forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

[Schriftenreihe der Landesstiftung Baden-Württemberg] 

FORSCHUNGSPROGRAMM 

OPTISCHE TECHNOLOGIEN 

der Landesstiftung Baden-Württemberg 

Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten

2 

Wissenschaft & Forschung 

Impressum 

Forschungsprogramm Optische Technologien 


Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten 

Herausgeberin: 

Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH 

Richard-Wagner-Straße 51, 70184 Stuttgart 

Internet: www.landesstiftung-bw.de 

Verantwortlich: Rudi Beer 

Für die Darstellung der einzelnen Forschungsprojekte 

sind die Projektleiter verantwortlich. 

Abbildungen: 

Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH 

und Projektpartner 

Gestaltung: 

BPPA, Stuttgart 

Druck: 

Druckerei Mack, Schönaich 

© September 2005, Stuttgart 

Schriftenreihe der Landesstiftung Baden-Württemberg; 15 

ISSN 1610-4269

FORSCHUNGSPROGRAMM 

OPTISCHE TECHNOLOGIEN 



3

4 


Inhalt 

[2001] 

[2002] 

Forschungsprogramm Optische Technologien 



Vorwort 6 

Geleitwort 7 

Ausschreibung 2001:Design optischer Systeme 

Entwurf und Realisierung hochauflösender 

fokusinvarianter optischer Systeme mittels Wellenfrontkodierung und 

Adaptive Phasenplatten für fokusinvariante optische Systeme 10 

Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen 12 

Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver Membranspiegel-Optik 14 

Mikrooptische scannende Laserstrahl-Führungssysteme für endoluminale 

Anwendungen 16 

Mikrooptische Systeme für die lasergestützte 

minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik 18 

Rigorose numerische Simulation in Optik-Design und hochauflösender Messtechnik 20 

Ausschreibung 2001:Neue Laserstrahlquellen 

Halbleiter-Scheibenlaser 22 

Ausschreibung 2002:Aktive Optik 

Aktive Mikro-Manipulation 26 

Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen 28 

Erzeugung und Adaptation dynamischer kohärenter Masken 

für den aktiven optischen Form- und Verformungsvergleich 30 

Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung hochpräziser Komponenten 

durch schnelles Heißprägen anorganischer Gläser für Anwendungen in optischen 

Übertragungstechnologien und Systemen der aktiven Optik 32 

Integrations- und Präzisionstechnologien für 

aktive optische Spiegelelemente 34 

9 

25

[2003/2004] 37 

Ausschreibung 2003/2004: 

Optische Zellsensorik und Zellaktorik 

FRET in TIRFM: Räumlich und zeitlich hochauflösende Detektion 

von Protein-Protein-Interaktionen in Zelladhäsionskomplexen 38 

Hochauflösende, isotrope Fluoreszenzmikroskopie in extrem streuenden Proben 40 

Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen 42 

Nicht-invasive Darstellung menschlicher Hirnfunktionen mittels 

Diffusing-Wave-Spectroscopy (DWS) 44 

Visualisierung dynamischer Prozesse bei der Zelldifferenzierung 

durch kontrastverstärkende Ramanmikroskopie und zeitaufgelöste 

Fluoreszenzmikroskopie 46 


Optische Systeme für den Terahertzbereich 

Entwicklung eines kompakten Mikrospektrometers für den Terahertzbereich 48 


Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren 

Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand 50 

Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis von Nanopartikeln 52 

Maßgeschneiderte hochdispersive Dünnfilmfilter für Laserscanning-Anwendungen 54 

Thermisch aktivierte Bauelemente für die adaptive Optik 56 

Mitglieder „Photonik-Zentrum“ der Landesstiftung Baden-Württemberg 58 

Gutachter Förderprogramm „Forschung Optische Technologien“ 

der Landesstiftung Baden-Württemberg 59 

5

6 


Vorwort 

Herbert Moser MdL, 

Geschäftsführer der Landesstiftung 

Baden-Württemberg 

Baden-Württemberg ist ein hochentwickelter 

Standort, der weltweit zu den Spitzenregionen zählt. Die 

Landesstiftung als eine der größten Stiftungen Deutschlands 

hat es sich zum Ziel gesetzt, in die Zukunft Baden-Württembergs 

und seiner Menschen zu investieren und damit zur 

Zukunftssicherung dieses Standorts beizutragen. Naturgemäß 

spielt hierbei der Bereich der Forschung eine zentrale Rolle. 

Erfolgreiche Forschung wirkt gleichsam als Schrittmacher in 

Richtung Zukunft. 

Eine im Auftrag der Landesstiftung von der Unternehmensberatung 

Roland Berger & Partner im Jahr 2000 erstellte Studie 

zum Thema „Zukunftsinvestitionen in Baden-Württemberg“ 

belegte u.a. eindrucksvoll die Spitzenpositionen in Wirtschaft 

und Wissenschaft im Bereich der optischen Technologien im 

Land. Diese Spitzenposition gilt es nachhaltig zu stärken und 

auszubauen. 

Bereits im Jahr 2001 hat die Landesstiftung das „Forschungsprogramm 

Optische Technologien“ ins Leben gerufen. Im 

Rahmen dieses Forschungsprogramms wurden in den Jahren 

2001, 2002 und 2003/2004 drei wissenschaftlich begutachtete 

Ausschreibungen durchgeführt, über die 23 wissenschaftlich 

hochkarätige Forschungsprojekte mit großem Innovationspotenzial 

mit einem Projektvolumen von rd. 9 Mio. Euro für 

Baden-Württemberg identifiziert und in Auftrag gegeben 

wurden. 

Zur Identifikation der Forschungsthemen hat die Landesstiftung 

das „Photonik-Zentrum“ eingerichtet, in dem Experten 

auf dem Gebiet der optischen Technologien aus Industrie und 

Wissenschaft mitwirken. Durch dieses Gremium war es möglich, 

strategische Forschungsfelder im Bereich der Photonik 

unter Berücksichtigung nationaler und internationaler 

Entwicklungen zu identifizieren und diese unter besonderer 

Berücksichtigung der baden-württembergischen Struktur in 

Wissenschaft und Wirtschaft in konkrete Forschungsprogramme 

umzusetzen. 

Die Projektträgerschaft für die Ausschreibungen wurde dem 

Kompetenznetz Photonics BW e.V. übertragen. 

Die vorliegende Broschüre soll einen Überblick über das 

Förderprogramm geben und über die Ziele und den Stand der 

Forschungsprojekte aus den ersten drei Ausschreibungen 

informieren. 

Herbert Moser MdL 

Geschäftsführer

Geleitwort 

Photonics BW e.V. ist ein vom Bundesministerium für Bildung und 

Forschung (BMBF) geförderter, gemeinnütziger eingetragener Verein 

zur Förderung der optischen Technologien in Forschung, Entwicklung 

und Anwendung, Aus- und Weiterbildung sowie Marketing und Öffentlichkeitsarbeit 

in Baden-Württemberg. Photonics BW e.V. wurde im Juli 

2000 gegründet und vereint heute bereits 40 Mitglieder aus der Industrie, 

KMU und Wissenschaft sowie aus der Finanz- und Beratungsbranche. 

Photonics BW ist seit 2001 Projektträger im Rahmen des Förderprogramms 

„Forschung Optische Technologien“ der Landesstiftung 

Baden-Württemberg gGmbH. 

Die optischen Technologien haben sich zu den 

bedeutendsten Technologien unserer heutigen Industrie- und 

Informationsgesellschaft entwickelt. Die Vielzahl der Entwicklungen 

und Anwendungen rund um das Licht ließen den 

Begriff der „Photonik“ in Analogie zur Elektronik entstehen. 

Entsprechend der „Deutschen Agenda Optische Technologien 

für das 21. Jahrhundert“ werden hierunter die Gesamtheit aller 

physikalischen, chemischen und biologischen Naturgesetze 

und Technologien zur Erzeugung, Verstärkung, Formung, Übertragung, 

Messung und Nutzbarmachung von Licht vom extremen 

ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich zusammengefasst. 

In nahezu allen Bereichen werden Aufgaben 

zunehmend mit optischen Technologien gelöst, enthalten 

Produkte mehr und mehr optische Komponenten als Schlüsselbausteine. 

Darüber hinaus bilden die optischen Technologien 

vielfach die Grundlage und Voraussetzung für weitere technologische 

Entwicklungen und Anwendungen. Dem Photon wird 

deshalb in diesem Jahrhundert eine vergleichbare Bedeutung 

zugesprochen wie dem Elektron im vergangenen Jahrhundert. 

In der Kommunikationstechnik beispielsweise haben die optischen 

Technologien aufgrund ihrer um ein Vielfaches höheren 

Übertragungsbandbreite auf längeren Verbindungsstrecken die 

Kupferkabel verdrängt. So werden heute bereits über 90 % des 

weltweit ständig wachsenden Internet-Datenaufkommens mit 

Hilfe von Lasern und Glasfasernetzen übertragen. Mit der 

Wavelength-Division-Multiplexing-Technik werden künftig 

Datenübertragungsraten von 3,2 Terabit/s über eine einzige 

Glasfaser möglich – das entspricht etwa 40 Millionen 

Telefonkanälen. 

In der Fertigungstechnik, z. B. der Automobil- und Maschinenbauindustrie, 

ist der Laser zu einem unentbehrlichen Werkzeug 

geworden und hat zahlreiche herkömmliche Verfahren substituiert. 

Seine Vorzüge liegen in der hohen Bearbeitungsqualität, 

Produktivität und Flexibilität sowie der guten Automatisierbarkeit. 

Mit dem Laser können unterschiedlichste Bearbeitungsverfahren, 

wie das Trennen, Fügen, Bohren, Beschriften, 

Formen, Oberflächenbehandeln sowie Strukturieren und 

Abtragen, durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das Remote 

Welding, mit dem künftig Automobilkarosserien mit höchsten 

Schweißgeschwindigkeiten und minimalen Positionierzeiten 

gefertigt werden. Die Entwicklung neuer Strahlquellen mit 

höherer Leistung, besserer Fokussierbarkeit sowie kürzeren 

Pulsen bis in den Femtosekunden-Bereich werden auch weiterhin 

neue Anwendungen sowohl im makroskopischen als auch 

im mikroskopischen Bereich erschließen. 

Auch in der Medizin hat sich der Laser als vielseitiges 

Instrument für chirurgische Anwendungen etabliert und 

ermöglicht hier minimalinvasive und patientenschonende 

Eingriffe selbst in sensibelste Bereiche wie z. B. dem Auge. 

7

8 


So ist die Femto-LASIK zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten ein 

in den USA seit Jahren bewährtes Verfahren und befindet sich 

gegenwärtig im europäischen Raum in der Einführung. 

Optische Technologien helfen auch, neue Erkenntnisse über 

Entstehung und Heilung von Krankheiten zu gewinnen. In der 

Pharmaindustrie beschleunigen z. B. optische Screening- 

Verfahren die Entwicklung von Medikamenten mit verbesserter 

Wirksamkeit bei gleichzeitiger Senkung der Kosten. Mit der 

Fluoreszenzmikroskopie werden die Visualisierung komplexer 

dynamischer Prozesse in lebenden Systemen und die Analyse 

zugrunde liegenden Mechanismen möglich. 

Anwendungspotenziale liegen beispielsweise in der Evaluation 

neuer Therapeutika zur Behandlung von Tumorerkrankungen 

sowie in der Entwicklung regenerativer Therapien. 

Die optische Messtechnik trägt maßgeblich zur Qualität und 

Sicherheit moderner industrieller Fertigungsprozesse in den 

unterschiedlichsten Branchen bei. In die Fertigungslinie integrierte 

optische Mess- und Prüfverfahren ermöglichen eine 

Rückkopplung vielfältigster Prozessdaten in Qualitätsregelkreise 

in Echtzeit, so dass Abweichungen in der Fertigung rechtzeitig 

erkannt und Korrekturen vorgenommen werden können. 

Dadurch können enge Fertigungstoleranzen eingehalten und 

Ausschuss bzw. Nacharbeit vermieden werden. Oberflächen 

beispielsweise können mit Hilfe der Laser-Interferometrie 

berührungslos mit einer Auflösung im Nanometerbereich vermessen 

werden und ermöglichen so die Herstellung hochpräziser 

Komponenten oder die hochdynamische Messung von 

Bauteilschwingungen und -verformungen. 

In der Elektronikbranche können mit Hilfe der Lithografie 

Halbleiterstrukturen von derzeit bis zu 55 nm erzeugt werden, 

wodurch die zunehmende Miniaturisierung von Schaltkreisen 

und die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computern 

überhaupt erst ermöglicht wird. Mit der EUV-Lithografie werden 

künftig sogar Strukturgrößen von unter 35 nm angestrebt. 

Besondere Aufmerksamkeit erfahren derzeit optische Technologien 

im Wellenlängenbereich zwischen 30 und 3000 µm, 

deren sog. Terahertz-Strahlen Materie ähnlich wie Röntgenstrahlen 

durchdringen, aber als ungefährlich gelten. Damit 

eröffnet sich der Terahertz-Technologie ein großes und hochinteressantes 

Anwendungsspektrum, z. B. in der Sicherheitstechnik, 

der medizinischen Diagnostik und den Materialwissenschaften. 

Ein großer Wachstumsmarkt liegt in der Beleuchtungstechnik. 

Leuchtstarke weiße Leuchtdioden (LEDs) werden Glühlampen 

zunehmend ablösen und aufgrund des deutlich besseren 

Wirkungsgrads enorme Einsparungen an elektrischer Energie 

ermöglichen. Displays auf Basis organischer Leuchtdioden 

(OLEDs) werden als sehr energieeffiziente, dünne und sogar 

biegsame Anzeigeelemente bereits in ersten Produkten wie 

z. B. Mobiltelefone oder Digitalkameras eingesetzt. In Zukunft 

werden OLEDs großflächige Displays hoher Brillanz sowie völlig 

neue Beleuchtungskonzepte ermöglichen. 

Im Optik-Design können durch die weitere Nutzung von 

Diffraktions- und Polarisationseffekten, Freiformflächen und 

mikrostrukturierten Oberflächen neuartige abbildende und 

nicht-abbildende optische Komponenten mit deutlich besseren 

Eigenschaften für die jeweilige Applikation entwickelt oder spezielle 

Funktionen überhaupt erst möglich gemacht werden. 

Die optischen Technologien besitzen eine hohe wirtschaftliche 

Bedeutung und große Hebelwirkung. Schon heute lassen sich 

etwa 15 % der Arbeitsplätze in der verarbeitenden Industrie 

mittelbar oder unmittelbar den optischen Technologien zuordnen: 

das sind über eine Million Arbeitsplätze allein in Deutschland. 

Nach einer Schätzung des Vereins Deutscher Ingenieure 

(VDI) sind in Deutschland derzeit in der Herstellung optischer 

Technologien etwa 110.000 Menschen beschäftigt, die einen 

Jahresumsatz von rund 10 Mrd. Euro erwirtschaften. Optische 

Technologien aus Deutschland nehmen international vielfach 

eine Spitzenposition ein. Besonders erfolgreich ist die deutsche 

Laserbranche, die bei den Laserstrahlquellen einen Weltmarktanteil 

von rund 40 % und bei Lasersystemen von etwa 25 % 

vorweisen kann. Als eine der wenigen Branchen konnten die 

optischen Technologien auch in wirtschaftlich schwierigen 

Zeiten weiter wachsen und z. T. Wachstumsraten im zweistelligen 

Prozentbereich erzielen. Und auch für die kommenden 

Jahre rechnen Experten mit einem jährlichen Wachstum von 

rund 10 %. 

