2003) 1–2 p. 194–200,ISSN 0040-6090

Houbertz, R.; Fröhlich, L.; Popall, M.; Streppel, U.; Dannberg, P.; Bräuer, A.; Serbin, J.; Chichkov, B.N.Inorganic-organic hybrid polymers for information technology – from planar technology to 3-D nanostructuresIn: Advanced Engineering Materials 5 (2003) 8 p.551–555, ISSN 1438-1656

Kaiser, N.; Pulker; H. (Editors)Optical Interference Coatings, Springer Series in Optical Sciences, Volume 88 (2003), ISBN 3-540-00364-9

Kaiser, N. Some Fundamentals of Optical Thin Film GrowthIn: Optical Interference Coatings, Springer Seriesin Optical Sciences, Volume 88 (2003) p. 59–80,ISBN 3-540-00364-9

Kaufmann, S.; Zeitner, U.D.Short-periodic measuring of great retardations with a modified Senarmont-methodIn: Optik 114 (2003) 8 p. 360–364, ISSN 0030-4026

Liem, A.; Limpert, J.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.100 W single-frequency master-oscillatorfiber power amplifierIn: Optics Letters 28 (2003) 17 p. 1537–1539,ISSN 0146-9592

Limpert, J.; Clausnitzer, T.; Liem, A.; Schreiber, T.;Fuchs, H.-J.; Zellmer, H.; Kley, E.-B.; Tünnermann, A.High average power femtosecond fiber CPA systemIn: Optics Letters 28 (2003) 20 p. 1984–1986,ISSN 0146-9592

Limpert, J.; Liem, A.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.500 W continuous-wave fiber laser with excellent beam qualityIn: Electronics Letters 39 (2003) 8 p. 645–647,ISSN 0013-5194

Wissenschaftliche Publikationen

Scientific Publications



Limpert, J.; Schreiber, T.; Nolte, S.; Zellmer, H.;Tünnermann, A.; Iliew, R.; Lederer, F.; Broeng, J.;Vienne, G.; Petersson, A.; Jakobsen, C.High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fiber laserIn: Optics Express 11 (2003) 7 p. 818–823, ISSN 1094-4087

Limpert, J.; Schreiber, T.; Liem, A.; Nolte, S.;Zellmer, H.; Peschel, T.; Guyenot, V.; Tünnermann, A.Thermo-optical properties of air-cladphotonic crystal fiber lasers in high power operation In: Optics Express 11 (2003) 22 p. 2982, ISSN 1094–4087

Luthardt, R. G.; Kühmstedt, P.; Walter, M. H.A new method for the computer-aided evaluation of three-dimensional changes in gypsum materialsIn: Dental Materials 19, (2003) 1 p.19–24, ISSN 0109-5641

Michaelis, D.; Peschel, U.; Wächter, C.; Bräuer, A.Reciprocity theorem and perturbation theory for photonic crystal waveguidesIn: Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 8 (2003) 25In: Physical Review E 68 (2003) 065601(R)

Michaelis, D.; Peschel, U.; Etrich, C.; Lederer, F.Quadrative cavity solitons – the up-conversion caseIn: IEEE Journal of Quantum Electronics 39(2003) 2 p. 255–268, ISSN 0018-9197

Munzert, P.; Schulz, U.; Kaiser, N.Transparent thermoplastic polymers in plasma-assisted coating processesIn: Surface and Coatings Technology 174–175(2003) p. 1048–1052, ISSN 0257-8972

Notni, G.; Kühmstedt, P.Der digitale MenschIn: LASER+PHOTONIK (2003) 4 S. 46–48, ISSN 1610-3521

Notni, G.; Kühmstedt, P.Qualitätskontrolle an Schmiedeteilen –Flächenhafter Soll-Ist-Vergleich In: Nahbereichsphotogrammetrie in der Praxis(2002) S. 203–206, ISBN 3-87907-385-6

Notni, G.; Kühmstedt, P.Qualitätskontrolle an Blechbiegeteilen –Maßbestimmung und flächenhafter Soll-Ist-Vergleich In: Nahbereichsphotogrammetrie in der Praxis(2002) S. 207–210, ISBN 3-87907-385-6

Notni, G.; Kühmstedt, P.Gesichtsvermessung für die kiefer-orthopädische Behandlungsplanung und Verlaufskontrolle In: Nahbereichsphotogrammetrie in der Praxis(2002) S. 241–244, ISBN 3-87907-385-6

Notni, G.H.; Kühmstedt, P.; Heinze, M.; Notni, G.Simultane Erfassung der 3D-Form und Farbe komplexer ObjekteIn: tm – Technisches Messen 70 (2003) 2 S. 79–84, ISSN 0171-8096

Peschel, U.; Michaelis, D.; Weiss, C. O.Spatial solitons in optical cavitiesIn: IEEE Journal of Quantum Electronics 39(2003) 1 p. 51–64, ISSN 0018-9197

Ruske, J.-P.; Werner, E. A.; Zeitner, B.; Tünnermann, A.Integrated optical ultrashort-pulse pickerwith high extinction ratioIn: Electronics Letters 39 (2003) 20 p. 1442–1443, ISSN 0013-5194

Schreiber, P.; Höfer, B.; Dannberg, P.Mikrooptik für die Faserkopplung von Hochleistungs-DiodenlasernIn: Photonik 35 (2003) 6 S. 50, ISSN 1432-9778

Schulz, U.; Schallenberg, U. B.; Kaiser, N.Symmetrical periods for antireflection coating of plastic opticsIn: Applied Optics 42 (2003) 7 p. 1346–1351,ISSN 0003-6935

Skupin, S.; Peschel, U.; Etrich, C.; Lerne, L.; Lederer, F.; Michaelis, D.Simulation of Femtosecond Pulse Propagation in AirIn: Optical and Quantum Electronics 35 (2003) 4 p. 573–582, ISSN 0306-8919

Stenzel, O.; Heger, P.; Kaiser, N.The optical response of silver island filmsIn: Physics, Chemistry and Applications of Nanostructures (2003) p. 158–162, ISBN 981-238-381-6

Stenzel; O.New Challenges in Optical Coating DesignIn: Advances in Solid State Physics 43 (2003) p. 875–887, ISBN 3-540-40150-4

