Piezo-aktuierte mikro-opto-elektro-mechanische Systeme für aktive Mikrooptik

Die Mikrooptik hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen aufgrund des wachsenden Bedarfs an miniaturisierten optischen Systemen. Neue, flexible mikrooptische Bauelemente wurden erforscht und in der Kommunikationstechnik, in Lasersystemen, in der Medizin und in der Halbleiterindustrie erfolgreich etabliert. Darüber hinaus existieren eine Vielzahl an aktiven mikrooptischen Systemen, welche die optischen Eigenschaften während des Betriebs gezielt einstellen oder nachregeln können. Einen großen Forschungsschwerpunkt stellen hierbei aktive Mikrolinsen dar, die in Handykameras, Endoskopen und optischen Abtastern klassische starre Linsensysteme ersetzen können. In der vorliegenden Arbeit werden neuartige, adaptive Membran-basierte Mikrolinsen entwickelt und charakterisiert. Die meisten bisher bekannten verstimmbaren Mikrolinsen werden über externe Aktoren betrieben und ermöglichen ausschließlich eine kontrollierte Änderung der Brennweite. Darüber hinaus werden teilweise hohe Versorgungsspannungen und lange Reaktionszeiten zur Ansteuerung der Linse benötigt. Im Gegensatz dazu wird bei den hier vorgestellten verstimmbaren Mikrolinsen der piezoelektrische Aktor direkt in die Linsenmembran integriert. Dadurch wird eine kompakte Bauweise und eine Integration in andere optische Systeme ermöglicht. Die Änderung der Oberflächenkrümmung wird hierbei durch den unimorphen Aktuierungsmechanismus, einer Kombination aus einer piezoelektrisch aktiven und einer passiven elastischen Schicht, realisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Linsendesign entwickelt, das durch die Realisierung der Topelektroden als unabhängige Sektoren sowohl eine sphärische als auch eine asphärische Verformung der Linsen-oberfläche ermöglicht. Dadurch kann die adaptive Mikrolinse zur Feineinstellung des Fokus oder als Korrektor für Abbildungsfehler eingesetzt werden. Für die Herstellung der adaptiven Mikrolinsen werden Materialkombinationen aus Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si(x)N)y)) sowie aus AlN und nanokristallinem Diamant (NCD) getestet und deren Eignung für Membran-basierte Mikrolinsen diskutiert. Da die unimorphen Dünnschichtmembranen eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich, eine hohe mechanische Stabilität und AlN eine hohe piezoelektrische Leistungsfähigkeit aufweisen müssen, werden die AlN/SixNy- sowie die AlN/NCD-Heterostrukturen zu Beginn bezüglich ihrer optischen, elastischen und piezoelektrischen Eigenschaften charakterisiert. Anschließend wird die Herstellung der adaptiven Mikrolinsen beschrieben und die theoretisch mögliche Linsenwirkung mithilfe eines elektromechanischen und optischen Modells dargestellt. Die Funktionalität der piezoelektrisch aktuierten Multisegment-Mikrolinsen wird´ elektromechanisch mit der Weißlichtinterferometrie und der Laser-Doppler-Vibrometrie demonstriert. Hierbei wird erstmalig eine kontrollierte symmetrische und asymmetrische Verformung der Linsenoberfläche mit Reaktionszeiten im \'16s-Bereich gezeigt. Abschließend wird die optische Leistungsfähigkeit der AlN/Si(x)N(y)-Mikrolinse mithilfe eines Wellenfrontsensors´ untersucht. Dabei wird die gezielte Manipulation der Wellenfront durch die Aktuierung einzelner Sektoren der verstimmbaren Mikrolinse demonstriert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die adaptiven piezoelektrisch aktuierten Mikrolinsen eine kontrollierte sphärische und asphärische Verformung der Linsenoberfläche und somit eine integrierte Fokus- und Wellenfrontkorrektur ermöglichen.

In the last decades micro-optics has attracted much interest due to the increasing demand for miniaturized optical systems. Novel flexible micro-optical components have been developed and successfully implemented in communication technology, in laser systems, in the medical and in the semiconductor industry. In addition, there are many active microoptical systems which can adjust or correct the optical properties during operation. A major development field is active micro lenses which can be used in cell phone cameras, endoscopes and optical scanners as replacement for classical macro lens systems. In the present work, novel, adaptive, membrane-based micro lenses are developed and characterized. Most state-of-the-art micro lenses are driven by external actuators and offer only a controlled change of the focal length. In addition, such micro lenses require high driving voltages and have long response times. In contrast to conventional micro lenses, the piezo actuator of the tunable micro lenses presented here is integrated into the lens structure. Thus, these devices enable a compact design and integration into other complex optical systems. The change of the surface curvature is realized by the unimorph bending mechanism which combines a piezoelectric actuator with an elastic layer. Within the scope of this work a novel lens design is developed which offers a free spheric and aspheric deformation of the lens surface via radially segmented integrated actuators. Thereby, the adaptive micro lens can be used for fast focus correction and as a wave front filter. For the fabrication of adaptive micro lenses material combinations of aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (SixNy) as well as of AlN and nanocrystalline diamond (NCD) are tested and their suitability for membrane-based micro lenses are discussed. Important requirements for the micro lenses are high transparency in the visible spectrum, high mechanical stability and high piezoelectric response. Therefore the AlN/Si(x)N(y) unimorph structures as well as the AlN/NCD heterostructures are characterized regarding their optical, elastic and piezoelectric properties. Afterwards the micro fabrication of the adaptive micro lenses and the theoretical lens performance are studied by means of electro-mechanical and optical models. The electro-mechanical performance of the piezo-actuated multisegment micro lenses is analyzed using white light interferometry and laser Doppler vibrometry. It is demonstrated for the first time that these micro lenses enable free spheric and aspheric deformation of the surface with response times in the us range. Finally, the optical performance of the tunable AlN/Si(x)N(y) micro lenses is analyzed using a wavefront sensor system. These experiments show that the wavefront can be efficiently manipulated by independent actuation of individual sectors of the tunable micro lens. The results of this work reveal that the adaptive piezo-actuated micro lenses offer controlled spherical and aspherical deformations of the lens surface, and therefore, in situ focus and wavefront corrections.