Baden-Württemberg verfügt traditionsgemäß über eine 

herausragende industrielle und wissenschaftliche Infrastruktur 

– insbesondere auch im Bereich der Photonik. Diese Position 

gilt es auch in Zukunft international zu verteidigen und durch 

geeignete förderpolitische und strukturelle Maßnahmen nachhaltig 

zu stärken und auszubauen. 

Dr. Andreas Ehrhardt Dipl.-Ing. (FH) Boris Stephan 

Geschäftsführer 

Photonics BW e.V. 

F+E-Projekt-Controlling

ausschreibung 2001 

9

10 


[2001] 

Projekt: 

Wird ein optisches Abbildungssystem defokussiert, so wird das 

Bild aufgrund der begrenzten Schärfentiefe unscharf (Abb. 1 

links und Mitte). Dies ist besonders in der industriellen Bildverarbeitung 

nachteilig, da damit eine Einschränkung der 

Objektlage verbunden ist. Die Schärfentiefe kann zwar durch 

Abblenden des Objektivs erhöht werden, jedoch muss dann ein 

entsprechender Lichtverlust in Kauf genommen werden, der bei 

kurzen Belichtungszeiten in den meisten Anwendungen nicht 

toleriert wird. 

Wird eine transparente Platte mit kubischer Oberfläche (kubische 

Phasenplatte) in die Austrittspupille des Abbildungssystems 

gesetzt, so bewirkt die Phasenplatte zunächst eine 

zusätzliche Bildverschlechterung. Durch inverse Filterung des 

Bildes kann jedoch eine Bildqualität restauriert werden, welche 

dem fokussierten Bild sehr nahe kommt (Abb. 1 rechts). 

Mit diesem Verfahren kann eine Verbesserung der Schärfentiefe 

des optischen Abbildungssystems von mindestens einem 

Faktor fünf erreicht werden. Je größer der gewünschte Erweiterungsfaktor 

für den Schärfentiefenbereich ist, umso stärker 

muss jedoch die Phasenplatte sein. Dadurch werden in das 

Abbildungssystem zusätzliche Bildfehler eingeführt, die durch 

den Filterprozess nicht vollständig kompensiert werden können. 

Diese Bildfehler hängen direkt von der Stärke der verwendeten 

Phasenplatte ab. Es ist deshalb wünschenswert, für jede 

Anwendungssituation die passende Phasenplattenstärke zu 

wählen, um einen optimalen Kompromiss zwischen Schärfentiefenbereich 

und Restbildfehlern zu erhalten. 

Adaptive Phasenplatten erlauben es, die Phasenplattenstärke 

Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme 

Entwurf und Realisierung hochauflösender 

fokusinvarianter optischer Systeme mittels 

Wellenfrontkodierung und Adaptive Phasenplatten 

für fokusinvariante optische Systeme 

Hochschule Aalen, Abteilung Optoelektronik 

Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart 

kontinuierlich anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden an 

der Hochschule Aalen zwei verschiedene Ansätze für die Realisierung 

solcher Phasenmasken verfolgt. Zum einen wird in 

Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Optik (ITO) an 

der Universität Stuttgart adaptive Membranspiegel entwickelt 

und untersucht, die so deformiert werden können, dass die verursachte 

Wellenfront den gewünschten kubischen Verlauf hat. 

Zum andern werden gegeneinander verschiebbare Phasenplatten 

mit speziell geformten Oberflächen untersucht, die 

Abb. 1 Fokussiertes (links) und 

defokussiertes Bild (Mitte) eines 

konventionell aufgenommenen 

Streifenmusters. Rechts ist das mit 

Hilfe einer adaptiven, kubischen 

Phasenmaske aufgenommene und 

invers gefilterte Bild des defokussierten 

Streifenmusters dargestellt. 

aufeinandergelegt sich in der Grundposition in ihrer Wirkung 

kompensieren (Abb. 2 oben). 

Werden (Abb. 2 unten) die Phasenplatten relativ zueinander 

verschoben, so ist die Wirkung des Phasenplattenpaares die 

gleiche wie die einer kubischen Phasenplatte. Der effektive 

kubische Anteil ist dabei umso größer, je stärker die Phasenplatten 

gegeneinander verschoben sind. Die Verschiebung ist 

in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern und 

kann so eingestellt werden, dass die gewünschte kubische 

Wirkung entsteht. Im Rahmen des Projekts werden im Zentrum 

für optische Technologien an der HTW Aalen Fertigungsverfahren 

entwickelt und untersucht, um solche Phasenplatten 

(Freiformflächen) mit optischer Genauigkeit herzustellen. 

Das Prinzip der variablen Phasenplatten wurde zum Patent 

angemeldet. Ein Demonstrator mit entsprechenden Phasenmasken 

wurde hergestellt, um den praktischen Einsatz mit 

Herstellern von Barcode-Lesegeräten und Autofokussystemen 

zur Abstandsmessung zu erproben. Der Technologietransfer 

erfolgt durch das Technologie-Lizenz-Büro (TLB).

Ferner wird im Projekt untersucht, wie der inverse Filterprozess 

durch den Kohärenzgrad der Beleuchtung beeinflusst wird. Dies 

ist besonders dann von Bedeutung, wenn das Verfahren in der 

Mikroskopie eingesetzt wird, wo teilkohärente Beleuchtung 

vorliegt. 

Da kommerziell erhältliche Software-Programme für die notwendigen 

physikalisch-optischen Simulationen nicht oder nur 

unzureichend einsetzbar sind, wurde im Rahmen des Projekts 

das Simulationsprogramm PHYOS (physical simulation of optical 

systems) entwickelt. Das Simulationsprogramm simuliert 

die Abbildung optischer Systeme wellenoptisch und verarbeitet 

sowohl Phasen- als auch Amplitudenobjekte. Diese können 

mathematisch modelliert oder auch als Bilder über eine CCD- 

Kamera eingelesen werden. 

Abb. 2. Variable Phasenmaske. 

Oben Phasenmaske in der neutralen 

Grundstellung. Unten Phasenmaske 

mit kubischer Wirkung. 

Die Modellierung des Abbildungssystems selbst erfolgt durch 

das Optikdesign-Programm ZEMAX. Das Programm PHYOS 

übernimmt die Systemdaten als Zernike-Koeffizienten formatgerecht 

in Form von ASCII-Dateien. Experimentelle Ergebnisse 

können mit den Simulationsmodellen verglichen werden. 

Das Programm PHYOS kann als Entwicklungswerkzeug zur 

Optimierung von Phasenplatten für fokusinvariante optische 

Systeme eingesetzt werden und umfasst folgende Merkmale: 

> Simulation realer optischer Systeme mit 

Abbildungsfehlern 

> kompatibel mit ZEMAX 

> kohärente, teilkohärente und inkohärente Abbildung 

> monochromatische und polychromatische Abbildung 

> Systeme mit feldabhängigen Bildfehlern 

> Phasenkontrastabbildung 

> Berechnung und Darstellung von 

OTF (optische Transferfunktion) 

PSF (point spread function) und 

MTF (modulation transfer function) 

> inverse Filterung im Frequenzraum 

> inverse Filterung im Ortsraum 

> Rauschunterdrückung durch Wienerfilter 

11

12 


[2001] 

Projekt: 


Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen 


Endoskopische Untersuchungen gewinnen sowohl im Maschinenbau, 

der Fein- und Mikrotechnik als auch in verschiedenen 

Bereichen der Medizin zunehmend an Bedeutung. Vielversprechende 

Anwendungen sind u.a. in der zerstörungsfreien Prüfung 

von Innenräumen technischer Komponenten zu finden, 

die sich einer konventionellen Beobachtung entziehen. Die 

Ermittlung geometrischer Eigenschaften an schwer zugänglichen 

Stellen ist insbesondere im Verkehrsmittelbau von großer 

wirtschaftlicher Bedeutung. Durch die Kombination von Endoskopie 

und holografischer Interferometrie lassen sich zusätzlich 

festkörpermechanische Daten wie z.B. Dehnungsfelder und 

Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet 

klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert. 

Die holografische Interferometrie ist eine berührungslose und 

flächenhafte kohärente Messtechnik. Sie wurde in den vergangenen 

30 Jahren zur Messung von Formen, statischen und 

dynamischen Formänderungen, Dehnungen und Dichteverteilungen 

erfolgreich eingesetzt. Mit holografischer Interferometrie 

werden zwei oder mehrere Wellenfelder, die zu verschiedenen 

Zeiten holografisch registriert wurden, miteinander verglichen. 

Durch die Weiterentwicklung der elektronischen Bildsensoren 

(CCD, CMOS) und der digitalen Bildverarbeitung konnten 

sich Verfahren der digitalen Holographie etablieren. Nach der 

Registrierung und Speicherung der Hologramme auf dem 

Bildsensor bzw. im Computer erfolgt die Rekonstruktion durch 

eine digitale Simulation der Propagation des Wellenfeldes. Die 

Technik erlaubt einen weitaus höheren Grad an Automatisierung 

und Miniaturisierung als die konventionelle Holografie. 

Pulslaser erlauben es, die Messzeit drastisch zu verkürzen 

(z.B. auf wenige Nanosekunden) und unerwünschte Störungen 

zu eliminieren, so dass dynamische Prozesse messbar sind. Bei 

der gepulsten digitalen Holografie werden in kurzem zeitlichem 

Abstand zwei oder mehrere Hologramme eines Objektes 

auf einem CCD-Chip registriert. Durch den interferometrischen 

Vergleich dieser Wellenfronten kann auf eine lokale Veränderung 

des Objektes infolge von dynamischen Verschiebungen 

geschlossen werden. Daher kann die gepulste digitale Holografie 

neben der flächenhaften Messung von Verformungen, vorteilhaft 

für die Schwingungsanalyse an mechanischen Bauteilen 

eingesetzt werden. Zur Untersuchungen des dreidimensionalen 

Schwingungsverhaltens von Objekten ist es notwendig, 

die Form des zu messenden Objekts zu kennen, was ebenfalls 

mit einer auf digitaler Holographie basierenden Methode 

erreicht wird. 

Die in dem Projekt „Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen“ 

entwickelten Methoden erlauben es, das Anwendungsfeld 

endoskopischer Techniken im Hinblick auf dynamische 

Verformungen (z.B. Schwingungen) an schwer zugängliche 

Stellen zu erweitern. Durch die drastisch verringerte 

Messzeit von wenigen Nanosekunden (Einzelimpuls) bzw. 

Mikrosekunden (Pulsabstand) erscheinen Untersuchungen 

im industriellen Umfeld realistisch. 

Im ersten Teil wurde die bereits am Institut für Technische 

Optik (ITO) der Universität Stuttgart entwickelte Aufnahmetechnik 

für den endoskopischen Einsatz erweitert und optimiert. 

Es wurde die Pulsholografie mit kommerziell erhältlichen 

starren und flexiblen Endoskopen proximal untersucht. Um die 

Fähigkeit des endoskopischen Systems zu prüfen, wurden Messungen 

an verschiedenen Teilen durchgeführt. Als starres Endoskop 

wurde ein Swing Prism Borescope der Fa. Karl Storz mit 

einer Länge von 0,5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet. 

Weitere Untersuchungen wurden mit einem flexiblen 

Endoskop angestellt. Zu diesem Zweck erfolgte die Integration 

eines Gerätes der Fa. Schölly in eine Anordnung für gepulste 

digitale Holografie. 

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn der holografische 

Sensor distal angekoppelt wird und direkt in das Objekt eingeführt 

wird. Damit ergeben sich eine Reihe von praktischen 

Vorteilen für die 3D-Form- und Verformungsmessung mittels 

Endoskopie. Vorraussetzung ist jedoch eine drastische Miniaturisierung 

des holografischen Messkopfes, um es in entspre-

chende Kavitäten (z.B. Motoren-, Turbinen- oder Körperhohlräume) 

einführen zu können. Eine sehr kleine Kamera wurde in 

einem miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt. 

Der Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 7 mm (Abb. 1). 

Faser. Referenz 

Faser 

CCD, 752 x 582 Pixel 

Pixelgröße: 3.2 µm x 3.1 µm 

Objektsbeleuchtung 

Abb. 1: Prototyp eines miniaturisierten 

holografischen Messkopfs mit 

Kamera, Durchmesser 7 mm. 

Als Lichtquelle wurde ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Pulslaser 

mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge 

von 10 ns bei einer Frequenz von 20 Hz verwendet. Es wurden 

bereits erste Messungen durchgeführt. Ein Beispiel ist in Abb. 2 

dargestellt. 

Defekt 

Apertur 

Linse 

Abb. 2: Schwingungsmessung eines 

Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 

2350 Hz. Streifenbild (a). 

Pseudo-3D Darstellung des 

Schwingungsvorgangs (b). 

Es ist auch realistisch, das System noch weiter zu miniaturisieren 

und die Laserquelle ebenfalls in den Messkopf zu integrieren. 

Damit gelangt die Entwicklung von sehr kleinen und autonomen 

Messrobotern, die gezielt an schwer zugänglichen 

Stellen messen, in Reichweite. 

Referenzen: 

[1] S. Schedin, G. Pedrini, H.J. Tiziani, F.M. Santoyo, 

"All-fibre pulsed digital holography," 

Opt. Comm. 165, 183-188, 1999. 

[2] S. Schedin, G. Pedrini, H. J. Tiziani, 

"A comparative study of various endoscopes for pulsed digital 

holographic interferometry", 

Applied Optics-OT, Volume 40, Issue 16, 2692-2697, June 2001 

[3] G. Pedrini, M. Gusev, S. Schedin, H. J. Tiziani, 

"Pulsed digital holographic interferometry by using a flexible 

fiber endoscope", 

Optics and Laser in Engineering 40, S. 487-499, 2003 

[4] G. Pedrini, I. Alexeenko, H. J. Tiziani, 

"Pulsed endoscopic digital holographic interferometry for 

investigation of hidden surfaces", 

Proc. SPIE, Vol 4933, 123-128, 2003 

[5] G. Pedrini, I. Alexeenko, 

"Miniaturised optical system based on digital holography", 

Proc. SPIE, Vol 5503, 493-498, 2004. 

[6] G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Osten, 

„Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungen an 

schwer zugänglichen Oberflächen“, 

Tech. Mess. 3, 172-179, 2005 

13

14 


[2001] 

Projekt: 

Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung von innovativen 

Verfahren für die Messtechnik und Bildverbesserung mit Hilfe 

von adaptiver Optik.Dabei kommen neuartige adaptive 

Bauteile zum Einsatz, die zum Teil im Rahmen des Projektverbundes 

neu entwickelt und realisiert wurden. 


Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver 

Membranspiegel-Optik 


Hochschule Aalen 

Mit adaptiven Optiken können Wellenfronten gezielt verformt 

werden.In den letzten Jahren wurden neuartige Membranspiegel 

entwickelt, die sich durch Schnelligkeit, Robustheit und 

hohe optische Qualität bei im Vergleich mit den bisherigen, 

piezogetriebenen adaptiven Optiken günstigem Preis auszeichnen.Durch 

die Integration dieser adaptiven Optiken in den 

optischen Aufbau werden für aktuelle Probleme in der optischen 

Messtechnik neue Lösungsansätze entwickelt, die im 

Folgenden vorgestellt werden. 

Flexible Asphärenmesstechnik 

Ein aktuelles Problem der optischen Industrie ist die flächenhafte 

Vermessung von asphärischen, d.h. nichtkugelförmigen, 

Oberflächen.Asphären bieten dem Optik-Designer im Vergleich 

zu sphärischen Flächen wesentlich mehr Design-Flexibilität, 

wodurch sich Systeme mit einer geringeren Anzahl von Flächen 

bei vergleichbaren oder besseren optischen Eigenschaften realisieren 

lassen. 

Bei der interferometrischen Vermessung von asphärischen 

Flächen muss die Wellenfront des Interferometers an den jeweiligen 

Asphärentyp angepasst werden, um zu hohe Streifendichten 

im Interferogramm oder gar Vignettierung des Messlichts 

zu vermeiden.Diese Aufgabe übernimmt die sogenannte 

Nulloptik, die bei idealem Prüfling ein Interferogramm ohne 

Streifen erzeugt.Für Kleinserien ist die Fertigung von individuellen 

Nulloptiken zu kosten- und zeitaufwändig.Ziel ist es 

daher, im Rahmen des Projektes eine flexible Asphärenmesstechnik 

auf Basis von Membranspiegeln zu entwickeln. 

Ein Beispiel für einen solchen Membranspiegel ist der in Abb.1 

dargestellte 50 mm-Spiegel. 

Dieser Spiegel erzeugt reproduzierbar die notwendigen asphä- 

Abb. 1: Membranspiegel mit 50 mm 

Durchmesser. Der Spiegel wird über 

79 elektrostatischen Aktuatoren angesteuert. 

rischen Wellenfronten und bildet damit die Basis für die entwickelte 

adaptive Nulloptik.Im Projekt werden verschiedene 

Konzepte zur Integration des Spiegels in den interferometrischen 

Aufbau untersucht.Dabei spielt die Kalibrierung des 

Prüfaufbaus eine entscheidende Rolle – für eine komplette Prüfung 

müssen auch Messungen in Nicht-Nulltest-Konfiguration 

durchgeführt werden.Neue Kalibrieransätze mit Hilfe von diffraktiven 

Optiken werden entwickelt.Die maximale Deformation 

des Spiegels ist prinzipbedingt begrenzt.Ein Schwerpunkt 

des Projekts ist daher auch die Entwicklung von Methoden zur 

Messbereichserweiterung zur Vermessung von Asphären mit 

höherer Asphärizität. 

Konfokalmikroskopie: 

Messbereichserweiterung und Aberrationskorrektur 

Ein weiteres Thema des Verbundprojekts ist die Aberrationskorrektur 

in konfokalen Mikroskopen mit Hilfe von Membranspiegeln.Die 

zu korrigierenden Aberrationen sind die Folge von Dicken- 

und Brechungsindexvariationen von Deckglas bzw.Probe.

Es wurde bereits erfolgreich ein hochdynamisierbares konfokales 

System demonstriert, das durch den Einsatz von Membranspiegeln 

ohne mechanischen z-Scan auskommt. Der Scan wird 

durch den Spiegel mit Stellzeiten unter 1 ms realisiert. Für den 

schnellen Tiefenscan mit adaptiven Spiegeln wurde ein Auswerteverfahren 

aus der chromatisch-konfokalen Mikroskopie 

adaptiert. 

Für die Aberrationskorrektur beim Tiefenscan ins Material 

wurde die Ansteuer-Software für den adaptiven Spiegel um ein 

neues Optimierungsmodul basierend auf einem genetischen 

Algorithmus erweitert. Hierzu wurde ein neuartiges Verfahren 

zur Ermittlung einer einzelnen skalaren Größe zur Wellenfrontcharakterisierung 

unter Verwendung der Informationsentropie 

definiert. 

Wellenfrontkodierung 

Die dritte messtechnische Anwendung, die im Rahmen des 

Verbundprojekts untersucht wird, ist die Wellenfrontkodierung. 

Diese erlaubt die Erhöhung der Schärfentiefe eines abbildenden 

Systems durch gezielte Einbringung von bekannten Aberrationen, 

die in einem zweiten Schritt rechnerisch eliminiert 

werden (inverse Filterung). 

Abb. 2: Simulationsergebnisse 

zur Wellenfrontkodierung. 

Links: Wellenfrontkodierung mit ideal 

kubischer Phasenfunktion, 

rechts zum Vergleich: gleiches Bild 

ohne Wellenfrontkodierung. 

Im Rahmen des Projekts wird der Entwurf der dafür benötigten 

Phasenmasken in Bezug auf spezifische Objektiv-Designs und 

spezielle Kontrastierungsverfahren sowohl theoretisch als auch 

experimentell untersucht und optimiert. Ferner wird der Einfluss 

des Kohärenzgrads der Beleuchtung auf die Abbildungseigenschaften 

und die inverse Filterung untersucht. Als flexible 

Erweiterung zu statischen Phasenmasken werden adaptive 

optische Systeme untersucht und an einem Mikroskopaufbau 

erprobt. Hierfür wurde die Optik-Simulationssoftware "PHYOS" 

entwickelt. Neben speziell für das Problem angepassten 

Membranspiegeln wird ein neuer, zum Patent angemeldeter 

Ansatz verfolgt (Abb. 3). 

Abb. 3: Realisierung einer 

konkaven (oben) konvexen 

(unten) Phasenplatte, wie sie 

zum Patent angemeldet wurden. 

Die Bearbeitung erfolgt 

mit Hilfe eines Polierroboters 

im Zentrum für Optische 

Technologien an der 

Hochschule Aalen. 

Hierfür werden zwei gegeneinander verschiebbare Phasenplatten 

benötigt, die mit Hilfe eines Polierroboters an der 

Hochschule Aalen hergestellt wurden. Mit Hilfe der variablen 

Phasenplatten ist es möglich, die Stärke des Phasenplattensystems 

an die Erfordernisse der Optik und des Objekts anzupassen. 

15

16 


[2001] 

Projekt: 

Motivation und Ziel 

Für die Inspektion kleiner Hohlräume stehen für die Medizin 

und Technik heute eine Vielzahl von Endoskopen zur Verfügung. 

Die kleinsten flexiblen Bildleiter erreichen Durchmesser von 

unter 0,5 mm, Mini-Endoskope mit Arbeitskanal sind mit 

Außendurchmessern von etwa 2 mm erhältlich. Die Arbeitskanäle 

können Lichtleiter aufnehmen, so dass die Hohlräume 

nicht nur betrachtet, sondern auch z.B. mit Laserstrahlung 

bearbeitet werden können. Für die Zukunft ist davon auszugehen, 

dass 


Mikrooptische scannende Laserstrahl- 

Führungssysteme für endoluminale Anwendungen 

Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm 

a) die zu untersuchenden und zu bearbeiteten 

Hohlräume immer kleiner werden und 

b) eine zunehmende Automatisierung die visuelle 

Inspektion zum Teil ablösen und daher eine vollständige 

Bildaufnahme unnötig sein wird. 

Um diesen zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, ist 

es Ziel des Projekts, ein optisches System zu entwickeln, welches 

das Vordringen in noch kleinere Dimesionen erlaubt und 

die automatisierte Bearbeitung unterstützt. 

Idee und Konzept 

Die am ILM entwickelte Grundidee ist es, Hohlräume mit nur 

einem einzelnen Lichtleiter variabel zu bestrahlen und/oder im 

Hohlraum (re-) emittiertes Licht winkelaufgelöst zu detektieren. 

Die Detektion des Lichts aus dem Hohlraum, z.B. Fluoreszenzstrahlung 

oder rückgestreutes Licht, erlaubt eine richtungsselektive 

Abrasterung des Hohlraums zur Diagnostik. 

Abb. 1: Abstrahlungsmuster, die mit 

zylinderförmigen Fasern erzeugt werden 

können. Der Ringdurchmesser 

steigt mit zunehmendem Einkoppelwinkel 

an, dünnere Lichtleiter führen 

zu schmaleren Ringen 

(oben: = 500 µm Simulation, 

unten: = 200 µm Messung). 

Wenn diese zur Regelung der Bearbeitung bzw. Therapie als 

Feedback genutzt werden kann, ist eine automatisierte 

Behandlung ohne visuelle Kontrolle möglich. Durch die 

Benutzung einer einzigen Faser für die Bestrahlung und die 

Rückführung optischer Feedback-Signale sind prinzipiell sehr 

kleine Baugrößen möglich. Die "Faser-Scanner" können sowohl 

alternativ zu als auch in Verbindung mit Endoskopen zur flexiblen 

Beleuchtung, Diagnostik oder Bearbeitung eingesetzt werden. 

Forschung und Realisierung 

Der gewählte optische Ansatz besteht darin, durch eine gezielte 

Variation des Einkoppelwinkels in einen Lichtleiter eine 

Variation des Auskoppelwinkels zu erreichen. Der gewünschte 

auskoppelseitige Winkelbereich und die Auflösung werden 

durch den Bereich und die Rasterung des Einkoppelwinkels 

sowie durch das Lichtleiter-Design bestimmt. Um die Grundlage 

für möglichst viele Anwendungen zu legen, wurden 

zunächst alle relevanten Abhängigkeiten der Übertragung 

quantifiziert. Neben Faktoren wie Länge, Querschnitt und 

Material des Lichtleiters wurden auch spezielle Modifikationen 

der Faserenden, wie Anschrägungen oder Taper untersucht. 

Beispielhaft sind in Abb. 1 Beleuchtungsmuster von zylinderförmigen 

Fasern zu sehen. Je nach Einkoppelwinkel kann die 

Abstrahlung zwischen einem wenig divergenten axialen 

Bündel bis zu ringförmigen Verteilungen variiert werden. Die 

Abb. 2 zeigt die Konstruktion eines Scan-Handstücks für die 

Zahnmedizin unter Verwendung einer Faser mit rechteckigem 

Querschnitt. Die Strahlung eines Er:YAG-Lasers wird über eine

Optik und einen beweglichen Spiegel unter verschiedenen 

Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt. Über ein Fluoreszenz- 

Feedback kann kariöses Gewebe automatisch erkannt und 

dann im Innern des Zahns ohne Sicht entfernt werden. 

Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten 

Je nach Fasertyp und Ausgestaltung der Faserenden kann eine 

Vielfalt verschiedener Abstrahl- oder Detektions-Charakteristika 

realisiert werden, z.B. auch 2-dimensionale Scans oder axiale 

Scans entlang der Faser. Da sich zur Lichtleitung auch Quarzoder 

Saphirfasern eigenen, stehen dem "Faser-Scanner" auch 

heiße oder chemisch aggressive Umgebungen offen. Der mögliche 

Spektralbereich für die Bestrahlung oder Detektion 

erstreckt sich vom UV bis zum infraroten Spektralbereich. 

Mögliche Anwendungen sind: 

Abb. 2: Konstruktion eines Handstücks 

mit Faserscanner für die Zahnmedizin. 

Über eine Optik mit beweglichem 

Spiegel kann unter verschiedenen 

Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt 

werden, wodurch auch die 

Abstrahlung variiert werden kann. 

Dadurch lässt es sich vermeiden, dass 

zur Entfernung unterminierender 

Karies der darüber liegende gesunde 

Schmelz abgetragen werden muss. 

> Beleuchtung, allein oder in Verbindung mit Endoskopen 

> Sensoren und Sonden, z.B. Temperatur (Radiometrie) 

> optische Analyse, z.B. durch (Fluoreszenz-) Spektroskopie 

> Laserbearbeitung in kleinen Bauteilen, mit und ohne 

Feedback, selektive Ablation, Reinigung, Trocknung, 

Oberflächenmodifikation 

> minimal-invasive medizinische Therapien 

Durch das nun am ILM vorhandene umfangreiche Datenmaterial 

und Know-how in der Simulation und Herstellung der 

Bauteile können für spezielle Anforderungen angepasste 

Systeme entworfen und realisiert werden. 

17

18 


[2001] 

Projekt: 

Zur Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse wie zum 

Bespiel zur Optimierung moderner Verbrennungsmotoren werden 

immer öfter laserbasierte optische Messverfahren eingesetzt. 

Ihr Vorteil liegt in der berührungslosen Messung mit 

minimalem Einfluss auf den Verbrennungsvorgang. Etablierte 

Verfahren zur quantitativen Erfassung von Konzentrations- und 

Temperaturverteilungen sind jedoch auf die Signalbeobachtung 

und Laserstrahlführung durch ausgedehnte Fenster angewiesen. 

Die hierfür notwendigen Veränderungen verbieten 

Untersuchungen in der seriennahen Entwicklung. Für diese 

Anwendungen sind mikroinvasive Techniken erforderlich. Im 

Rahmen dieses Projekts werden deshalb vom Institut für Technische 

Optik (ITO) der Universität Stuttgart und dem Physikalisch-Chemischen 

Institut (PCI) der Universität Heidelberg neue 

diagnostische Lösungen für die innermotorische, lasergestützte 

Verbrennungsdiagnostik entwickelt, bei denen der Eingriff in 

den Motorblock minimiert wird. Während das ITO über langjährige 

Erfahrung in der Entwicklung von Spezialoptiken durch 

Kombination refraktiver und diffraktiver Elemente verfügt, ist 

ein Schwerpunkt des PCI die Entwicklung und Anwendung von 

laseroptischen Verfahren zur Verbrennungsdiagnostik, so dass 

sich die Kompetenzen der beiden Projektpartner innerhalb des 

Projekts ideal ergänzen. 

Eine wichtige Voraussetzung in modernen, mager betriebenen 

direkteinspritzenden Motoren ist die Bereitstellung der richtigen 

Treibstoff-Luft-Zusammensetzung am Ort der Zündung 

zum Zündzeitpunkt. Ziel des Projektes ist es, zur Untersuchung 

dieser Aufgabe ein minimalinvasives, auf laserinduzierter 

Fluoreszenz basierendes Detektionssystem zu entwickeln, das 

Untersuchungen in seriennahen Motoren ermöglicht. Kommerzielles 

Benzin enthält viele organische Komponenten, die in 

einem breiten spektralen Bereich fluoreszieren. Da die Konzentration 

dieser Komponenten stark variiert, verwendet man für 

quantitative Messungen nichtfluoreszierende Modelltreibstoffe, 

die mit Fluoreszenz-Tracern dotiert sind. Nach ihrer Anregung 

mit UV-Licht emittieren diese Moleküle Licht in einem 

definierten Spektralbereich. Für Tracer-LIF basierte Messverfah- 


Mikrooptische Systeme für die lasergestützte 

minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik 

Physikalisch-Chemisches Institut (PCI) der Universität Heidelberg 


ren ist die Charakterisierung des druck- und temperaturabhängen 

Fluoreszenzspektrums entscheidend [1, 2]. In der späteren 

Anwendung gibt die Intensität und spektroskopische Analyse 

des Fluoreszenzsignals dann Auskunft über Tracerkonzentration, 

Druck, Temperatur oder Gaszusammensetzung. 