Streppel, U.; Dannberg, P.; Wächter, C.; Bräuer, A.; Kowarschik, R.Formation of micro-optical structures by self-writing processes in photosensitive polymersIn: Applied Optics 42 (2003) 18 p. 3570–3579,ISSN 0003-6935

Tenner, I.; Ferrari, M.; Lutze, D.; Schlosser, M.;Damm, C.; Guyenot, V.; Tosi, A.; Figulla, H. R.Vergleich der strömungsdynamischen Eigenschaften von Aortenklappen, Pulmonalklappen und Perikardbioprothesenfür den transluminalen AortenklappensatzIn: Zeitschrift für Kardiologie 92 (2003) Supplement 1 S. 344, ISSN 0303-6308

Tikhonravov, A. V.; Trubetskov, M. K.; Tikhonravov, A. A.; Duparré, A.Effects of interface roughness on the spectralproperties of thin films and multilayersIn: Applied Optics 42 (2003) 25 p. 5140–5148,ISSN 0003-6935

Trompeter, H.; Peschel, U.; Pertsch, T.; Lederer, F.;Streppel, U.; Michaelis, D.; Bräuer, A.Tailoring guided modes in waveguide arrays In: Optical Express 11 (2003) 25 p. 3404–3411,ISSN 1094-4087

Ultanir, E.; Michaelis, D.; Lederer, F.; Stegman, G.Stable Spatial Solutions in Semiconductor Optical AmplifiersIn: Optics Letters 28 (2003) 4 p. 251–253, ISSN 0146-9592

Yulin, S.Multilayer Coatings for EUV/Soft X-ray MirrorsIn: Optical Interference Coatings, Springer Seriesin Optical Sciences, Volume 88 (2003) p. 281–308, ISBN 3-540-00364-9

Zeitner, U. D.; Kaufmann, S.; Kley, E.-B.Mikrooptisches Sensorsystem zur Bestimmung der Doppelbrechung von TextilfasernIn: Photonik 35 (2003) 1 S. 30, ISSN 1432-9778



Vorträge, Poster, KonferenzbeiträgeLectures, Posters, Proceedings

Banse, H.; Beckert, E.; Eberhardt, R.; Stöckl, W.Laser beam soldering – a joining technology for optical assembliesVortrag: Öffentliches Statusseminar der BMBF-Verbundprojekte Mofa, MOBMO, BAULIN, IMODAS 14.–15.10.2003, München, DeutschlandIn: Tagungsband Statusseminare BMBF Verbund-vorhaben IESSICA; Mofa; MOBMO; BAULIN;IMODAS (2003)

Banse, H.; Beckert, E.; Eberhardt, R.; Stöckl, W.New assembly technologies for microoptical systemsLecture: Hannover Messe 2003, Forum Micro-Technology, 7.–12.4.2003, Hannover, Germany

Banse, H.; Beckert, E.; Eberhardt, R.; Stöckl, W.Laser beam soldering a new technology formicrooptic system packagingLecture: MST-User Forum, PRODUCTRONICA,11.–14.11.2003, Munich, Germany

Banse, H.; Beckert, E.; Eberhardt, R.; Stöckl, W.Laser beam soldering of microoptical componentsLecture: LASER 2003 , Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Beckert, E.Integration of optics, electronics and mechatronics on miniaturized platformsLecture: PRODUCTRONICA, 11.–14.11.2003,Munich, Germany

Beckert, E.; Damm, C.; Eberhardt, R.; Schreiber, P.Integration of optics electronics and mechatronics on miniaturized platformsLecture: MICRO.tec 2003, 14.–15.10.2003,Munich, GermanyIn: Proceedings MICRO.tec 2003 (2003) p.179–183

Benkert, N.; Gliech, S.; Geßner, H.; Duparré, A.Messsystem zur Bestimmung der winkel-abhängigen Lichtstreuung, Transmission und Reflexion bei 157 nm und 193 nmPoster: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Brakhage, P.; Heinze, M.; Notni, G.; Kowarschik, R.Influence of the pixel size of the camera on3D measurements with fringe projectionLecture: SPIE´s International Symposium on Optical Metrology 23.–26.6.2003, Munich, GermanyIn: SPIE Proceedings Vol. 5144 (2003) p. 478–483, ISBN 0-8194-5014-6

Bräuer, A.Technologische Entwicklungs- und Anwendungsperspektiven mikrooptischer SystemeVortrag: Kooperationsforum „Innovation durch mikrooptische Systeme”, 26.11.2003, München, Deutschland

Bräuer, A.Microoptical Systems developed at Fraunhofer IOF JenaLecture: LASER 2003, Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Bräuer, A.Anwendungsnahemikrooptische TechnologienVortrag (Eingeladen): Photonic-Net „OptischeTechnologien in der Mikrosystemtechnik inKooperation mit VDI/VDE-IT”, Mai 2003, Hannover, Deutschland

Bräuer, A.;Anwendungsorientierte mikrooptische SystemeVortrag: AK „Mikrotechnik Thüringen”, April 2003, Erfurt, Deutschland

Bräuer, A.; Schreiber, P.Mikrooptische SystemeVortrag: 6. Chemnitzer Fachtagung Mikrosystemtechnik,29.–30.10.2003, Chemnitz, Deutschland

Bräuer, A.; Schreiber, P.; Danz, N.Advances in Microoptical SystemsInvited Lecture: International Symposium onModern Optics and Its Applications, 25.–29.8.2003, Bandung, Indonesia

Bräuer, A.; Streppel, U.; Pertsch, T.; Peschel, U.; Lederer, F.Anomalous light propagation and diffraction control in waveguide arraysIn: SPIE Proceedings Vol. 4805 (2002) p. 41–48,ISBN 0-8194-4573-8

Büttner, A., Zeitner, U.D.Micro-Optical Component Fabrication by Laser-LithographyInvited Lecture: Micromachine Show,14.11.2003, Tokyo, Japan

Büttner, A.; Zeitner, U. D.Intracavity Beamshaping in Waveguide LasersLecture: SPIE International Symposium OpticalScience and Technology, 3.–8.8.2003, San Diego, USA

