Optik im Blick

Optische Technologien sind Basis für Innovationen in zahlreichen Zukunftsmärkten. Licht in allen seinen Eigenschaften zu beherrschen, ist die entscheidende Aufgabe. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena arbeiten die Wissenschaftler an optischen Systemen und Komponenten, die neue Anwendungen und Produkte ermöglichen. Ziel ist es, Grundlagen zu schaffen, um maßgeschneidertes Licht für unterschiedlichste Anwendungen zu erzeugen, zu formen, zu führen und zu nutzen.

Licht ist ein universelles Werkzeug, es dient der Informationsaufnahme und -übertragung. Die Jenaer Forscher entwickeln unterschiedlichste optische Systeme, um Licht oder einzelne Photonen besser nutzbar zu machen. „Optische Technologien sind ’enabling technologies’“, so Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des IOF. „Sie spielen eine bedeutende Rolle – in unterschiedlichsten Bereichen von Medizin, über Mikroelektronik und Informationstechnik bis hin zur Fertigungstechnik. Ein prominentes Beispiel ist die Halbleiterfertigung. Jeder Mikrochip wird heute unter Anwendung optischer Technologien hergestellt. Innovationen in der Optik eröffnen neue Märkte.“ Forschung und Wirtschaft in Deutschland sind hier im internationalen Wettbewerb gut aufgestellt. Schon jetzt wird mit der Herstellung optischer Technologien ein Jahresumsatz von rund 10 Mrd Euro erwirtschaftet, so eine Schätzung des VDI Technologiezentrums.

Jena ist ein weltweit anerkannter Standort für Entwicklung und Produktion auf dem Feld Mikro- und Nano-Optik. Jüngster Zuwachs: das Zentrum Innovationskompetenz Ultra Optics. Prof. Tünnermann und Kollegen von der Friedrich-Schiller-Universität in Jena entwarfen das Konzept. Im März erhielt Jena den Zuschlag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Ziel des Zentrums ist, optische Sys-teme zu entwickeln, die maßgeschneidertes Licht bestimmter Intensität oder Wellenlänge bereitstellen und damit Grundlagen für neue Fertigungsverfahren und Informationssysteme bilden. Bis 2009 werden die Forschungsarbeiten mit etwa acht Mio Euro gefördert.

Bereits handfester sind Entwicklungen zum optischen Mikrofon, an dem die Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit der Firma Sennheiser electronic arbeiten. Der Mikrofonkopf kommt ohne elektrische Leiter aus. Wie bei einem herkömmlichen Mikrofon nimmt eine Membran den Schall auf. Unterschied ist, dass die Schwingung der Membran optisch detektiert wird. Das Prinzip dahinter ist die konfokale Abbildung, das heißt: Licht aus einer Leuchtdiode wird über eine Glasfaser durch ein Linsen-Array geschickt. Dieses Feld optischer Elemente verteilt und fokussiert den Strahl auf eine verspiegelte Membran. Das reflektierte Licht gelangt durch Linsen in eine Empfängerglasfaser. Sobald die Membran schwingt, verändert sich das Lichtsignal. Ein entfernter Photodetektor wandelt es in elektrische Spannungen um. Vorteil des optischen Mikrofons: Es ist unempfindlich gegen-über extremen Magnetfeldern, wie beispielsweise in Computertomographen. Der Patient hat die Möglichkeit auch während der Untersuchung aus der Röhre zu kommunizieren. Außerdem kann es in explosionsgefährdeten oder feuchten Räumen eingesetzt und vielleicht einmal bei schweißtreibenden Auftritten von Musikern und Sängern genutzt werden.

Herausragende Forschung steckt auch in der ultraflachen Kamera. Für das neuartige Kamerasystem haben sich die Forscher in der Tierwelt umgesehen. „Die Facettenaugen der Insekten sind hervorragende mikrooptische Systeme“, sagt Dr. Andreas Bräuer, der den Bereich Mikrooptik am IOF leitet. Die Insekten haben nicht zwei Augen, sondern, genau betrachtet, tausende. Jede Facette eines Insektenauges dient zur Aufnahme eines Bildpunktes. Linse und Sehzellen, also Aufnahme und Bildverarbeitung, liegen dicht hintereinander – ein kompakter Sehapparat. „Uns ist es gelungen dieses Prinzip mithilfe mikrooptischer Systeme technisch nachzuahmen. Das Ergebnis ist eine ultraflache Kamera, die weniger als einen halben Millimeter dick ist.“ Versuche mit den ersten Labormustern zeigen: Wie beim Insekt ist das Abbild nicht sehr hoch aufgelöst. Dafür sind die einzelnen Linsen extrem flach und können zusammengenommen ein weites Bildfeld erfassen. Gefertigt werden die Linsen wie Chips auf Wafern. Eine kostengünstige und großtechnische Herstellung ist damit denkbar.

Die Basis ist erarbeitet. Nun geht es darum, die Kamera in industrietaugliche Serienmodelle umzusetzen. Wichtigster Schritt dabei ist, das Linsensystem mit Empfänger-Arrays zu verbinden, beispielsweise mit CMOS-Chips. Insekten-Optik plus Elektronik ist dann so flach, sie ließe sich sogar in eine Chipkarte einbauen. Als Kamera, aber auch als zusätzliches Sicherheitssystem: „Sieht“ die Chipkarte, dass sie ein Fremder benutzt, verweigert sie den Geldtransfer. Interessant ist das auch für Fahrerassistenzsysteme im Auto, um etwa Blickrichtung oder Augenbewegung zu erkennen oder für die Sitzplatzbelegung zur kontrollierten Airbag-Auslösung. Anstelle eines glotzenden Kameraauges fügt sich ein dezentes, graues Quadrat in das Innendesign des Wagens ein.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Andreas Tünnermann
Telefon 0 36 41 / 8 07-2 01
Fax 0 36 41 / 8 07-6 00
andreas.tuennermann@iof.
fraunhofer.de

Dr. Andreas Bräuer
Telefon 0 36 41 / 8 07-4 04
Fax 0 36 41 / 8 07-6 03
andreas.braeuer@iof.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für
Angewandte Optik und
Feinmechanik IOF
Beutenberg Campus
Albert-Einstein-Straße 7
07745 Jena