Als Tracer bieten sich hierbei Moleküle an, die auch schon in regulärem 

Treibstoff vorhanden sind, sich nicht entmischen und 

ähnliche Siedetemperaturen haben wie der Treibstoff. 3-Pentanon 

und Toluol sollen hier erwähnt werden, da sie schon oft zur 

Messung von Treibstoffkonzentrationen eingesetzt wurden [3]. 

Toluol eignet sich zudem zur Temperaturmessung [4]. Die spektral 

getrennten Fluoreszenzsignale von Toluol und 3-Pentanon 

nach Anregung mit dem selben UV-Laser (Abb. 1) ermöglichen 

außerdem die Messung von Äquivalenzverhältnissen [5]. 

Abb. 1: Fluoreszenzspektren 

von Toluol und 

3-Pentanon nach 

Anregung mit einem 

UV-Laser (266 nm) 

Zur Anwendung der oben genannten Methoden werden 

folgende mikrooptische Systeme entwickelt: 

1. Ein bildgebendes Verfahren, bei dem Abbildungs- und Laser- 

Strahlführungsoptik miniaturisiert werden, so dass sie in 

Bohrungen mit Durchmessern von maximal 1 cm eingesetzt 

werden können. 

2. Ein fasergestütztes System zur Punktmessung in Zündfunkennähe. 

Die gesamte Optik ist hierbei in einen Zündkerzenkörper 

intgriert und funktioniert somit ganz ohne weitere 

Bohrungen im Motorblock. Beide Techniken ermöglichen 

erstmals, die zugrundeliegenden diagnostischen Verfahren 

in seriennahen Motoren einzusetzen.

1. Punktmessung nahe des Zündfunkens durch einen 

faseroptischen Sensor [6, 7] 

Eine modifizierte Zündkerze dient als Sensor. Sie enthält zusätzlich 

zu der Zündfunktion optische Zugänge für Anregung der 

Tracer-Substanzen und die anschließende Sammlung des Fluoreszenzlichts. 

Durch gezielte Definition der Strahlbereiche kann 

ein Messvolumen optisch eingestellt werden. Es liegt in der 

Nähe des Zündfunkens und hat ein Volumen von ca. 2 mm3 . 

Die Optik im Sensorkopf ist speziell für die Verwendung von 

optischen Lichtleitern ausgelegt, wodurch eine einfache Handhabung 

des Sensors insbesondere im Hinblick auf Motorbewegungen 

möglich wird. Der schematische Messaufbau ist in 

Abb. 2 gezeigt. Abb. 3 zeigt einen Prototypen und seine Anwendung 

im Motor. 

Abb. 2: Messaufbau 

für den Fasersensor 

Aufgrund der thermischen Anforderungen für den Einsatz im 

Verbrennungsraum werden Saphirfenster verwendet, die in ein 

Titangehäuse druckdicht eingebaut sind. Diese gekrümmten 

Saphirfenster übernehmen zudem die Linsenfunktion der 

Sensoroptik. 

Abb. 3: Fasersensor Prototyp 

2. Zweidimensionale Messung von Verbrennungsparametern 

durch refraktivdiffraktive (hybride) Mikrooptiken: 

Für die Erfassung von Messgrößen innerhalb einer im Motor 

definierten Ebene werden speziell auf die spektralen Bereiche 

der ausgewählten Tracer-Substanzen zugeschnittene Mikroop- 

tiken mit einem kleinen Durchmesser entwickelt. Diese können 

in Bohrungen in der Motorwand eingesetzt werden. Das 

System besteht aus zwei Komponenten: Eine Optik wandelt 

den Gauß-Strahl des Anregungslasers in einen Lichtschnitt um 

und definiert hierdurch die Messebene. Die Verwendung von 

diffraktiven Komponenten erlaubt hier die Erzeugung eines vorteilhaften 

Flat-Top-Profils. 

Das ausgesandte Fluoreszenzlicht wird dann über eine Weitwinkel-Schlüssellochoptik 

auf eine verstärkte CCD-Kamera 

abgebildet. Da das Fluoreszenzlicht einen bestimmten Wellenlängenbereich 

umfasst, ist eine chromatische Korrektur der 

Abbildungsoptik nötig. Sie wird durch den Einsatz von diffraktiven 

Elementen realisiert. Diese haben eine negative Dispersion 

und können somit den refraktiven Linsen hinsichtlich der spektralen 

Variation der Brechkraft entgegenwirken. Außerdem wird 

ihre Phasenfunktion asphärisch 

ausgeführt, wodurch 

weitere Freiheitsgrade für die 

Korrektur von Bildfehlern 

(Aberrationen) genützt werden 

können. Auch für die 

Lichtstärke ergibt sich eine 

positive Auswirkung, weil die 

die gewünschte Auflösung 

mit weniger Elementen 

Abb. 4: Mikroinvasives 

erreicht werden kann. 

abbildendes Messverfahren 

Referenzen: 

[1] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and 

C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone 

under engine-related temperature and pressure conditions," 

Proc. Combust. Inst. (2004). 

[2] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Toluene LIF 

at elevated temperatures: implications for fuel-air ratio measure 

ments," Appl. Phys. B 80, 147-150 (2005). 

[3] J. Fischer, A. Velji, U. Spicher, F. Zimmermann, and C. Schulz, 

"Measurement of the equivalence ratio in the spark gap region of 

a gasoline direct injection engine with spark emission spectrosco 

py and tracer-LIF," SAE Technical Paper Series No. 2004-01-1916 

(2004). 

[4] W. Koban, M. Luong, and C. Schulz, "Temperature imaging based 

on toluene laser-induced fluorescence," Appl. Phys. B, 

in preparation (2005). 

[5] W. Koban, J. Schorr, and C. Schulz, "Oxygen distribution imaging 

with a novel two-tracer laser-induced fluorescence technique," 

Appl. Phys. B 74, 111-114 (2002). 

[6] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. Tiziani, F. Zimmermann, and 

C. Schulz, "Microoptical sensor for integration in a functional 

spark plug for combustion analysis by UV-laser induced fluores 

cence spectroscopy," Proc. VDI 4th Conference on Optical 

Analysis Technology (2004). 

[7] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. J. Tiziani, F. Zimmermann, and 

C. Schulz, "Fiber optic spark plug sensor for UV-LIF measurements 

close to the ignition spark," Proceedings of SPIE - The International 

Society for Optical Engineering vol. 5856, 158-168 (2005). 

19

20 


[2001] 

Projekt: 


Rigorose numerische Simulation in Optik-Design 

und hochauflösender Messtechnik 


Aufgrund der Verbesserung der Abbildungsleistung moderner 

Objektive und der Integration innovativer Komponenten spielen 

elektromagnetische Effekte in optischen Systemen eine immer 

entscheidendere Rolle – auch um ihre Leistungsfähigkeit im 

physikalischen Grenzbereich voll auszuschöpfen. Für das Design 

und die Auslegung solcher Systeme sind daher skalare Rechnungen 

nicht mehr ausreichend, sodass rigorosen elektromagnetischen 

Rechnungen eine essentielle Bedeutung zukommt. 

Darüber hinaus muss der Einfluss elektromagnetischer Effekte 

auf die Leistungsfähigkeit optischer Systeme quantifiziert werden, 

um diese für ein präzises Design berücksichtigen zu können. 

Dies ist die Grundvoraussetzung für eine weitere Steigerung 

der Leistungsfähigkeit optischer Systeme im Grenzbereich 

des physikalischen Auflösungsvermögens. Vor diesem Hintergrund 

werden im Rahmen dieses Projektes drei wesentliche 

Ziele verfolgt: 

1) Schaffung und Vergleich von verschiedener Simulationsmethoden 

zur rigorosen numerischen Simulation. 

2) Kombination von hochauflösender Messtechnik mit 

rigoroser numerischer Simulation. 

3) Rekonstruktion von räumlichen Verteilungen der optischen 

Anisotropie (Index-Ellipsoid) transparenter Körper, 

um sie in Optik-Design und Simulation berücksichtigen 

zu können. 

In Tabelle 1 sind die implementierten Verfahren zur Berechnung 

der rigorosen Beugung einander gegenübergestellt und hinsichtlich 

verschiedener praxisrelevanter Kriterien verglichen. 

Die detaillierten Untersuchungen [1] zeigten, dass es notwendig 

ist, eine große Palette an verschiedenen Simulationsmethoden 

zur Verfügung zu haben, um ein möglichst breites Spektrum 

anwendungsrelevanter Objekte mit bestmöglicher Präzision 

simulieren zu können. Es kann so, je nach Fragestellung, 

das geeignete Rechenverfahren ausgewählt werden. 

Fernfeldanbindung 

Rechenzeit 

Numerischer Aufwand 

Periodische Strukturen 

Singuläre Strukturen 

Flexibilität (Strukturform) 

Zuverlässigkeit 

RCWA 

(Rigorous Coupled Wave Analysis) 

FDTD 

(Finite Difference Time Domain) 

FEM 

(Finite Elemente Methode) 

Streutheorie 

(Elektromagnetisch (Kugel, Zylinder)) 

VKA 

(Vektorielle Kirchhoff Approximation) 

Detektor 

Tabelle 1: Gegenüberstellung 

von Verfahren zur Berechnung 

der rigorosen Beugung. 

Laser 

Strahlteiler 

Polarisationssteller 

Objekt 

(Gitter) 

Polarisationsanalysator 

Abb. 1: Aufbau eines 

Polarisationsdiffraktometers. 

Detektor

Die rigorosen Effekte an Strukturen mit Strukturgrößen im 

Bereich der Wellenlänge beeinflussen den Polarisationszustand 

des gebeugten Lichts. Dies wird mathematisch durch die 

Maxwell-Gleichungen beschrieben und kann mit den implementierten 

Simulationsmethoden numerisch berechnet werden. 

Zur Charakterisierung von beugenden Strukturen wie z.B. 

Diffraktiven Optischen Elementen [2] werden Diffraktometer 

eingesetzt. Diese messen die Beugungseffizienz verschiedener 

Beugungsordnungen. Durch Erweiterung eines solchen 

Diffraktometers mit polarisationsmessenden Komponenten 

können nun auch rigorose Effekte gemessen werden und in 

Kombination mit rigoroser numerischer Simulation zur 

Objektrekonstruktion herangezogen werden. Dadurch wird die 

numerische Objektrekonstruktion Teil des Messverfahrens. 

Bei optischen Systemen mit höchsten Qualitätsansprüchen 

führen bereits kleinste Inhomogenitäten der eingesetzten 

Medien zu einer Reduzierung der Abbildungsgüte und damit 

der erreichbaren Auflösung. Für DUV Lithographieobjektive ist 

dies bereits ein Ausschlusskriterium der nutzbaren Materialien 

gerade auch in Bezug auf Doppelbrechung. Um die räumliche 

Verteilung von optischen Anisotropien zu bestimmen, sind tensortomographische 

Rekonstruktionsmethoden entwickelt worden 

[3, 4]. Abb. 2 zeigt schematisch das tomographische Modell 

sowie die Zellenapproximation der räumlichen Verteilung der 

Brechungsindexellipsoide. 

#Strahlen: 

M = mxmxp 

Abb. 2: 

a) Modell des Glasblank und der 

tomographischen Messanordnung 

b) Zellenapproximation der räumlichen 

Verteilung von optischer 

Anisotropie. 

#Projektionsrichtungen: p 

#Zellen: 

N = nxnxn 

Welche Bedeutung die dreidimensional anisotrope Inhomogenitätsverteilung 

hat, kommt in Abb. 3 zur Geltung. Strahlen mit 

unterschiedlichen Neigungen durchlaufen das Glasblank. Sie 

werden von unterschiedlichen Bereichen beeinflusst und erfahren 

unterschiedliche Projektionen der zugehörigen Brechungsindexellipsoide. 

Abb. 3b zeigt Real- und Imaginärteil der Jones- 

Transfermatrizen für drei verschiedene Projektionsrichtungen. 

Wäre keine tensorielle Volumeninformation verfügbar, würde 

man fälschlicherweise davon ausgehen, dass alle drei Projektionen 

dasselbe anisotrope Verhalten zeigen. 

Referenzen: 

Abb. 3: 

a) Inhomogenität eines Elements des 

Brechungsindextensors durchstoßen 

von Strahlen mit unterschiedlichen 

Neigungswinkeln. 

b) Real- und Imaginärteil der Jones- 

Transfermatrix bei verschiedenen 

Neigungswinkeln. 

[1] Berger R., Kauffmann J., Kerwien N., Osten W., Tiziani H.J., 

„Rigorose Beugungssimulation: Ein Vergleich zwischen RCWA, 

FDTD und der Finiten Elementen Methode“, 

Proceeding der DGaO 2004, Bad Kreuznach 

[2] C. Pruss, S. Reichelt, V. P. Korolkov, W. Osten, and H. J. Tiziani. 

"Performance improvement of CGHs for optical testing". In W. 

Osten, editor, Optical Measurement Systems for Industrial 

Inspection III, volume 5144 of Proceedings of SPIE, pages 460– 

471. SPIE–The International Society for Optical Engineering, 

2003. 

[3] J. Kauffmann, N. Kerwien, W. Osten, H.J. Tiziani; 

„Ein tomographisches Verfahren zur Rekonstruktion der volumenaufgelösten 

Verteilung des Brechungsindextensors“, 

Proceeding der DGaO 2004, Bad Kreuznach 

[4] J. Kauffmann, N. Kerwien, H.J. Tiziani, W. Osten; 

"3D anisotropy reconstruction: an iterative tensorial tomographic 

algorithm" Proceeding der ICO 2004, Tokyo 

21

22 


[2001] 

Projekt: 

Scheibenlaser mit Halbleiterstrukturen 

Gut zehn Jahre nach der ersten Vorstellung des Scheibenlasers 

werden diese nun kommerziell mit Leistungen bis in den Multikilowatt-Bereich 

mit guter Strahlqualität und hervorragendem 

Wirkungsgrad angeboten. Das Lasermedium hat hier die Form 

einer sehr dünnen, rückseitig verspiegelten und gekühlten 

Scheibe. Thermisch induzierte Linsenbildung oder Doppelbrechung 

lassen sich so deutlich reduzieren; die Laserleistung (wie 

auch die Kühlleistung) ist einfach über die Fläche des gepumpten 

Bereichs (bei konstanter Pumpleistungsdichte) skalierbar. 

Dieses Prinzip ist auch auf Halbleiterstrukturen übertragbar. 

Das laseraktive Medium wird durch nur wenige Nanometer 

dicke Schichten, sogenannte Quantenfilme gebildet. Deren 

Emissionswellenlänge wird durch die Schichtdicke sowie die 

Größe der Bandlücke bestimmt und ist innerhalb gewisser 

Grenzen frei wählbar. Hinzu kommt, dass die hohe Güte des 

Scheibenlaser-Resonators eine äußerst effiziente resonatorinterne 

Frequenzverdopplung gestattet. Auf diese Weise wird der 

gesamte sichtbare und nahinfrarote Spektralbereich mit Halbleiter-Scheibenlasern 

zugänglich. Die höchsten bisher erreichten 

Leistungen sind 30 W bei 980 nm und 15 W bei 490 nm in 

einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl. 