Clausnitzer, I.; Fuchs, H.-J.; Kley, E.-B.;Tünnermann, A.; Zeitner, U. D.Polarizing metal stripe gratings for a micro-optical polarimeterLecture: SPIE Annual Meeting Lithographic and Micromachining Techniques for OpticalComponent Fabrication II, 3.–4.8.2003, San Diego, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 5183 (2003) p.8–15,ISBN 0-8194-5056-1

Danz, N.Grenzflächeneffekte bei der Fluoreszenz von organischen FarbstoffmolekülenVortrag: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Duparré, A.Untersuchung der Mikro- und Nanorauhigkeit von Oberflächen mittelsStreulichtmessungVortrag: VDI/VDE Fachtagung „Mess- und Automatisierungstechnik”,12.–12.2.2003, Stuttgart, DeutschlandIn: Metrologie in der Mikro- und Nanotechnik,VDI-Berichte 1669 (2003) S. 43–51, ISBN 3-18-091669-9

Duparré, A.; Singh, B. EditorsSPIE Proceedings Vol. 5188 (2003), ISBN 0-8194-5061-8

Duparré, A.; Gliech, S.Oberflächenanalysemit StreulichtmessverfahrenVortrag: EFDS Workshop „Reinigung in der Nano-Oberflächentechnik”, 18.11.2003, Dresden, DeutschlandIn: Tagungsband EFDS Workshop „Reinigung in der Nano-Oberflächentechnik”, 18.11.2003, Dresden, Deutschland

Duparré, J.; Schreiber, P.; Bräuer, A.; Völkel, R.Theoretical analysis of an artificial compound eye for application in ultra flatdigital image acquisition devicesPoster: Canada-Germany Young Scientists in Photonics Workshop, 2.–3.9.2003, Ottawa, CanadaLecture: Canada-Germany Young Scientists in Photonics Workshop, 2.–3.9.2003, Ottawa, Canada



Duparré, J.; Göring, G.Theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Mikrolinsenarray-Teleskopanordnungen für variable StrahlablenkungPoster: 104. Tagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Duparré, J.; Schreiber, P.; Völkel, R.Theoretical analysis of an artificial superposition compound eye for applicationin ultra flat digital image acquisition devicesLecture: SPIE´s International Symposium on Optical System Design, 29.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Eberhardt, R.Aufbau- und Verbindungstechnik mikrooptischer SystemeVortrag: OTTI-Profiforum „Moderne optische Technologien”,3.–4.12.2003, Regensburg, Deutschland

Eberhardt, R.Laser beam soldering – a new technology for microoptical system packagingPoster: Fachtagung: Optische Technologien für die Mikrofertigung, PRODUCTRONICA,11.–14.11.2003, Munich, Germany

Eberhardt, R.; Banse, H.; Beckert, E.; Stöckl, W.Laser beam soldering of microoptical componentsPoster: OptiFab 19.–22.5.2003, Rochester, USAIn: Technical Digest of SPIE – OptiFab 19.–22.5.2003, Rochester, USA (2003) p. 152–154, ISBN 0-8194-5104-5

Ehlers, H.; Becker, K.; Beckmann, R.; Beermann, N.; Brauneck, U.; Fuhrberg, P.; Gäbler, D.; Jakobs, S.; Kaiser, N.; Kennedy, M.;König, F.; Laux, S.; Müller, J. C.; Rau, B.; Riggers, W.; Ristau, D.; Schäfer, D.; Stenzel, O.Ion Assisted Deposition Processes: Industrial Network IntIonLecture and Poster: Advances in Optical ThinFilms, 30.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Feigl, T.EUV and soft X-ray opticsLecture: Photonics Forum, Laser 2003,25.6.2003, Munich, Germany

Feigl, T.Schichten für kurze WellenlängenVortrag: OptoNet Workshop „Optische Schichten”, 22.10.2003, Jena, Deutschland

Feigl, T.; Frank, M.Möglichkeiten von Beschichtungen zur Einstellung der spektral selektiven Reflexionvon GlasoberflächenVortrag: Workshop „Vogelanprall an Glasflächen", 28.11.2003, Wien, Österreich

Feigl, T.; Yulin, S.; Stöckl, W.; Kaiser, N.Large area sputtering system for EVVL opticsPoster: 2nd EVVL Symposium, 30.9.–2.10.2003, Antwerp, Belgium

Feigl, T.; Yulin, S.; Stöckl, W.; Kaiser, N.; Deppisch, G.; Stiegler, J.; Fukarek, W.; Willkommen, U.; Bernitzki, H.; Lauth, H.Development of a large area sputteringsystem for EUVL opticsLecture: SPIE International Symposium Microlithography, 26.2.2003, Santa Clara, USA

Feigl, T.; Yulin, S.; Stöckl, W.; Kaiser, N.New EUV Sputtering System for EUVL optics – first resultsLecture: Ukrainian-German EUV Workshop,2.9.2003, Charkov, Ukraine

Ferrari, M.; Hellige, G.; Schlosser, M.; Damm, C.;Frerichs, I.; Eisold, G.; Lang, K.; Müller, E.; Guyenot, V.; Figulla, H. R.Erste transluminale Implantation einer Aortenklappe am schlagenden Herzen im TierexperimentVortrag: Statusseminar, 29.8.2003, Bonn, Deutschland

Ferrari, M.; Hellige, G.; Schlosser, M.; Frerichs, I.;Damm, C.; Müller, E.; Guyenot, V.; Figulla, H. R.Percutaneous aortic valve replacement with a self-expandable stent-valve-device in the beating heart – in vivo stress testing in an animal modelLecture: ESC Congress 2003, 30.8.–3.9.2003, Vienna, Austria

Ferrari, M.; Schlosser, M.; Frerichs, I.; Müller, E.;Eisold, G.; Tenner, I.; Hellige, G.; Figulla, H. R.Hämodynamische Eigenschaften eines Aortenklappen-Stents in vivoVortrag: 69. Frühjahrstagung 2003 der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie – Herz- und Kreislaufforschung, 24.–26.4.2003, Mannheim, Deutschland

