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3D printed micro- and nano-optics for future integrated vision and endoscopy systems

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Neue Sensortechnologien mittels 3D-Druck

Mit neuen Techniken ist es jetzt möglich, winzige optische Sensoren herzustellen, um medizinische Bildgebungstechnologien und den Automobilbau deutlich voranzubringen.

Gesundheit

Mit 3D-Druck, bei dem das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, können schnell und effizient komplexe geometrische Formen erzeugt werden. Ein Technologiefeld, für das diese Industrietechnik enormes Potenzial birgt, sind optische Sensoren. „Optische Sensoren kommen weltweit zum Einsatz“, erklärt Harald Gießen, Professor für Experimentalphysik an der Universität Stuttgart und Projektkoordinator von 3DPRINTEDOPTICS. „Anwendungen sind etwa Smartphone-Kameras, Kraftfahrzeuge und medizinische Bildgebungssysteme wie Endoskope.“ Immer ist bei solchen Anwendungen jedoch die Größe ein limitierender Faktor, da sich eine adäquate Leistung mit mikrooptischen Sensoren, die deutlich kleiner sind als 1 mm, kaum erreichen lässt. Hier soll nun der 3D-Druck ins Spiel kommen. „In einem EU-finanzierten Vorläuferprojekt entwickelten wir 3D-Druckverfahren für sehr kleine Mikro- und Nanooptiken“, so Gießen. „Das hat sehr gut funktioniert, und mit den hervorragenden Ergebnissen stand dann auch im Raum, die Technologie zu kommerzialisieren und ein Start-up-Unternehmen zu gründen.“ Dies war der Auftakt für das Projekt 3DPRINTEDOPTICS. Schwerpunkt für die Arbeitsgruppe um Gießen waren Optimierungsverfahren zur Herstellung flexibler mikrooptischer Prototypen, die kleiner als ein Millimeter sind. Erreicht wird dies über die exakte Fokussierung eines Laserstrahls, mit dem sich winzige komplexe Strukturen formen lassen. Auf diese Weise könnten Mikrooptiken erzeugt werden, die um ein Vielfaches kleiner sind als ein Streichholzkopf und so auf das Ende einer optischen Faser oder einen Bildgebungssensor passen.

Marktanalysen für mikrooptische Sensoren

Wichtige potenzielle Endverbraucher sind Medizintechnikhersteller. „Da wir nun Mikrooptiken direkt auf optische Fasern drucken können“, sagt Gießen, „sind medizinische Bildgebungsgeräte eine ideale Anwendung. Die optischen Fasern lassen sich durch Gefäße mit kleinstem Durchmesser führen, und in der Zahnmedizin könnten solche Mikrooptiken bei Wurzelbehandlungen zum Einsatz kommen.“ Weiterhin können sie in der Medizin dazu beitragen, invasive Methoden weitestgehend zu vermeiden, etwa bei Aufnahmen im Mutterleib oder Untersuchungen von inneren Gefäßstrukturen, Innenohr oder Darm. Die Möglichkeiten, die sich mit der Mikrooptik bieten, sind aber nicht auf die Medizintechnik beschränkt. In der nächsten Generation von Fahrzeugen werden jetzt schon mehr als 60 optische Sensoren verbaut, mit zunehmender Tendenz. „Mit Sicherheit werden Rückspiegel bald durch Kameras ersetzt, und bei autonomen Fahrzeugen überwachen Kameras dann sogar die gesamte Umgebung“, fügt er hinzu. „Da man aber auch nicht an jeder Ecke des neuen Autos Sensoren haben will, liegt der Vorteil der neuen Mikrooptiken auf der Hand: mehrere Sensoren mit jeweils unterschiedlichem Fokus passen auf einen einzelnen Chip. Zur Erfassung von Umgebungsdaten könnten dann etwa Chips mit stark gekrümmter Oberfläche eingesetzt werden.“

Optiken der nächsten Generation

Um die Projektergebnisse umzusetzen, haben Gießen und seine Arbeitsgruppe das Spin-off-Unternehmen PrintOptics GmbH ausgegründet, das derzeit Prototypen für medizinische Bildgebungssysteme und Automobilhersteller in Europa und weltweit entwickelt. „Diese Unternehmen führen derzeit Tests durch“, erklärt er, „bei denen Aspekte wie Effizienz, Wiederverwertung und – insbesondere bei medizinischen Bildgebungsgeräten – Sicherheit im Fokus stehen.“ Gießen zufolge könnte das Start-up demnächst Dienste anbieten, die von Beratungsleistungen bis hin zu maßgeschneiderten Konstruktions- und Fertigungsprototypen sowie kleineren Serienfertigungen reichen. Um künftiger Nachfrage gerecht zu werden, wird auch eine Expansion erwogen. Mit Blick auf die Zukunft sieht Gießen enormes Potenzial für Mikrooptiken. „Mikrooptiken der nächsten Generation könnten sich dann in Brillen finden, die mit erweiterter und virtueller Realität ausgestattet sind, um Routenbeschreibungen zu vereinfachen oder Konferenzen zu ermöglichen, in denen Gesprächspartner als Hologramm erscheinen“, sagt er.

Schlüsselbegriffe

3DPRINTEDOPTICS, 3D, Optik, Sensoren, Mikrooptik, Laser, Medizin, Bildgebung

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