Absorption der Pumpstrahlung 

Das dünne aktive Material erleichtert nicht nur die Kühlung, 

sondern reduziert auch die Transparenz- und damit die Laserschwelle, 

erfordert aber besondere Maßnahmen zur Erhöhung 

der Absorption der Pumpstrahlung. Für den Festkörper-Scheibenlaser 

wurde dazu eine Pumpoptik entwickelt, die es gestattet, 

die nicht absorbierte Pumpstrahlung mehrmals auf die 

Scheibe abzubilden. Bei Halbleitern wurde bisher meist ein 

anderer Weg beschritten. Die an die Quantenfilme angrenzenden 

Schichten werden als Absorber für die höherenergetische 

Pumpstrahlung ausgebildet. 

Die Bandlücke und Dicke dieser Absorberschichten wird so 

groß gewählt, dass die Laserstrahlung ungehindert passieren 

kann, die Pumpstrahlung dagegen in einem einzigen Durch- 

Ausschreibung 2001: Neue Laserstrahlquellen 

Halbleiter-Scheibenlaser 

Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart 

Universität Ulm, Abteilung Optoelektronik 

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Technische Physik 

gang effektiv absorbiert wird. So elegant diese Methode auch 

ist, sie hat den Nachteil, dass die Energie der Pumpphotonen 

ca. 20 % größer sein muss, als die der Laserphotonen. Und diese 

Energiedifferenz wird in Wärme umgesetzt und muss abgeführt 

werden. Dies gelingt, wenn mit relativ kleinen Pumpspots 

gearbeitet wird, so dass die effektive dreidimensionale Wärmeleitung, 

evtl. unterstützt durch Diamantwärmespreizer, zur 

Kühlung genutzt werden kann. 

Pumpen in die Quantenfilme 

In dem Verbundprojekt „Halbleiter-Scheibenlaser“, welches 

von dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart 

(IFSW), dem Institut für Technische Physik des Deutschen 

Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart und 

der Abteilung Optoelektronik der Universität Ulm bearbeitet 

wird, wird nun erstmals angestrebt, eine prinzipiell beliebige 

Leistungsskalierung über die Größe der Pumpfläche zu realisieren. 

Dazu muss jedoch die entstehende Wärme durch eine rein 

eindimensionale Wärmeleitung abgeführt werden können, 

ohne die Probentemperatur bei den erforderlichen Leistungsdichten 

zu stark zu erhöhen. 

Hierfür ist es hilfreich, die Wärmeerzeugung so weit wie möglich 

zu reduzieren, also möglichst nahe an der Laserwellenlänge 

direkt in die Quantenfilme zu pumpen. Ein einzelner Quantenfilm 

absorbiert jedoch nur 1 % der Pumpphotonen im Einfachdurchgang, 

bei höherer Ladungsträgerdichte sogar noch weniger. 

Allerdings kann die Absorption durch Verwendung mehrerer 

Quantenfilme erhöht werden, sofern die Pumpleistung, die 

zur Erzeugung der Transparenzdichte aufgewandt werden 

muss, nicht zu groß wird. Des weiteren kann die interne Kavität, 

die aus der (meist unbeschichteten) Vorderseite der Halbleiterscheibe 

und dem hinteren hochreflektierenden Spiegel gebildet 

wird, so ausgelegt werden, dass sich für die Pumpstrahlung ein 

resonant überhöhtes Stehwellenfeld ausbildet, in dessen Bäuchen 

die Quantenfilme positioniert werden können. Schließlich 

kann zusätzlich eine ein- oder mehrfache Rückabbildung der 

nicht absorbierten Pumpstrahlung vorgenommen werden.

Die genannten Maßnahmen zur Erhöhung der internen Absorption 

stellen allerdings hohe Anforderungen an die Präzision 

der Technologie. So müssen die Strukturen über die Länge der 

internen Kavität von typischerweise zehn Wellenlängen mit 

einer Genauigkeit von einem Zehntel der Wellenlänge, also 

30 nm oder 1 %, gewachsen bzw. geätzt werden und auch die 

Dicke und Zusammensetzung der Quantenfilme darf nur 

wenige Prozent vom Sollwert abweichen. 

Die theoretische Beschreibung des Scheibenlasers erfolgte 

am IFSW, basierend auf der mikroskopischen Modellierung der 

Quantenfilmstruktur durch das DLR. Die hochpräzisen Halbleiterstrukturen 

wurden an der Universität Ulm mittels MBE 

gewachsen und montiert und im Anschluss am IFSW bezüglich 

ihrer optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften 

charakterisiert. 

Experimentelle Ergebnisse 

Mit einem Ti:Saphir-Laser wurden unter weitestgehend gleichen 

Bedingungen Laserexperimente mit Absorber- und 

Quantenfilmpumpen durchgeführt, um die Ergebnisse direkt 

vergleichen zu können. Die Laserkennlinien sind – bezogen auf 

die absorbierten Pumpphotonen – identisch, d. h. es treten 

beim Absorberpumpen keine nennenswerten Verluste durch 

den Energietransfer in die Quantenfilme auf; bezogen auf die 

Leistungen hat das Quantenfilm-Pumpen einen leichten Vorteil 

(Abb. 1). 

Laserausgangsleistung (mW) 

Absorbierte Pumpleistung (mW) 

Abb. 1: Vergleich des Laserverhaltens 

bei Absorber-Pumpen (blau) 

und Quantenfilm-Pumpen (rot). 

Auch die Kühlung ist in beiden Fällen hinreichend effektiv. 

Schaut man sich jedoch die Temperatureffekte anhand der 

Resonanzlinien im Photolumineszenzspektrum während des 

Laserbetriebs an, so ergibt sich eine Linienverschiebung pro 

Watt absorbierter Pumpleistung von 1,13 nm beim Absorber- 

Pumpen gegenüber 0,39 nm beim Quantenfilm-Pumpen, entsprechend 

einer Temperaturerhöhung von 17 K/W gegenüber 

6 K/W (Abb. 2). Die thermische Belastung ist mithin beim 

Absorber-Pumpen um den Faktor 3 größer. Falls nur der Quantendefekt 

als Wärmequelle auftreten würde, ergäbe sich ein 

Verhältnis 4,3 : 1. Das heißt, der Hauptteil der thermischen Last 

resultiert aus dem Quantendefekt, und dieser kann durch 

Quantenfilm-Pumpen drastisch reduziert werden. 

Lage der Resonanz (nm) 

Absorbierte Pumpleistung (mW) 

Abb. 2: Verschiebung der Lage einer 

Resonanzlinie im Fluoreszenzspektrum 

als Funktion der absorbierten 

Pumpleistung im Laserbetrieb. 

Vergleich Absorber-gepumpt (blau) 

und Quantenfilm-gepumpt (rot). 

Zusammenfassung und Ausblick 

Messungen haben gezeigt, dass durch direktes Pumpen in die 

Quantenfilme ohne Umweg über spezielle Absorberschichten 

der Wärmeeintrag um den Faktor 3 reduziert werden kann. 

Bei ersten vergleichenden Messungen mit diodengepumpten 

Strukturen hat sich gezeigt, dass dadurch das thermische Überrollen 

später einsetzt, und so mit Quantenfilm-Pumpen eine 

mehr als 50 % höhere Laserleistung erzielt werden konnte als 

mit Absorber-Pumpen. Um eine dem Absorber-Pumpen vergleichbare 

Absorptionseffizienz zu erzielen, muss jedoch eine 

genaue Abstimmung der Halbleiterstruktur auf die Pumpstrahlung 

erfolgen und gegebenenfalls eine mehrfache Rückabbildung 

der Pumpstrahlung vorgesehen werden. Der reduzierte 

Wärmeeintrag bietet die Chance, von der dreidimensionalen 

Wärmeleitung auf die weniger effektive eindimensionale 

Wärmeleitung überzugehen, die dann eine freie Leistungsskalierbarkeit 

über die Fläche gestatten sollte. Dann sollte es möglich 

sein, mit Halbleiterstrukturen in Leistungsbereiche vorzustoßen, 

die bislang den Festkörperlasern vorbehalten sind, dies 

aber mit dem Vorteil einer wesentlich größeren Flexibilität in 

der Laserwellenlänge. 

23

24 

Wissenschaft & Forschung

ausschreibung 2002 

25

26 


[2002] 

Projekt: 

Ausschreibung 2002: Aktive Optik 

Aktive Mikro-Manipulation 


Bereits in den 70er Jahren konnte nachgewiesen werden, dass 

es möglich ist, Teilchen von einigen Mikrometern Durchmesser 

im Brennpunkt eines starken Laserstrahls zu fangen und gegen 

die Erdanziehungskraft zu bewegen [Ashkin]. Diese als „optische 

Pinzetten“ bezeichneten Systeme erlauben eine schonende, 

kontaktlose Manipulation von biologischen und nichtbiologischen 

Objekten. Solche optischen Pinzetten sind seit über 

10 Jahren in den Labors im Einsatz. 

Die Wirkung der optischen Pinzette beruht auf der sog. Gradientenkraft. 

Tritt ein Lichtstrahl in ein Objekt ein (Abb. 1), so wird 

der Strahl abgelenkt. Beim Richtungswechsel des Strahls wird 

ein Impuls auf das Objekt übertragen. Die Summe der Impulsänderungen 

bewirkt eine Kraft, die für Objekte mit höherem 

Brechungsindex als das umgebende Medium in Richtung der 

höchsten Intensität wirkt. Das Objekt wird somit zum Ort 

höchster Intensität gezogen. Wird der Lichtstrahl stark fokussiert, 

so wird ein hoher Intensitätsgradient in z-Richtung 

erzeugt. Dies ermöglicht das Fangen in drei Dimensionen. 

Gradientenprofil 

Impulsänderung 

Impulsänderung 

Abb. 1: Strahlenoptische Darstellung 

der Gradientenkraft. 

Der Einsatz diffraktiver Optik in einer optischen Pinzette erlaubt 

das Erzeugen einer nahezu beliebigen Anzahl von Fallen unterschiedlichster 

Formen. Wird als diffraktives Element ein räumlicher 

Lichtmodulator (SLM, spatial light modulator) verwendet, 

so lassen sich durch Einschreiben dynamischer Hologramme 

eine unabhängige Bewegung mehrerer Fallen in drei Dimensionen 

und die dynamische Veränderung der Lichtfelder verwirklichen. 

Ein solches als „holografische Pinzette“ bezeichnetes 

System stellt somit eine erhebliche funktionale Erweiterung 

bisher im Einsatz befindlicher Systeme dar, welche überwiegend 

nur eine Bewegung einzelner Zellen relativ zur gesamten 

Probenkammer gestatten. 

Ziel dieses vom Institut für Technische Optik (ITO) der Universität 

Stuttgart bearbeiteten Projekts „Aktive Mikro-Manipulation“ 

ist es, ein kombiniertes, flexibles Werkzeug aus holografischer 

Pinzette und Mikroskalpell zu entwickeln, das den neuen Anforderungen 

von Mikrobiologie und Biomedizin gerecht wird. Der 

Operateur wird mit einem solchen System erstmals in der Lage 

sein, die Einfang- und Bearbeitungslichtfelder flexibel an die 

Aufgabenstellung anzupassen. Weiterhin soll der Lichtmodulator 

auch dazu benutzt werden, Aberrationen, welche durch die 

Probe selbst entstehen und damit die Qualität der Bearbeitung 

und Manipulation einschränken, zu korrigieren. Dieses holografische 

Kombinationswerkzeug bietet somit ein Maximum an 

Flexibilität und Präzision bei einem Minimum an apparativer 

Komplexität und eröffnet neue Perspektiven der Automatisierung. 

Die Anschaffungskosten werden zudem deutlich günstiger 

ausfallen, als bei vergleichbaren mechanischen Systemen. 

SLM Polfilter 

Abb. 2: Schematischer Aufbau der 

holografischen Pinzette. 

Kamera 

Strahlteiler 

Mikroskop- 

Objektiv 

Objektebene

Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau der holografischen 

Pinzette, wie er in einer ersten Projektphase entwickelt wurde. 

Der Lichtmodulator wird mit einem kollimierten Laserstrahl 

beleuchtet und liegt in einer zur hinteren Brennebene des 

Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene. Das vom Modulator 

reflektierte Licht wird durch das Mikroskopobjektiv in das gewünschte 

Lichtfeld transformiert. Auf diese 

Weise lassen sich Zellen in beliebiger Weise 

anordnen, wie Abb. 3 zeigt. 

Abb. 3: Anordnung von 

Polystyrenkugeln im Dreieck mit Hilfe 

der holografischen Pinzette. 

Die biologischen Proben sind üblicherweise inhomogen, so 

dass der Brechungsindex innerhalb der Proben sowohl zeitlich 

als auch örtlich variiert. Neben den statischen Abbildungsfehlern 

des Systems werden hierdurch dynamische Abberationen 

eingeführt, die sowohl die Fangkraft als auch die Schnitteffizienz 

vermindern. Durch Änderung des in das SLM eingeschriebenen 

computergenerierten Hologramms können diese Aberrationen 

sowohl für die abzubildenden Objekte, als auch für die 

holografische Pinzette und das noch zu entwickelnde Laserskalpell 

ausgeglichen werden. 

Um die Aberrationen ausgleichen zu können, müssen sie 

zunächst bestimmt werden. Innerhalb des Projektes wurden 

zwei verschiedene Methoden erprobt: 

1) Ein Mikrokügelchen wird mit der holografischen 

Pinzette gefangen und in die Region geschoben, von der 

die Aberrationen ermittelt werden sollen. Dieses Mikrokügelchen 

sendet näherungsweise eine Kugelwelle aus. Die 

Welle durchläuft die Probe sowie das optische System 

und wird aberriert. Die Abweichungen von der sphärischen 

Wellenfront werden mit einem Shack-Hartmann 

Wellenfrontsensor erfasst und anhand der Messergebnisse 

korrigiert. 

2) Bei der zweiten Methode handelt es sich um eine 

iterative Korrektur der Aberrationen. Hierzu wird ein Spot 

mittels einer Kamera beobachtet und das Hologramm 

schrittweise mit Hilfe von Zernike-Polynomen geändert. 

Aus der Stärke der Korrektur kann auf die Ausprägung 

der Aberrationen rückgeschlossen werden. 

Mit beiden Methoden konnte im Rahmen des Projektes die 

Aberrationen des Systems erfolgreich korrigiert werden. Abb. 4a 

zeigt im oberen Bereich eine korrigierte Lichtfalle. In der übersteuerten 

Aufnahme ist das sich ergebende Airy-Muster deutlich 

sichtbar. Wird der Abbildungsstrahlengang ebenfalls über 

den Lichtmodulator gelenkt, so können auch die Aberrationen 

eines abgebildeten Objektes korrigiert werden (Abb. 4b). 

Neben der Möglichkeit, die Pinzette mit Hilfe eines Modulators 

flexibel beeinflussen zu können, ist in der zweiten Projektphase 

der Aufbau eines holografischen Mikroskalpells geplant. Hierfür 

soll ein Pulslaser mit einem UV-tauglichen Lichtmodulator 

kombiniert werden. Durch den holografischen Ansatz soll die 

Flexibilität und Genauigkeit des Skalpells gesteigert werden. 