Flemming, M.; Hultaker, A.; Reihs, K.; Duparré, A.Modeling and characterizing thin film nanostructures for ultrahydrophobic surfaces with controlled optical scatterLecture: Optical Systems Design 2003, 29.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Flemming, M.; Kaless, A.; Reihs, K.; Duparré, A.Bewertung nanostrukturierter funktionaler Oberflächen: visuelle Inspektion vs. laserbasierte MessungVortrag: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Flemming, M.; Reihs, K.; Duparré, A.Characterization procedures for nanroughultrahydrophobic surfaces with controlledoptical scatterLecture: SPIE´s 48th Annual Meeting OpticalScience and Technology, 3.–8.10.2003, San Diego, USAIn: SPIE Proceedings, Vol. 5188 (2003) p. 246–253, ISBN 0-8194-5061-8

Gärtner, C.; Anton, B.; Rötting, O.The Microfluidic Tool Box – Examples forFluidic Interfaces and Standardization ConceptsPoster: Nanotech 2003, 25.–27.11. 2003, Montreux, SwitzerlandIn: MICRO.tec 2003 : Technologies-Engineering-Applications p. 387–390, ISBN 3-8007-2791-9In: Proceedings: Micro System Technologies(2003) p. 424–430

Gärtner, C.; Becker, H.; Anton, B.; O'Neil, A. P.; Rötting, O.Polymer-based microfluidic devices – Examples for Fluidic Interfaces and Standardization ConceptsLecture: Conference: Microfluidics, BioMEMSand Medical Microsystems 27.–29.1.2003, San Jose, California, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 4982 (2003) p. 99–104, ISBN 0-8194-4782-X

Gatto, A.; Kaiser, N.; Günster, S.; Ristau, D.;Sarto, F.; Trovo, M.; Danailov, M.Synchrotron radiation induced damages in optical materialsIn: SPIE Proceedings Vol. 4932 (2003) p. 366–372, ISBN 0-8194-4727-7

Günster, St.; Blaschke, H.; Ristau, D.; Gatto, A.;Heber, J.; Kaiser, N.; Diviacco, B; Marsi, M.; Trovo, M.; Sarto, F.; Scaglione, S.; Masetti, E.Radiation resistance of optical materials against synchrotron radiationIn: SPIE Poceedings Vol. 4932 (2003)p. 422–428, ISBN 0-8194-4727-7

Gliech, S.; Geßner, H.; Duparré, A.System for measuring angle resolved andtotal light scattering, transmittance andreflectance at 193 nm and 157 nmIn: SPIE Proceedings, Vol. 4932 (2002) p. 452–457, ISBN 0-8194-4727-7



Gliech, S.; Gessner, H.; Hultaker, A.; Duparré, A.157 nm and 193 nm scatter, R and T measurement techniqueLecture: SPIE International Symposium Optical Systems Design, 30.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Gliech, S.; Hultaker, A.; Benkert, N.; Duparré, A.157 nm light scattering effects and nanostructure of CaF2Lecture: SPIE´s 48th Annual Meeting OpticalScience and Technology, 3.–8.10.2003, San Diego, USA

Götz, B.; Helm, O.; Wächter, C.Microoptical components for optical-signal transmissionLecture: MICRO.tec, Öffentliches Statusseminar „MOBMO”, 14.–15.10.2003, München, DeutschlandIn: Broschüre des VDE zur AbschlusspräsentationMOBMO, MICRO.tec 2003 (2003) p. 183–188

Guyenot, V.Mikrowelten – Mikroteile – MikromontageVortrag: IHK Tag der Wissenschaft 6.3.2003, Erfurt, Deutschland

Guyenot, V.35 Jahre Justierdrehen – Ein Beitrag zur Montagetechnologie vonHochleistungsobjektiven HLOVortrag: Verein Technikgeschichte e. V.29.4.2003, Jena, Deutschland

Guyenot, V.Vom Prototyp zur automatisierten Mikrooptik-MontageVortrag: Oberseminar TU München, Fakultät für Elektrotechnik, 23.6.2003, München, Deutschland

Guyenot, V.Adjustment of fiber-optical componentsLecture: LASER 2003, Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Guyenot, V.Mikro- und OptikmontageVortrag: Leica Camera, 10/2003, Solms, Deutschland

Guyenot, V.; Gebhardt, A.Mikrozerspanung (Diamantdrehen,Mikrofräsen) zur Erzeugung finish-bearbeiteter FlächenVortrag: Workshop EFDS & UPOB „InnovativeOberflächen für Uhren und Präzisionstechnik”,9.10.2003, Dresden, DeutschlandIn: Proceedings zum Workshop EFDS & UPOB„Innovative Oberflächen für Uhren und Präzisionstechnik”,9.10.2003, Dresden, Deutschland (2003)

Guyenot, V.; Siebenhaar, C.; Damm, C.; Gebhardt, A.Some thoughts on lens assembly and lens centeringPoster: OptiFab 19.–22.5.2003, Rochester, USAIn: SPIE Vol. TD02 (2003) p. 149–151, ISBN 0-8194-5104-5

Heber, J.; Gatto, A.; Kaiser, N.Spectrophotometry in the vacuum-UVIn: SPIE Proceedings Vol. 4932 (2003) p. 544–548, ISBN 0-8194-4727-7

Heber, J.; Mühlig, C.; Triebel, W.; Danz, N.; Thielsch, R.; Kaiser; N.Luminescence of UV thin filmsIn: SPIE Proceedings Vol. 4932 (2003) p. 269–275, ISBN 0-8194-4727-7

Heger, P.; Stenzel, O.; Kaiser, N.Metal island films for opticsLecture: Advances in Optical Thin Films, 30.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Heger, P.; Stenzel, O.; Kaiser, N.The spectral response of plasmon resonant silver island filmsLecture: Canada-Germany Young Scientists in Photonics Workshop, 2.9.2003, Ottawa, Canada

Houbertz, R.; Domann, G.; Serbin, J.; Chichkov, B.N.; Streppel, U.; Dannberg, P.; Bräuer, A.Inorganic-organic hybrid polymers for information technology from planar technology to 3-D nanostructures for application in photonic devicesPoster: Nanofair, International Nanotechnology Symposium, 20.–21.11.2003, Dresden, Germany

Hultaker, A.; Benkert, N.; Gliech, S.; Duparré, A.Characterizing CaF2 for VUV optical components: roughness, surface scatter and bulk scatterLecture: 7th International Workshop on Laser Beam and Optics Characterization, 18.–20.9.2003, Boulder, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 4932 (2003) p. 444–451, ISBN 0-8194-4727-7

Hultaker, A.; Gliech, S.; Benkert, N.; Duparré, A.VUV light scattering measurement of substrates and thin film coatingsLecture: SPIE International Symposium OpticalScience and Technology SPIE's 48th AnnualMeeting, 3.–8.8.2003, San Diego, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 5188 (2003) p. 115–122, ISBN 0-8194-5061-8

Hultaker, A.; Gliech, S.; Gessner, H.; Duparré, A.Characterization of CaF2 substratesfor VUV fluoride coatingsLecture: SPIE`s International Symposium Optical Systems Design, 30.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Kaiser, N.Beispiele industrieller GemeinschaftsforschungVortrag (Eingeladen): Workshop Materialtechnik und -prüfung (MTP),29.1.2003, Rostock, Deutschland

Kaiser, N.Nanoschichtsysteme für die OptikVortrag (Eingeladen): Jenaer Carl-Zeiss-Optikkolloquium, 18.3.2003, Jena, Deutschland

Kaiser, N.Design optischer SchichtenVortrag (Eingeladen): 6. OTTI-Fachforum Schichten auf Glas,16.4.2003, Bamberg, Deutschland

Kaiser, N.Optische Schichten für den UV-SpektalbereichVortrag (Eingeladen): 6. OTTI-Fachforum Schichten auf Glas,16.4.2003, Bamberg, Deutschland

Kaiser, N.Materials for optical coatingsInvited Lecture: Glass Workshop/Umicore,27.3.2003, Zoersel, Belgium

Kaiser, N.Optical Coatings for the DUV-, VUV-, EUV-and Soft X-Ray Spectral RegionInvited Lecture: 46th Annual Society of Vacuum Coaters, Technical Conference Short Course C-316, 4.5.2003, San Francisco, USA

Kaiser, N.The future of optical coatingsLecture: LASER 2003, Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Kaiser, N.Improved reflectivity and stability of Sc/Si multilayersLecture: Hugh Level Expert Meeting, Design and Technology of Coatings, 23.9.2003, Bonassola, Italy

Kaiser, N.Optik metallischer NanostrukturenVortrag (Eingeladen): OTTI-Profiforum Nano-technologie in der industriellen Anwendung,4.11.2003, Würzburg, Deutschland



Kaiser, N.Struktur und Eigenschaften dünner Schichten für die OptikVortrag (Eingeladen): Arbeitsgruppe Dünn-schichttechnologie (Prof. Mergel, Prof. Buck),16.1.2003, Universität Essen, Deutschland

Kaiser, N.; Yulin, S.; Feigl, T.; Bernitzki, H.; Lauth, H.EUV and soft X-ray multilayer opticsLecture: „Advances in Optical Thin Films(OSD02)” at SPIE´s Optical Design Symposium,30.9.2003, St. Etienne, France

Kalkowski, G.; Damm, C.; Peschel, T.; Leitel, A.; Kunze, N.Segmented lens mount for projection opticsPoster: OptiFab 19.–22.05.2003 Rochester, USAIn: Technical Digest of SPIE – OptiFab 19.–22.5.2003 Rochester, USA (2003) p. 155–157, ISBN 0-8194-5104-5

Kalkowski, G.; Kamm, F. M. Electrostatic chucking: EUV issues and related experiences at IOFEUV Mask Task Force Meeting, Santa Clara, 24.2.2003, Santa Clara,USA

Kalkowski, G. LTEM electrostatic chucks: vacuum and humidity forces EUV mask standards & chucking workshop,3.10.2003, Antwerp, Belgium

Karthe, W.Einfluss von Mikro- und Nanotechnologieauf Sensor- und AutomatisierungstechnikVDI-Fachtagung, 13.3.2003 Jena, Deutschland

Karthe,W.Optische MikrosystemeVDE-Forum Dresden Mikroelektronik, 5.6.2003, Dresden, Deutschland

Kudaev, S.; Schreiber, P.; Duparré, J.High-sensitive axial displacement sensor with multimode fiberVortrag: 104. Tagung der DGaO, 10.–12.6.2003, Münster, Deutschland

Kühmstedt, P.Praxisbericht: Multi-View 3-D-Messsysteme in Rapid Prototyping- und Qualitätssicherungs-ProzesskettenVortrag: VDI Wissensforum, Seminar mit Praktikum „Optische 3-D-Messtechnik”, 20.–21.11.2003, Fraunhofer IFF, Magdeburg,Deutschland

Kühmstedt, P.Robuste multi-view 3-D-Messsysteme in Rapid Prototyping- und Qualitätssicherung-ProzesskettenVortrag: VDI Wissensforum, Seminar mit Praktikum, „Optische 3-D-Messtechnik für dieQualitätssicherung in der Produktion”,3.–4.7.2003, IOF, Jena, Deutschland

Kühmstedt, P.; Gerber, J.; Heinze, M.; Notni, G.Analysis of the measurement capability of optical fringe projection systemsLecture: SPIE´s International Symposium on Optical Metrology23.–26.6.2003 Munich, GermanyIn: SPIE Proceedings Vol. 5144 Vol. 4440 (2003)p. 728–736, ISBN 0-8194-5014-6

Kühmstedt, P.; Notni, G.; Heinze, M.Self calibrating 3D-measurement system with fixed and moved cameras – the concept of virtual reference pointsPoster: SPIE´s International Symposium on Optical Metrology, optical Measurement Systemsfor industrial Inspection III, 23.–26.6.2003, Munich, Germany

Kühmstedt, P.; Notni, G.; Himmelreich, M.; Heinze, M.Flexible 3-D-Rundumvermessung – Das Konzept der virtuellen PassmarkenVortrag: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Liem, A.; Limpert, J.; Höfer, S.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.90-W single-frequency fiber amplifierInvited Lecture, Invited Paper: Conference onLasers and Electro-Optics (CLEO) 1.–6.6.2003, Baltimore, USA

Limpert, J.; Tünnermann, A.Perspectives of fiber lasers and amplifiers in high power operationLecture tutorial: OSA Annual Meeting, 5.–9.10.2003, Tucson, USA