So können komplexe, aberrationskorrigierte Schnittfelder generiert 

werden, um Zellfusion oder Zelltrennungen zu induzieren. 

Auch eine Bearbeitung von Mikrosystemkomponenten ist mit 

einem solchen System denkbar. 

Die Kombination von Mikroskalpell und Pinzette ergibt ein 

Multifunktionswerkzeug, das weitreichende Möglichkeiten in 

der Mikro- und Nanotechnik eröffnet. Objekte können nicht nur 

bewegt, sondern gleichzeitig bearbeitet werden. So lassen sich 

aktiv Mikroreaktionen- und Mikrofabrikationen beeinflussen. 

Im Vergleich zu bisherigen Lösungen, die auf einem mechanischen 

Scan eines Laserstrahls basieren, ergibt sich auch hier – 

wie beim Einfang – der große Vorteil, dass mit hoher Genauigkeit 

und Reproduzierbarkeit komplexe Schnitte in drei Dimensionen 

realisierbar werden. 

Referenzen: 

Abb. 4a: Korrigierte 1. (oben) und 

unkorrigierte 0. Ordnung (unten) einer 

Laserfalle. 

Abb. 4b: Korrigierte 1. (oben) und 

unkorrigierte 0. Ordnung (unten) eines 

3µm großen Objektes. 

[1] Ashkin, A.; Dziedzic, J.M.; Bjorkholm, J.E. and Chu, S., 

"Observation of a single-beam gradient force optical trap for 

dielectric particles",Optics Letters, 1986 , 11 , 288-90. 

[2] Reicherter, R.; Haist, T.; Wagemann, E.U. and Tiziani, HJ, "Optical 

particle trapping with computer-generated holograms written on a 

liquid-crystal display" Optics Letters, 1999 , 24 , 608-610. 

[3] Liesener, J.; Reicherter, M.; Haist, T. and Tiziani, H., "Multifunctional 

optical tweezers using computer-generated holograms", 

Optics Communications, 2000, 185, 77-82. 

[4] Reicherter, M.; Gorski, W.; Haist, T. and Osten, W., "Dynamic 

correction of aberrations in microscopic imaging systems using 

an artificial point source ", SPIE, 2004 , 5462 , 68-78. 

27

28 


[2002] 

Projekt: 


Adaptive optische Komponenten stellen aufgrund ihrer zahlreichen 

Einsatzmöglichkeiten gegenwärtig ein besonders aktives 

Teilgebiet in der angewandten Optikforschung dar.So könnten 

beispielsweise Zoom-Objektive künftig nicht mehr mit mechanisch 

bewegten Linsengruppen, sondern mit variablen Einzellinsen 

aufgebaut werden, die eine dynamisch steuerbare 

Brennweite aufweisen.Dies wäre etwa für die Endoskopie, bei 

der die kleinen Abmessungen den Einsatz mechanisch bewegter 

Linsengruppen nahezu unmöglich machen, von großem 

Interesse.Eine weitere Anwendungsmöglichkeit solcher Linsen 

könnte z.B. die Einkopplung von Licht in optische Fasern sein, 

um so die Koppeleffizienz durch die Brennweite der Linse zu 

steuern. 

In den letzten Jahren wurde unter anderem der Ansatz verfolgt, 

den Effekt der Elektrokapillarität für solche adaptive Linsen auszunützen.Dabei 

handelt es sich um folgenden physikalischen 

Zusammenhang: Im thermodynamischen Gleichgewicht besitzen 

kleine, auf einer festen Unterlage ruhende Flüssigkeitstropfen 

die Form einer Kugelkappe und stellen damit vom optischen 

Gesichtspunkt eine plankonvexe Linse dar.Werden elektrische 

Ladungen an die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Unterlage 

gebracht, verändert sich die zugehörige Grenzflächenenergie 

und damit die Benetzung der Unterlage durch den Tropfen. 

Demzufolge dehnt sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung 

der Tropfen aus oder zieht sich zusammen.Optisch gesehen 

bedeutet dies eine Änderung des Krümmungsradius' der 

Tropfenoberfläche, wodurch sich die Brennweite der flüssigen 

Linse steuern lässt.Durchstimmbare Mikrolinsen auf der Basis 

von Elektrokapillarität wurden bereits vorgestellt.Diese Systeme 

besitzen eine Apertur von mehreren Millimetern und sind 

für den Einsatz in Mobiltelefon-Kameras vorgesehen. 

Im Projekt „Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive 

Mikrolinsen“ hat nun der Lehrstuhl für Mikrooptik am Institut 

für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg ein neues 

System entworfen (Abb.1), welches sich von den bisherigen 

Systemen durch seine erheblich reduzierten Abmessungen 

Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive 

Mikrolinsen 

Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg 

Abb. 1: Labormuster eines elektrisch 

steuerbaren Mikrolinsensystems. Die 

flüssige Linse befindet sich unter dem 

Glasfenster. Die Außenabmessungen 

(hier: Kantenlänge 8 mm) können 

noch erheblich verringert werden. 

und den Einsatz der Halbleiter-Prozesstechnologie unterscheidet.Die 

Vorteile dieses Ansatzes liegen einerseits in der Möglichkeit, 

das System aufgrund seiner geringen Größe in der 

Endoskopie einzusetzen, und andererseits – bedingt durch die 

Halbleiter-Standardprozesse – auch große Stückzahlen kostengünstig 

herstellen zu können. 

Zentrales Strukturelement des Systems ist ein Rezess, der in 

ein kristallines Material geätzt wird.Dieser nimmt die flüssige 

Linse auf und stabilisiert diese, so dass das System in jeder 

Einbaulage verwendet werden kann.Gleichzeitig definiert der 

Rezess die Apertur der Linse, die je nach Design 300 – 1000 µm 

beträgt.Das kristalline Grundmaterial ist mit verschiedenen 

funktionalen Schichten belegt.Diese isolieren den Tropfen elektrisch 

von der Gegenelektrode und sorgen durch ihre chemischen 

Oberflächeneigenschaften dafür, dass der Tropfen einen 

hohen Anfangskontaktwinkel (d.h. ohne angelegte Spannung)

aufweist. Dies ist Voraussetzung für einen großen dynamisch 

zugänglichen Brennweitenbereich des Systems. Die flüssige 

Linse ist von einer zweiten Flüssigkeit umgeben, welche 

Oberflächenschwingungen, wie sie durch Erschütterungen entstehen, 

effizient dämpft. Wie anhand von hydrodynamischen 

Simulationen gezeigt werden konnte, klingen die Oberflächenschwingungen 

mit einer Zeitkonstante von unter 1 ms ab. 

Die gesamte Struktur wird beidseitig durch ein Glasfenster 

gekapselt. 

Die Schnittweiten der gefertigten Systeme, gemessen vom 

Glasfenster zum Brennpunkt, können in einem Bereich von 2 – 

20 mm gesteuert werden. Dazu sind Spannungen von lediglich 

0 – 25 V erforderlich (Abb. 2) bei einer geringen Leistungsaufnahme 

von nur 1,5 mW. 

Schnittweite [µm] 

Abb. 2: Typische Schnittweite- 

Spannungs-Kennlinie eines elektrisch 

steuerbaren Mikrolinsensystems wie in 

Abb. 1 gezeigt. 

Spannung U [µm] 

Das Projekt wurde im Februar 2005 abgeschlossen. Die erarbeiteten 

Verfahren und gewonnenen Erfahrungen fließen in das 

neue Projekt „Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand“ 

ein, bei dem mittels der Elektrokapillarität nicht nur die Brennweite 

von Mikrolinsen in einem Array, sondern auch deren 

Abstand zueinander gesteuert werden soll. 

29

30 


[2002] 

Projekt: 


Erzeugung und Adaptation dynamischer 

kohärenter Masken für den aktiven optischen 

Form- und Verformungsvergleich 


In der Industrie besteht ein großer Bedarf an Messsystemen 

zum Vergleich und zur Kontrolle technischer Objekte mit rauhen 

Oberflächen.Die klassische Interferometrie erlaubt nur die 

Untersuchung von glatten Oberflächen.Aus diesem Grund 

wird ein neues holografisches Verfahren zum Vergleich der 

Form oder Verformung zweier nominell identischer, aber physisch 

unterschiedlicher Objekte mit rauhen Oberflächen entwickelt 

und implementiert (Muster-Probe-Vergleich) [1]. 

Die Holografie ermöglicht die Speicherung der vollständigen 

Information einer Wellenfront, d.h. Amplitude und Phase, auf 

einem zweidimensionalen Speicher (Fotoplatte oder CCD- 

Kamera).Daher kann mittels holografischer Rekonstruktion die 

3D-Information des Objektes wiedergegeben werden – im 

Unterschied zur Fotografie, bei der nur die 2D-Information 

rekonstruiert wird. 

Auf diese Weise lassen sich Inspektionsergebnisse und 

Qualitätsaussagen in Prozessechtzeit auch an komplexen 

Prüfobjekten und über große Entfernungen erzielen.Bei letztgenanntem 

Verfahren – der sog.Remote Metrology – macht 

man sich die Möglichkeit zunutze, digitale Hologramme per 

Datennetzwerk (z.B. Internet) an beliebige Orte zu versenden, 

um diese digital oder analog rekonstruieren zu können [2]. 

Das Projekt „Erzeugung und Adaptation dynamischer kohärenter 

Masken für den aktiven optischen Form- und Verformungsvergleich“ 

am Institut für Technische Optik der Universität 

Stuttgart konzentriert sich auf die Implementierung und Erprobung 

des Verfahrens unter besonderer Berücksichtigung der 

aktiven Kompensation möglicher Justagefehler durch einen 

rückgekoppelten Regelkreis.Dabei gelangen moderne räumli- 

Durch die Kombination der 

Prinzipien der Digitalen Holografie 

und der Vergleichenden 

Musterobjekt 

Beleuchtung 

Referenz 

Holografie (VDH) entsteht mit 

Test- 

der Vergleichenden Digitalen 

Holografie ein flexibles Prüf- 

Referenz 

objektverfahren, 

bei dem die gleich- 

a) Aufnahme des Hologramms 

b) Aufnahme des Vergleich-Hologramms 

zeitige physische Präsenz des 

des Musterobjekts 

Musters und der Probe eines 

Abb. 1: Prinzipdarstellung der 

Objekts mit technischer Ober- 

Vergleichenden Digitalen Holografie 

fläche am Ort des Vergleichs nicht erforderlich ist.Die Vergleiche Lichtmodulatoren und Prinzipien der Wellenfrontrekonchende 

Digitale Holografie macht sich bewusst die Technologie 

hochauflösender Bildsensoren (CCD-Kameras) und moderner 

struktion zur Anwendung. 

räumlicher Lichtmodulatoren (LCD, LCOS) zunutze.Indem das Abb.2 zeigt ein beispielhaftes Ergebnis eines Verformungsver- 

zuvor aufgezeichnete digitale Hologramm des Musterobjekts in gleichs.Muster- und Testobjekt sind zwei unterschiedliche 

einen geeigneten Lichtmodulator geschrieben wird, ergibt sich Kunststoffplatten.Das Testobjekt weist gegenüber dem Mus- 

die Möglichkeit, die Wellenfront (Lichtwelle) zu rekonstruieren, terobjekt drei kreisförmige Defekte auf.Mit einem speziellen 

um damit das Testobjekt kohärent zu beleuchten.Die 

Halter lässt sich die Kunststoffplatte kontrolliert verformen.Im 

Interferenzphase des schließlich rekonstruierten digitalen vorliegenden Experiment beträgt die Verformung 5 µm.Es wird 

Hologramms des Testobjekts verkörpert lediglich die Form- ein Hologramm des Musterobjekts im ungestörten sowie im 

bzw.Verformungsdifferenz zwischen Muster- und Testobjekt. verformten Zustand auf (Abb.1a) aufgenommen.Die Abb.1b)

Abb. 2: Verformungsdifferenz 

zwischen zwei Kunststoffplatten. 

Das Testobjekt weist gegenüber 

dem Musterobjekt drei kreisförmige 

Defekte auf. 

zeigt die Beleuchtung des Testobjekts im ungestörten Zustand 

mit der konjugierten rekonstruierten Wellenfront des Musterobjekts 

im ungestörten Zustand. Die gleiche Prozedur wird für 

die verformten Zustanden durchgeführt. Aus den zwei aufgenommenen 

Hologrammen, ergibt sich der Verformungsvergleich 

zwischen dem Muster- und dem Testobjekt (Abb. 2). 

Die drei Defekte des Testobjekts auf einem Streifenhintergrund 

sind klar sichtbar. Die Streifen im Hintergrund haben zwei 

Ursachen: Erstens eine ungewollte Abweichung zwischen der 

rekonstruierten Wellenfront des Muster- und Testobjekts welche 

durch eine Phasenschiebung, die in das LCD geschrieben 

wird, kompensiert werden kann und zweitens eine grundsätzliche 

Formabweichung zwischen Muster und Testobjekten. 

Im Vergleich zu anderen Messverfahren bietet die VDH Technik 

folgende Vorteile: Die interferometrische Auflösung zum 

Vergleich der Form oder Verformung zweier nominell identischer, 

aber physisch unterschiedlicher Objekte mit rauhen 

Oberflächen. Des Weiteren kann das Musterhologramm über 

das Internet an beliebigen Ort rekonstruiert werden. 

Referenzen: 

[1] Osten, W., Baumbach, T., Jüptner, W., 

"Comparative digital holography", 

Optics Letters 27 (2002), pp. 1764-1766. 

[2] Osten, W., Baumbach, T., Seebacher, S., Jüptner, W., 

"Remote shape control by comparative digital holography", 

Proc. Fringe (2001), Elsevier Science, pp. 373-382. 

31

32 


[2002] 

Projekt: 


Mit zunehmender Komplexität moderner optischer Systeme 

wachsen die Anforderungen an die Funktionalität der verwendeten 

optischen Komponenten bei gleichzeitiger Forderung 

nach hoher optischer Qualität und Genauigkeit, geringen 

Herstellungskosten und der Verfügbarkeit in großen Stückzahlen. 

Ein aussichtsreicher Weg für die Produktion von solchen 

optischen Komponenten aus anorganischen Gläsern ist die 

Replikation durch Heißformgebungsverfahren. Mit dem bekannten 

Präzisions-Blankpressverfahren (finished lens molding) 

können zwar die geforderten Genauigkeiten erreicht werden, 

die hierbei benötigten langen Zykluszeiten von bis zu 10 Minuten 

stehen aber den Forderungen nach geringen Herstellungskosten 

und der Produktion von großen Stückzahlen entgegen. 

Mit der Entwicklung einer neuen, schnellen Heißprägetechnologie 

mit Zykluszeiten von weniger als 1 Minute können diese 

Schwierigkeiten für eine kostengünstige Fabrikation von mikrooptischen 

Bauteilen überwunden werden. Ziel des vom Fraunhofer 

IWM und vom IMTEK durchgeführten Verbundforschungsvorhabens 

ist die Untersuchung wichtiger Prozessgrößen beim 

schnellen Heißprägen von innovativen mikrooptischen Bauelementen, 

wie z.B. asphärische Linsen, Mikrolinsenarrays und 

Zylinderlinsen, sowie die Entwicklung einer praxistauglichen 

Messtechnik zur optischen Charakterisierung der mit dem Verfahren 

hergestellten Komponenten. 