Limpert, J.; Liem, A.; Schreiber, T.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.Power and energy scaling of fiber lasers based on ytterbium-doped large-mode-area fiberInvited Lecture, Invited Paper: Photonics West 2003, San Jose, USA

Limpert, J.; Schreiber, T.; Liem, A.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.High-power femtosecond fiber laser systemInvited Lecture, Invited Paper: Photonics West 2003, San Jose, USA

März, R.; Burger, S.; Hermann, C.; Michaelis, D.Waveguide by dielectric Waveguides and Photonic CrystalsVortrag: Kleinheubacher Tagung der U.R.S.I(International Union of Radio Science), 29.9.–2.10.2003, Kleinheubach, Deutschland

Michaelis, D.; Peschel, U.; Wächter, C.; Bräuer, A.A photonic crystal waveguide as a strongly coupled discrete system Lecture: ECIO 2003, 2.–4.4.2003, Prague, Czech Republic

Michaelis, D.; Peschel, U.; Wächter, C.; Bräuer, A.A photonic crystal waveguide as a strongly coupled discrete systemLecture: CLEO EUROPE EQEC, 23.–26.6.2003, Munich, Germany

Michaelis, D.; Peschel, U.; Wächter, C.; Bräuer, A.Coupling Coefficients of Photonic Crystal WaveguidesLecture: Photonics West 2003, 25.–31.1.2003, San Jose, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 4987(2003) p. 114–125, ISBN 0-8194-4787-0

Michaelis, D.; Peschel, U.; Wächter, C.; Bräuer, A.; Lederer, F.Photonic crystal waveguides in highly dispersive materialsLecture: ECIO 2003, 2.–4.4.2003, Prague, Czech Republic

Mohaupt, M.; Eberhardt, R.; Beckert, E.Module des Greiferbaukastens – Greifsystem für LichtleitfasernVortrag: Abschlusspräsentation BMBF Verbund-projekt, Greiferbaukasten für die Montage vonMikrosystemen, auf Messe Motek, 23.9.–26.9.2003, Sinsheim, Deutschland

Mohaupt, M.; Eberhardt, R.; Beckert, E.; Banse, H.; Siebenhaar, C.; Guyenot, V.Assembly of optical fibersLecture: MICRO SYSTEM Technologies 2003, 7.–8.10.2003, Frankfurt, GermanyIn: Proceedings of MICRO SYSTEM Technologies2003 (2003) p. 94–101, ISBN 3-7723-7020-9

Müller, E.; Brode, W.; Buß, W.; Heymel, A.;Kaschlik, K.; Seifert, D.; Weiland, E.LTCC materials and technology for anodicbonding and embossing optical structuresPoster: 8th European Congress and Exhibition onAdvanced Materials and Processes EUROMAT, 1.–5.9.2003, Lousanne, Switzerland



Munzert, P.; Schulz, U.; Kaiser, N.PVD-Beschichtung von hochtemperatur-beständigen Polymeren für die OptikVortrag: Optonet Workshop „Optische Schichten”, Oktober 2003, Jena, Deutschland

Munzert, P.; Schulz, U.; Kaiser, N.Hochtransparente Thermoplaste in plasma-gestützten PVD-BeschichtungsprozessenIn: Polymerwerkstoffe 2002: Eigenschaften, Verarbeitung, Modifizierung, Anwendung,(2002) S. 544–547, ISBN 3-86010-656-2

Munzert, P.; Schulz, U.; Kaiser, N.PVD-Coating for optical applications on temperature resistant thermoplasticsLecture: SPIE´s International Symposium on Optical System Design 29.9.–3.10.2003 St. Etienne, France

Notni, G.Optische 3-D-Datenerfassung und -verarbeitung – Messen im 3-D-BildVortrag: Seminar ZBS Ilmenau, 12.–13.09.2003 Ilmenau, Deutschland

Notni, G.StreifenprojektionVortrag: VDI Wissensforum, Seminar mit Praktikum „Opt. 3-D-Messtechnik”, 20.–21.11.2003, Fraunhofer IFF, Magdeburg,Deutschland

Notni, G.Automatisierte multi-view 3-D-Messtechnikauf der Basis der PhasogrammetrieVortrag: DAKOM 2003, 20.11.2003 Darmstadt, DeutschlandIn: Tagungsband DAKOM 2003

Notni, G.StreifenprojektionstechnikenVortrag: Optische 3-D-Messtechnik für die Qualitätssicherung in der Produktion, 3.–4.7.2003, IOF, Jena, Deutschland

Notni, G.; Kühmstedt, P.; Heinze, M.; Himmelreich, M.Phasogrammetrische 3D-Messsysteme undderen Anwendung zur RundumvermessungVortrag: 2. Oldenburger 3D-Tage, 27.–28.2.2003 FH Oldenburg/JAPG, DeutschlandIn: Photogrammetrie – Laserscanning – Optische3D-Messtechnik: Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2003 (2003) S. 21–32, ISBN 3-87907-404-6

Notni, G.H.; Kühmstedt, P.; Notni, G.Nutzung von Farbinformationen zur 3D-DatenauswertungPoster: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003 Münster, Deutschland

Notni, G.H.; Notni, G.;Digital fringe projection in 3D Shape Measurement – an Error AnalysisIn: SPIE Proceedings Vol. 5144 (2003) p. 372–380, ISBN 0-8194-5014-6Lecture: SPIE´s International Symposium on Optical Metrology, 23.–26.6.2003, Munich, Germany

Peschel, U.; Michaelis, D.; Bakonyi, Z.; Onishukov, G.; Lederer, F.Dissipative solitons in communication linesInvited Lecture: The Third IMACS International Conference on nonlinear Evolution Equationsand Wave Phenomena: Computation and Theory,7.–10.4.2003, Athens, Georgia, USA

Popall, M.; Fröhlich, L.; Houbertz, R.; Streppel, U.;Dannberg, P.; Westernhöfer, S.; Gale, M.ORMOCERs - Inorganic-organic Hybrid Mate-rials for Integrated, Diffractive and Refrac-tive Micro Optics: Synthesis, Processing andApplications in Optical ComponentsInvited Lecture: DGG-Symposium: „Processingand Applications of Optical Components”, 27.–26.5.2003, Leipzig, Germany

Reihs, K.; Malkomes, N.; Müller, P.; Claessen, R.;Cavaleiro, P.; Stahlschmidt, O.; Renker, S.;Duparré, A.Durable „self cleaning” coatings in optical qualityLecture: GPD Glass proceedings days, 15.–18.6.2003, Tampere, Finland

Riehemann, S.; Palme, M.; Kühmstedt, P.; Notni, G.Einsatz von Mikrodisplay-basierten Projek-tionssystemen in der optischen MesstechnikVortrag: 104. Jahrestagung der DGaO, 10.–14.6.2003, Münster, Deutschland

Riehemann, S.; Palme, M.; Kühmstedt, P.; Notni, G.LCoS based Projection Systems for Optical MetrologyLecture: SID International Symposium 18.–23.5.2003, Baltimore, USAIn: SID International Symposium Digest of Technical Papers, Volume XXXIV, Book I 34(2003) p. 256–259, ISSN 0003-966X

Risse, S.Air bearings made of glass for laser beam deflectionLecture: LASER 2003, Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Schäfers, F.; Yulin, S.; Feigl, T.; Kaiser, N.At-wavelength Metrology on Sc-based Multilayers for the VUV and Water WindowLecture: International Symposium on OpticalScience and Technology, 3.8.2003, San-Diego, CA USAIn: SPIE Proceedings Vol. 5188 (2003) p. 138–145, ISBN 0-8194-5061-8

Schmidt, J.-P.; Anders, K.; Siebenhaar, C.; Vogel, J.; Kaulfersch, E.Bonding and Soldering for Precision Joining of MicroopticsLecture: MICRO.tec, Öffentliches Statusseminar „MOBMO”, 14.–15.10.2003, Munich, Germany

Schulz, U.Optical coatings on plastic Lecture: LASER 2003, Photonics Forum,25.6.2003, Munich, Germany

Schulz, U.Polymere in plasmagestützten BeschichtungsverfahrenVortrag: OTTI-Seminar „Neue Oberflächen für Kunststoffe”, 26.3.2003 Bamberg, Deutschland

Schulz, U.PVD- Beschichtung von Kunststoffen für optische AnwendungenVortrag: OTTI-Seminar Schichten auf Glas,10.9.2003, Regensburg, Deutschland

Schulz, U.Beschichtung transparenter Polymere mithoher thermischer BeständigkeitVortrag: 11. NDVaK, Neues Dresdner Vakuumtechnisches Kolloquium zur Beschich-tung und Oberflächenmodifizierung von Kunst-stoffoberflächen, 15.–16.10.2003, Dresden, Deutschland

Schulz, U.Optical coatings on plasticLecture: International expert meeting „Designand Technology of Coatings”, 24.–26.9.2003, Bonassola, Italy

Schulz, U.; Kaiser, N.Thermal stress in antireflective coatings on polymer substratesLecture: 46th Annual SVC Technical Conference,3.–8.5.2003, San Francisco, USA

Stenzel, O.New Challenges in Optical Coating DesignVortrag (Eingeladen): Frühjahrstagung desArbeitskreises Festkörperphysik bei der DPG, 24.–28.3.2003, Dresden, Deutschland



Stenzel, O.Oberflächenplasmonenin dünnen Schichten IIVortrag: OptoNet- Workshop „Optische Schichten”,22.10.2003 IOF, Jena, Deutschland

Stenzel, O.; Kaiser, N.Laterally heterogeneous optical films asdesign tools for reflectors and absorbersLecture: Advances in Optical Thin Films, 30.9.–3.10.2003, St. Etienne, France

Stenzel, O.; Kaiser, N.Stopband position and width in resonantgrating waveguide structuresPoster: CLEO Europe 2003, 22.–27.6.2003, Munich, Germany

Stenzel, O.; Heger, P.; Kaiser, N.The optical response of silver island filmsLecture: Nanomeeting 2003, 20.–23.5.2003, Minsk, BelarusIn: Physics, Chemistry and Applications of Nanostructures (2003) p. 158–162, ISBN 981-238-381-6

Streppel, U.; Michaelis, D.; Bräuer, A.UV induced self organization in optical polymersLecture: International Symposium on Modern Optics and Its Applications, 25.–29.8.2003, Bandung, Indonesia

Streppel, U.; Dannberg, P.; Wächter, C.; Michaelis, D.; Bräuer, A.; Kowarschik, R.Influence and utilization of UV-inducedrefractive index changes of photopolymersfor the fabrication of 3-D micro-optical elementsLecture: Photonics West 2003, 25.–31.1.2003, San Jose, USA In: SPIE Proceedings Vol. 4991 (2003) p. 321–332, ISBN 0-8194-4791-9

Streppel, U.; Michaelis, D.; Bräuer, A.Self-organized filamentation of photoresponsive polymers during UV curingLecture: Photonics West 2003, 25.–31.1.2003, San Jose, USAIn: SPIE Proceedings Vol. 4991 (2003) p. 467–477, ISBN 0-8194-4841-9

Tenner, I.; Ferrari, M.; Lutze, D.; Schlosser, M.;Damm, C.; Guyenot, V.; Tosi, A.; Figulla, H. R.Vergleich der strömungsdynamischen Eigenschaften von Aortenklappen, Pulmonalklappen und Perikardbioprothesenfür den transluminalen AortenklappenersatzVortrag: 69. Frühjahrstagung 2003 der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie – Herz- und Kreislaufforschung, 24.–26.4. 2003, Mannheim, Deutschland

Trutschel, U.; Langbein, U.; Wächter, C.; Duguay, M.Modesolver für zylindersymmetrische Wellenleiterstrukturen mittels ConstraintOptimierungVortrag und Poster: 104. Jahrestagung derDGaO, 10.–14.06.03 Münster, Deutschland

Tünnermann, A.FaserlaserVortrag: 327. JENAER Carl-Zeiss-Optikkolloquium,4.11.2003, Jena, Deutschland

Tünnermann, A.; Kley, E.-B.Photonics crystals in low index contrast for application in telecommunicationInvited Lecture: 9th Microoptics Conference MOC´03, 28.–31.10.2003, Tokyo, Japan

Wächter, C.Microring resonators: materials, technologies and limitsInvited Lecture: International School of Quantumelectronics, 39th Course Microresonators as bulding blocks for VLSI Photonics, 18.–25.10.2003, Erice, Italy

Yang, M.Uniformity analysis and design optimizationof multi-layer thin film filter used in fiberoptics communication systemPoster: SPIE´s International Symposium on Optical System Design 29.9.–3.10.2003, St. Entienne, France

Yulin, S.; Feigl, T.; Kaiser, N.EUV and soft X-ray multilayer opticsLecture: XI International Conference on Laser Optics, 2.7.2003, St. Petersburg, Russia

Yulin, S.; Kuhlmann, T.; Feigl, T.; Kaiser, N.Thermal stability of Cr/Sc multilayers for the soft X-ray rangeIn: SPIE Proceedings, Vol. 4782 (2002) p. 285–291, ISBN 0-8194-4549-5

Yulin, S.; Feigl, T.; Kaiser, N.Development of multilayer optics in IOFLecture: 4.9.2003, National Technical University„KhPI”, Kharkiv, Ukraine

Yulin, S.; Schäfers, F.; Feigl, T.; Kaiser, N.High – performance Cr/Sc multilayers for the soft X-ray rangePoster: International Symposium on OpticalScience and Technology, 7.8.2003, San-Diego, USA

Yulin, S.; Schäfers, S.; Feigl, T.; Kaiser, N.Enhanced reflectivity and stability of Sc/Si multilayersLecture: International Symposium on OpticalScience and Technology, 8.8.2003, San-Diego, USA

Zeitner, U. D.Laser-Mode Engineering by Generalized Resonator ConceptsInvited Lecture: SPIE International SymposiumOptical Science and Technology SPIE's 48th

Annual Meeting, 3.-8.8.2003, San Diego, USA

Zeitner, U. D.; Kaufmann, S.; Kley, E.-B.Micro-optical sensor system for birefringencecharacterization of textile-fibersLecture: SPIE International Symposium OpticalScience and Technology SPIE's 48th

Annual Meeting, 3.–8.8.2003, San Diego, USA

Zubaryev, Y. M.; Kondratenko, V. V.; Bugayev, Y. A.; Pinegin, V. I.; Sevrjukova, V. A.;Kaiser, N.; Feigl, T.; Yulin, S.The structure and optical properties of X-ray multilayer mirrorsLecture: 13.11.2003, IOF, Jena, Germany



Bahn/Busverbindung

(ca. 20 Minuten inkl. Gehweg)Ab Bahnhof Jena-Paradies (Nord-Süd-verbindung) ca. 5 Minuten Fußweg indie Innenstadt. Von dort aus ab Teich-graben mit den Linien 10, 13 oder 40in Richtung Burgau oder Winzerla. Ander Haltestelle „Beutenberg Campus”aussteigen und der Ausschilderung folgen.Ab Westbahnhof (Ost-Westverbin-dung) ca. 1 Minute zur HaltestelleMagdelstieg, dann die gleiche Bus-verbindung nutzen.

Auto

Autobahn A 4 bis Abfahrt Jena-Göschwitz. Auf der Bundesstraße B 88stadteinwärts, links in Richtung Winzerla, entlang der WinzerlaerStraße immer der Ausschilderung„Fachhochschule – Beutenberg Campus” folgen. Auf der linken Seiteliegt dann sichtbar das Fraunhofer IOF.Benutzen Sie die Einfahrt BeutenbergCampus, von dort aus folgen Sie derAusschilderung.

Flugzeug

Ab Flughafen Leipzig/Halle auf derAutobahn A 9 nach Süden bis zumHermsdorfer Kreuz und dann auf dieA4 Richtung Frankfurt wechseln; diesedann bei Jena-Göschwitz verlassen,weiter siehe Auto.Oder ab Flughafen Erfurt auf der Auto-bahn A 4 Richtung Dresden bis AbfahrtJena-Göschwitz.

Der Weg zu uns



By train

(app. 20 minutes with footpath)Jena have four stations. If you take the route from north to south you will arrive at the station Jena-Paradies-bahnhof. Please go to the bus stop onTeichgraben (5 minutes into the city)and take the Number 10, 13 or 40direction Burgau or Winzerla. Step off the bus at „Beutenberg Campus” und follow the direction signto Fraunhofer IOF.If you take the route from west to east,leave the train at Jena-Westbahnhof.After the bridge on the right hand youwill see the bus stop Magdelstieg. Usethe same lines to Beutenberg-Campus.

By car

Leave the A4 motorway at the exitJena-Göschwitz, follow the federal highway B 88 into town, turn off lefttoward Winzerla, along Winzerlaerroad always the direction sign „Fachhochschule – Beutenberg Campus”. On the left side you will seethe Fraunhofer IOF. Use the gatewayBeutenberg Campus and follow thedirection sign.

By airplane

Starting from airport Leipzig/ Halle on the A9 motorway to the south(direction Munich) up to the Herms-dorfer Kreuz. Here you have to changethe motorway, follow the A4 motor-way westward (direction Frankfurt) and leave it at the exit Jena-Göschwitz,further see car.Or starting from airport Erfurt on theA4 motorway direction Dresden to exitJena Göschwitz.


Direction of Fraunhofer IOF


HerausgeberEditor

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und FeinmechanikBeutenberg CampusAlbert-Einstein-Straße 707745 JenaTelefon: +49 (0) 36 41/8 07-0Fax: +49 (0) 36 41/8 07-6 00E-Mail: [email protected]: www.iof.fraunhofer.de

InstitutsleiterDirector

Prof. Dr. Andreas TünnermannTelefon: +49 (0) 36 41/8 07-2 01E-Mail: [email protected]

Presse und ÖffentlichkeitsarbeitPress and Public Relation

Dipl.-Ing. Annedore MundeTelefon: +49 (0) 36 41/8 07-3 70E-Mail: [email protected]

Gestaltung und DruckGraphic design and Print

Schneider Media GmbHHaarbergstraße 4799097 Erfurt

Impressum



IOF Jahresbericht 2003 - iof.fraunhofer.de · Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser 100 Namen,...

Documents

Transcript of IOF Jahresbericht 2003 - iof.fraunhofer.de · Hochleistungs-Faser- und Wellenleiterlaser 100 Namen,...