Die am Forschungsvorhaben beteiligten Institute ergänzen sich 

in ihren jeweiligen Kompetenzen, der Verfahrensentwicklung 

zur Herstellung optischer Komponenten aus anorganischen 

Gläsern durch zähplastische Formgebung sowie dem Design 

und der Charakterisierung mikrooptischer Elemente und Systeme, 

wobei die schnelle Rückkopplung der Messergebnisse für 

die Prozessentwicklung sehr wichtig ist. 

Wesentliches Merkmal des untersuchten Heißprägeverfahrens 

ist, dass das Glas in einem sehr stark nicht-isothermen Umformprozess 

zu Bauteilen hoher Genauigkeit ausgeformt wird. Auf 

Grund der sehr niedrigen Glasviskosität im Vergleich zu kon- 

Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung 

hochpräziser Komponenten durch schnelles Heißprägen 

anorganischer Gläser für Anwendungen in 

optischen Übertragungstechnologien und Systemen 

der aktiven Optik 

Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg 

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) 

ventionellen Replikationsverfahren kann der gesamte Formgebungsprozess 

in weniger als 30 Sekunden abgeschlossen werden. 

Die sehr schnelle Abkühlung des zähflüssigen Glases hat 

eine signifikante Formänderung durch Schrumpfung und thermisch 

induzierte Spannungen zur Folge. Um die geforderte 

Präzision der optischen Komponenten zu erreichen, ist die 

Kenntnis der Wirkung von Prozessparametern und schließlich 

deren sehr genaue Steuerung während des Formgebungsprozesses 

deshalb zwingend notwendig. Dazu wird in diesem 

Vorhaben der Einfluss von wesentlichen Prozessgrößen, der 

zeitlichen Verläufe von Temperaturen, Stellwegen und Presskräften 

auf Geometrie- und Konturgenauigkeit und Oberflächenqualität 

anhand ausgewählter Demonstratorkomponenten, 

Mikrolinsen mit sphärischer und asphärischer Kontur 

sowie Mikrolinsenarrays systematisch untersucht. 

Nach den bisherigen Ergebnissen lässt sich der Formgebungsvorgang 

in zwei Phasen unterteilen: In der ersten Pressphase 

stellt sich die resultierende Geometrie und Oberflächengüte 

der geprägten Komponente ein, während der anschließenden 

Abkühlphase können Feinkontur, Radien und Verzug noch 

beeinflusst werden. Als maßgebliche Einflussgrößen in der 

ersten Pressphase, in der Umformung und Wärmeentzug über 

die Formwerkzeuge sehr schnell ablaufende konkurrierende 

Prozesse sind, wurden Stellweg, Umformgeschwindigkeit und 

die Glastemperatur zum Zeitpunkt des Kontakts mit den 

Formwerkzeugen identifiziert. In der kraftgeregelten Abkühlphase 

wird dem Glas die Restwärme entzogen, bevor sich die 

Formwerkzeuge öffnen und das fertige Bauteil entformt wird. 

Maßgeblich beeinflusst werden Bauteilverzug und Feinkontur 

durch die Temperaturverteilung in den Formwerkzeugen und 

im Glaspressling sowie der Haltekraft und der Schließzeit der 

Werkzeuge. 

Zur Vermessung der heißgeprägten Bauteile wurde in diesem 

Projekt ein neuartiges Interferometerkonzept konzipiert und 

entwickelt. Das Messsystem besteht aus einem hybriden 

Twyman-Green / Mach-Zehnder Interferometer, dessen jeweiliger 

Strahlengang durch einen schwenkbaren Spiegel bestimmt

wird. Durch den einfachen Wechsel zwischen den beiden Interferometerschaltungen 

wird es möglich, mikrooptische Komponenten 

wie Mikrolinsen sowohl im Auflicht (Interferometer im 

Twyman-Green Modus) als auch im Durchlicht (Interferometer 

im Mach-Zehnder Modus) zu vermessen. In den Auflichtmessungen 

werden Konturabweichungen der einzelnen optischen 

Wirkflächen hochgenau bestimmt. In den Durchlichtmessungen 

werden die Abbildungseigenschaften der Messobjekte charakterisiert, 

die sowohl von den Flächenkonturen als auch von 

potenziellen Fehlern wie Brechungsindexinhomogenitäten, 

Substratpassfehler, Zentrier- bzw. Keilfehler bestimmt werden. 

Neben der interferometrischen Charakterisierung der Wellenaberrationen 

der Mikrolinsen ermöglicht 

das System auch die Messung von Krümmungsradius, 

Brennweite, Pfeilhöhe und 

Substratdicke. Alleinstellungsmerkmal des 

neu entwickelten Messsystems ist, dass 

beide Messungen (Kontur und Aberrationen) 

in einem einzigen Interferometeraufbau 

durchgeführt werden können, 

wodurch potenzielle Fehlerquellen wie 

Orientierungsfehler oder Verwechselungsfehler 

einer Linse im Array vermieden 

werden. Die zur Datenakquisition und - 

analyse erforderliche Software wurde im 

Rahmen des Projekts erstellt. 

Die Herstellung hochpräziser mikrooptischer 

Bauelemente aus anorganischen Gläsern durch innovative, 

schnelle Heißformgebungsverfahren ist nur bei exakter 

Kenntnis zur Wirkung der verschiedenen Prozessparameter 

möglich. Die Herausforderungen des Verbundvorhabens liegen 

dabei zum einen in einem umfassenden Verständnis des 

Abformprozesses und zum anderen in einer praktikablen begleitenden 

Qualitätsprüfung. Wesentliche technologisch und mess- 

technisch relevante Fragestellungen konnten durch die Arbeiten 

der beteiligten Institutionen geklärt werden, perspektivische 

Herausforderung für weiterführende Forschungsarbeiten ist 

die Herstellung und Prüfung von optischen Komponenten mit 

komplexen optischen Wirkflächen. 

Abb. 1: Schematische Darstellung der 

Laborapparatur zum schnellen 

Heißprägen anorganischer Gläser und 

heißgeprägtes Mikrolinsenarray. 

Abb. 2: Schematischer Aufbau des hybriden Twyman-Green 

/ Mach-Zehnder Interferometers. 

(a) Twyman-Green System und 

(b) Mach-Zehnder System. 

HeNe, Helium-Neon Laser (633 nm); 

MO, Mikroskopobjektiv; 

PBS, Polarisierender Strahlteiler; 

HWP, Halbwellenplatte; 

QWP, Viertelwellenplatte, Pol, Linearpolarisator; 

HALO, Hochapertur-Laserobjektiv; 

L, Sammellinse; M, Spiegel; Cam, Kamera; 

PZT, Piezo-Stellglied. 

33

34 


[2002] 

Projekt: 


Viele Anwendungen der Optik wie z.B. Laser-Scanner, Kameras 

oder Abstandssensoren erfordern eine schnelle, variable 

Fokussierung. Häufig ist der Stellmechanismus komplex und 

verteuert daher das optoelektronische System signifikant. Ziel 

des am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg 

laufenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines 

variablen optischen Hohlspiegels, der elektromechanisch in seiner 

Brennweite verändert werden kann. Dabei soll der Spiegel 

mit kostengünstigen Massenprozessen aus Kunststoffen hergestellt 

werden. Grundidee ist, eine Reflektorschale durch eine 

zentrale Kraft auszulenken und so das Strahlenbündel zu fokussieren. 

Bisher verwendete, einfache Kunststoffspiegel weichen 

jedoch von der idealen Form ab und erzeugen dadurch einen zu 

großen Brennpunkt. Um einen scharfen Fokus zu erhalten, wird 

die Geometrie der Schale so gestaltet, dass sich immer die ideale 

Form eines Parabolspiegels ergibt, Abb. 1. Der Spiegel ist verformbar 

und weist eine definierte Biegelinie auf, wenn er durch 

elektromechanisch erzeugte Kräfte ausgelenkt wird. 

Das durchgeführte Vorhaben gliedert sich in die vier Arbeitspakete 

Spiegelkonstruktion und Auslegung, Kunststoff-Technik, 

Aktor-Integration und messtechnische Charakterisierung. 

Abb. 1: Aufbau des Spiegels variabler 

Brennweite zur Fokussierung von 

Laserstrahlen. 

Integrations- und Präzisionstechnologien für 

aktive optische Spiegelelemente 

Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg 

Der erste Schritt hat die Konstruktion eines Bauteiles zum Ziel, 

welches eine definierte Verformung und definiertes strahlenoptisches 

Verhalten aufweist. Dazu kann mit den Methoden 

der Automatisierten Design-Optimierung die ideale Form für 

das Bauteil gefunden werden. Aus diesem Grund wurde im 

Rahmen des Projektes zunächst ein neues Optimierungsverfahren 

entwickelt, welches bei der Simulation die physikalischen 

Domänen der Strahlenoptik, der Wellenoptik, der Mechanik und 

der Elektromagnetik umfasst und automatisiert abläuft. Dabei 

wird die Geometrie mit dem Programm „OPTIME“ systematisch 

so lange variiert, bis die Simulationen eine Toleranzschwelle des 

Fehlers der erwünschten Verformung unterschreiten. Auf diese 

Weise wird die Dicke über den Spiegelradius so bemessen, dass 

sich die Spiegelschale unter jeder Ansteuerkraft zu einer Parabel 

verformt. Durch die Erweiterung der Dickenanpassung um 

den Umfang konnte auch eine Form entwickelt werden, die 

besonders für schrägen Lichteinfall geeignet ist. Neben der 

Optimierung der Schichtdickenverteilung durch Simulation 

wurden auch analytische Lösungen untersucht. Der Vergleich 

zeigte die Konsistenz beider Methoden, für praxisrelevante 

komplexe Bedingungen ist aber die Optimierung auf Basis der 

Finite-Elemente-Simulation wesentlich vielseitiger.

Die Herstellung der Spiegel aus technischen Polymeren ist 

mittels Prägetechnik oder Spritzguss besonders wirtschaftlich. 

Kunststoffverarbeitung erfordert zunächst Prägestempel oder 

Spritzwerkzeuge,in welche dann die Spiegelschalen aus Polymeren 

abgeformt werden. Dazu wurden zunächst hochpräzise 

Werkzeuge aus Messing in optischer Qualität mit einer „Nanodrehbank“‚ 

bzw. Ultrapräzisionsfräsmaschine hergestellt. Der 

Mikroformenbau mittels Ultrapräzisionsfräsen wird sowohl für 

das Prägen als auch für den Spritzguss durchgeführt. Die benutzte 

Zerspanungsmaschine weist ein Interferometer als 

Positionierhilfe auf. Im vorliegenden Fall wurde eine maximale 

Formabweichung des Spiegel-Prägewerkzeugs von der Soll- 

Dicke von mehreren Mikrometern erzielt. Dies wurde mit hoch 

genauen Koordinatenmessmaschinen verifiziert; die gemessenen 

Rauheiten Ra des Prägewerkzeugs liegen bei unter 20 nm. 

Die Spiegel wurden auf einer speziellen Heißprägemaschine 

aus den Werkstoffen COC und Polycarbonat abgeformt,Abb. 2. 

Im Hinblick auf die Verbesserung der Genauigkeit wurde der 

Prozess ausführlich untersucht. Die Prozessoptimierung wurde 

durch Heißpräge- und Spritzguss-Simulationen unterstützt. 

Schwerpunkt der weiteren Untersuchungen ist dabei die Optimierung 

der Planarität bei der Herstellung. Auf die Bauteile 

werden abschließend dünne Reflektionsschichten aus Gold 

mittels Physical Vapour Deposition aufgebracht,Abb. 2. Diese 

Verspiegelungen besitzen einen hohen Reflexionsgrad,gute 

Haftfestigkeit auch nach langer Betriebszeit und geringe 

Eigenspannungen. 

Abb. 2: Polymere Spiegel variabler 

Brennweite. Links: nach dem 

Prägeprozess, rechts: nach der 

Metallisierung mit Gold. 

Zur Erprobung der Spiegelelemente in einem Testsystem wurden 

Funktionsdemonstratoren hergestellt. Die Spiegelschalen 

werden durch Kleben mit dem Zuganker integriert. Die elektromagnetische 

Auslenkung bietet eine Reihe konzeptioneller und 

technischer Vorteile. Die Spiegelschalen mit 20 mm Durchmesser 

sind so ausgelegt,dass mit einer Stellkraft von 1 N eine 

Auslenkung von ca. 250 mm erreicht wird. Die derzeit laufenden 

Untersuchungen an den Funktionsmustern beinhalten ihre 

optische Charakterisierung,ihr dynamisches Verhalten und das 

Langzeitverhalten. Hierzu wird eine speziell entwickelte optische 

Bank verwendet,Abb. 3. 

Abb. 3: System zur Fokussierung von 

Laserstrahlen mit variablen Spiegeln. 

35

36 

Wissenschaft & Forschung

ausschreibung 2003/2004 

37

38 


[2003/2004] 

Projekt: 

Interesse und Notwendigkeit der Detektion von Protein-Protein- 

Interaktionen in lebenden Zellen nimmt kontinuierlich in 

Grundlagenforschung und Wirkstoffentwicklungen in der pharmazeutischen 

Industrie zu.Eine der erfolgreichsten Methoden, 

Protein-Protein-Interaktionen in lebenden Zellen zu detektieren 

ist die gentechnische Fusion der Proteine an Autofluoreszenzproteine 

und die Messung des Förster Resonance Energy Transfers 

(FRET), der zwischen den beiden Fluoreszenzproteinen entsteht, 

wenn die beiden Partnerproteine aneinander binden. 

Überexpression der fusionierten Gene und hohe Energieeinstrahlung 

bei herkömmlichen Methoden der Fluorophor-Anregung 

können dabei allerdings schnell zu Störungen der normalen 

Funktionen der lebenden Zelle führen.Je zellschonender die 

Methode der Fluoreszenzanregung und je sensitiver die Detektion 

der Fluoreszenz ist, umso besser kann deshalb unter physiologisch 

intakten Bedingungen der Zellen gemessen werden. 

Im Rahmen des Projekts werden am Naturwissenschaftlichen 

und Medizinischen Institut (NMI) an der Universität Tübingen 

mithilfe gentechnischer Methoden Zellsysteme hergestellt, die 

es erlauben, Interaktionen zwischen fluoreszenzmarkierten 

Proteinen zentraler Bedeutung im Bereich des Zell-Substratkontaktes 

zu verfolgen.In Zusammenarbeit mit dem Institut 

für Angewandte Forschung der Hochschule Aalen soll eine 

höchst sensitive und zellschonende Methode zum Nachweis 

dieser Protein-Protein-Interaktionen über die Detektion des 

FRET in lebenden Zellen etabliert werden.Mittels einer neuartigen 

Beleuchtungseinheit für die tiefenauflösende Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie 

(TIRFM), die am Institut in Aalen 

entwickelt wurde, soll die Detektion des FRET zwischen den 

Fluoreszenzproteinen zum einen über die Veränderung des 

Photonenstroms von Donor und Akzeptor und zum anderen 

über die Messung der Abklingzeit des Donors (FLIM) bestimmt 

werden. 

Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik 

FRET in TIRFM: Räumlich und zeitlich 

hochauflösende Detektion von Protein-Protein- 

Interaktionen in Zelladhäsionskomplexen 

Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut (NMI) an der Universität Tübingen 

Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Aalen 

Abb. 1: Schematische Darstellung 

der Anwendung von TIRFM in Kombination 

mit FRET zur Detektion von 

Protein-Protein-Interaktionen in 

„focal adhesions“. Ko-Expression und 

Interaktion von ECFP-FAK und 

EYFP-Pax. 

Als Fusionspartner werden therapeutisch relevante Komponenten 

von Zelladhäsionskomplexen verwendet, so dass Anwendungsmöglichkeiten 

dieser Technologie sowohl in der Grundlagenforschung 

als auch in der pharmazeutischen Industrie, z.B. 

im Wirkstoff- Screening, aufgezeigt werden können.Die Proteine 

Focal Adhesion Kinase (FAK) und Paxillin (Pax) sind zentrale 

Komponenten typischer Zelladhäsionskomplexe („focal adhesions“) 

und wurden als erstes Protein-Paar für diese Untersuchungen 

herangezogen (Abbildung 1).Durch ihre Fusion mit den 

Fluoreszenzproteinen EYFP bzw.ECFP (Enhanced Yellow/ Cyan 

Fluorescent Protein) kann ihre Lokalisation mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie 

in lebenden Zellen verfolgt werden.Ihre korrekte 

intrazelluläre Lokalisation in „focal adhesions“ wurde in 

Hela-Zellen sowohl bei Beleuchtung der gesamten Zellen als 

auch bei selektiver Beleuchtung der Zytoplasmamembran mittels 

TIRFM gezeigt.Dies gelang in beiden Fällen dank der verwendeten 

hochempfindlichen EM-CCD-Kamera (Abb.2).

Abb. 2: Visualisierung des Fusionsproteins 

EYFP-FAK in Hela-Zellen 

bei selektiver Beleuchtung der 

Zytoplasmamembran mittels TIRFM. 

Anregungswellenlänge: 470 nm, 

Detektionsbereich: λ≥470 nm, 

Bildfeld: 210 µm x 210 µm. 

Aus biochemischen Untersuchungen ist bekannt, dass die 

beiden Proteine FAK und Pax in „focal adhesions" aneinander 

binden. Daher wird erwartet, dass eine Interaktion der beiden 

Proteine über FRET mit den beiden Fluoreszenzproteinen ECFP 

(Donor) und EYFP (Akzeptor) detektierbar sein sollte. Zur Messung 

dieses FRETs wurden Fluoreszenzspektren einzelner Hela- 

Zellen nach transienter Transfektion mit dem Vektor für das 

Fusionsprotein ECFP-FAK sowie nach Cotransfektion mit den 

Vektoren für die Fusionsproteine ECFP-FAK und EYFP-Pax aufgenommen. 

Gemäß Abb. 3 erkennt man im 1. Fall das Fluoreszenzspektrum 

von ECFP mit den Emissionsmaxima bei 480 nm und 

505 nm, sowie im 2. Fall zusätzlich die EYFP-Bande mit dem Emissionsmaximum 

bei 530 nm. Da sich bei der gewählten Anregungswellenlänge 

von 391 nm EYFP nicht direkt optisch anregen 

ließ, lässt das nach Cotransfektion ermittelte Fluoreszenzspektrum 

auf einen Energietransfer von ECFP auf EYFP schließen. 

Fokus der nachfolgenden Arbeiten in diesem Projekt wird das 

Messen des FRETs dieser und mindestens eines weiteren Protein-Paares 

in Zelladhäsionskomplexen bei einer selektiven 

Beleuchtung der Zytoplasmamembran mittels TIRFM sein. Der 

Nachweis von FRET soll hier zudem über Messungen der Fluoreszenzkinetiken 

des Donors (ECFP) erfolgen. Ein Vergleich der 

Sensitivitäten des FRET-Signal-Nachweises zwischen herkömmlichen 

Mikroskopiemethoden, wie z.B. der konfokalen Lasermikroskopie, 

und der hier vorgestellten Methode soll die Vorteile 

der letzteren für die Detektion von Protein-Protein-Interaktionen 

in lebenden Zellen bei einer für die Physiologie der Zelle 

günstigen niedrigen Expression der Fusionsgene zeigen. 

Abb. 3: Fluoreszenzspektren einzelner 

Hela-Zellen nach Transfektion mit 

dem Vektor für ECFP-FAK bzw. nach 

Cotrans-fektion mit den Vektoren für 

ECFP-FAK und EYFP-Pax. 

Anregungswellenlänge: 391 nm. 

39

40 


[2003/2004] 

Projekt: 

Fragestellungen 

Neuere Veröffentlichungen aus der Krebsforschung wie auch 

aus der Entwicklungsbiologie zeigen ganz klar, dass für das 

erfolgreiche Verstehen von Schlüsselprozessen in biologischen 

Geweben, zum Beispiel bei der Krebsentstehung, der Metastasenbildung 

sowie der Entwicklung entsprechender Therapien, 

eine Untersuchung der biologisch relevanten Prozesse in einem 

möglichst naturnahen System erfolgen muss. Zu diesem Zweck 

werden gegenwärtig große Anstrengungen unternommen, die 

Zellkulturtechnologie von der derzeit üblichen zweidimensionalen 

Kultivierung auf drei Dimensionen auszuweiten. Laut 

Abbott (Nature, 424:870-872) gehen viele Wissenschaftler 

davon aus, dass in wenigen Jahren ausschließlich 3D-Zellkulturen 

für die Akquisition biologisch relevanter neuer Informationen 

verwendet werden können. 

Der gegenwärtige Prozess der Entwicklung von Zellkulturtechnologien 

für 3D-Zellkulturen benötigt dringend neue optische 

Systeme, die in der Lage sind, die ablaufenden Prozesse mit 

hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu verfolgen und 

über große, hochaufgelöste Bildfolgen statistisch relevante 

Daten für viele Zellen gleichzeitig zu erhalten. 

Projektziele 

Zellen wachsen normalerweise nicht auf Deckgläsern, sondern 

als komplexe dreidimensionale hybride Kulturen. Hieraus ergibt 

sich, dass sich die moderne Zellbiologie ganz wesentlich zu 

einer Zellbiologie dreidimensionaler Kulturen bekennen muss. 

Um solche komplexe und relativ große Strukturen quantitativ 

zu erfassen, wird die Lichtscheibenmikroskopie (SPIM: Selective 

Plane Illumination Microscope) als zentrale Technologie sowohl 

von der instrumentellen als auch von der präparativen Seite 

systematisch weiterentwickelt. Eine wichtige Aufgabe im Rahmen 

der Entwicklung der Instrumentation lichtoptischer Systeme 

kommt einem konkreten Projekt mit Bäckerhefe zu. Mit 

Hilfe dieses relativ einfach kultivierbaren Organismus sollen die 

Grenzen der SPIM-Technologie systematisch und nachvollzieh- 


Hochauflösende, isotrope Fluoreszenzmikroskopie 

in extrem streuenden Proben 

Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL-Heidelberg) 

bar ausgelotet werden. Dies dient dazu, den Weg für den Einsatz 

der SPIM-Technologie für die Anwendung an lebenden 

Geweben, wo hohe Anforderungen and die Probenkultivierung 

gestellt werden, zu bereiten. 

Grundsätzliches über die SPIM-Technologie 

Ein wesentliches Element zur Lösung der beschriebenen 

Probleme wird im neu entwickelten Lichtscheibenmikroskop 

(SPIM) gesehen. In diesem Instrument wird mit Hilfe einer 

zylindrischen Beleuchtungseinheit spezifisch in einer dünnen 

Ebene eines fluoreszenzmarkierten Objekts die Emission induziert. 

Ein Mikroskopobjektiv, welches orthogonal zur Lichtscheibe 

angeordnet ist, bildet die Fluoreszenzemission dieser Ebene 

Abb. 1: Aufbau der Probenkammer 

und der Beobachtungseinheit des 

SPIM. Die biologische Probe wird in 

eine zylindrische Matrix (z.B. 

Agarose) eingebettet. Diese wird dann 

an einem Probenhalter befestigt, der 

die Bewegung der Probe in drei 

Richtungen (x, y, und z) als auch die 

Rotation der Probe ermöglicht. 

Dadurch kann die Probe entlang jeder 

gewünschten Richtung mittels eines 

aufgefächerten Laserstrahls ("light 

sheet") ausgeleuchtet werden. 

Gleichzeitig befindet sich die Probe in 

einer Kammer, die mit einem entspre- 

chenden Medium gefüllt werden kann, 

wodurch optimale Kultivationsbedingungen 

für empfindliche Proben 

gewährleistet werden können. 

Ein rechtwinklig zum Laserstrahl 

angeordnetes Objektiv ermöglicht die 

Abbildung der Lichtebene auf eine 

gekoppelte hochempfindliche CCD- 

Kamera. Durch die Wahl der Wellenlänge 

des Lasers und die Verwendung 

geeigneter Filter kann die Mikroskopiereinheit 

für sämtliche üblichen 

Probenfärbungen, wie z.B. Lebendfluoreszenzfarbstoffe 

(GFP), adaptiert 

werden.

Vergleich verschiedener mikroskopischer Methoden 

konventionell konfokal 2-Photonen SPIM 

Beleuchtung gesamte gesamte „eine Ebene“ ausschließlich 

Probe Probe Beobachtungs 

ebene 

Abbildung stark gering gering keine 

unfokussierter 

Probenbereiche 

Probenbelastung mittel stark stark sehr gering 

Beobachtung & einseitig einseitig einseitig allseitig 

Manipulation 

Anschaffungskosten niedrig hoch sehr hoch niedrig 

Probenaufbereitung Planar, Planar, Planar, Räumlich, 

einfach einfach einfach aufwendig 

auf eine hochwertige Kamera ab (Abb. 1). Da nur eine Ebene 

(Lichtscheibe) beleuchtet wird, bestimmt deren laterale Ausdehnung 

die Schärfentiefe des Instrumentes entlang der optischen 

Achse des beobachtenden Systems ganz wesentlich mit. 

Die laterale Auflösung ergibt sich aus den Eigenschaften des 

Mikroskopobjektivs. Das vierachsige Aktuatorsystem, in dem 

das Objekt montiert wird, ist entlang aller drei Raumrichtungen 

beweglich und um die gemeinsame Achse des Beleuchtungsund 

Detektionssystems drehbar. Das SPIM hat Eigenschaften, 

die denen eines konfokalen Fluoreszenzmikroskops entsprechen, 

arbeitet aber erheblich schneller, ist deutlich effizienter, 

wesentlich vielseitiger und in der Herstellung erheblich 

kostengünstiger (siehe Tabelle). Im Besonderen ist es auch für 

Anwendungen geeignet, die einen großen Arbeitsabstand 

erfordern (3D Proben). Die spezifische Art der selektiven 

Beleuchtung reduziert dramatisch die Belastung des Objektes 

(d.h. weniger Ausbleichen, geringere phototoxische Effekte, 

keine Wärmeentwicklung) während der Beobachtung. Mit dem 

SPIM können lebende Objekte über einen wesentlich längeren 

Tabelle 1: Vergleich verschiedener 

lichtmikroskopischer Verfahren in 

ihrer Anwendung in der biologischmedizinischen 

Forschung und Analyse, 

insbesondere von Lebend-Proben. 

Zeitraum beobachtet werden als mit vielen anderen bisher entwickelten 

Techniken. 

Da das SPIM eine Entwicklung neuesten Datums ist (Science 

(2004) 305:1007-1009), sind viele seiner Möglichkeiten (und 

Grenzen) noch unerforscht. Die Besonderheit des SPIM liegt 

insbesondere auch in der Probenzubereitung, die komplett verschieden 

von sämtlichen bisherigen Mikroskopierverfahren ist. 

Dementsprechend fehlt für die allermeisten Applikationen die 

Erfahrung bezüglich der optimalen Probenzubereitung, der 

Lebendkultivierung der Proben in geeigneten Aufzuchtbehältern 

vor und während der Probenbeobachtung sowie der geeigneten 

Methoden der Datenakquisition und Datenauswertung. 

Dies soll im Rahmen des Projekts effizient angegangen werden, 

um die noch bestehenden Hürden für die universelle Anwendbarkeit 

der SPIM-Mikroskopie zu überwinden. Es wird erwartet, 

dass diese Anstrengungen einen großen Einfluss auf viele Bereiche 

der biologischen und medizinischen Forschung und 

Diagnostik haben werden. 

41

42 


[2003/2004] 

Projekt: 


Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen 

Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) 

In der Biomedizin besteht weltweit ein großer Bedarf nach 

nicht-invasiven optischen Mikroskopie-Techniken. Hierbei spielen 

die optische Auflösung kleinster Strukturen innerhalb von 

Zellen und die Sensitivität eine zentrale Rolle. Das Ziel des Projekts 

ist es, neue Mikroskopiekontraste ohne Färbungen und die 

damit verbundenen Vorteile zu erforschen und sie in der biomedizinischen 

Forschung zu erproben. Dazu werden lineare 

und nicht-lineare Streuungen in die 4Pi-Mikroskopie eingeführt. 

Für Hochauflösung fluoreszierender Präparate wurde in den 

letzten Jahren die 4Pi-Mikroskopie entwickelt [2, 5]. Dabei werden 

die Strahlen zweier sich gegenüberliegenden Objektive 

interferenzfähig überlagert. Dies führt zu einer axial 5-fach 

höheren Auflösung im Vergleich zum konfokalen Standard oder 

dem Multiphotonenfluoreszenzmikroskop. 

Abb. 1: Beim 4Pi-Mikroskop wird ein 

Laserstrahl durch 2 gegenüberliegende 

Objektive auf denselben Punkt im 

Objekt fokussiert. Dabei interferieren 

die Strahlen und formen einen doppelt 

so hellen, axial 5-fach kleineren 

Brennpunkt im Vergleich zum herkömmlichen 

Mikroskop. 

Es ist bekannt, dass bestimmte hochinteressante Biomoleküle 

aufgrund ihrer (A)Symmetrieeigenschaften einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt 

für nicht-lineare Streuung, wie z.B. SHG 

haben. Eine Übersicht über die Anwendungspotenziale von 

SHG alleine ist z.B. in „Imaging in Perfect Harmony“, Benjamin 

D. Butkus, Biophotonics International, August 2003, 48 ff zu finden. 

Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Detektion mancher 

Zellbestandteile oft besser mit nicht-linearen Streumethoden 

wie SHG [1, 3] oder sogar mit Kohärenter-Antistokes-Raman-Streuung 

(CARS) durchzuführen ist [4]. Kollagen stellt beispielsweise 

80 % des Proteinanteils in der menschlichen Haut 

dar und ist dafür bekannt, dass es einen hohen SHG-Wirkungsquerschnitt 

besitzt [6]. Auch ist bekannt, dass es in der Entstehung 

und Verbreitung bestimmter Tumorarten beteiligt ist. 

Weiterhin besteht 30 % des Proteinanteils im menschlichen 

Körper aus verschiedenen Typen von Kollagenen, die durch ihre 

nicht-punktsymmetrische Symmetrie einen hohen typabhängigen 

Wirkungsquerschnitt für SHG aufweisen. Myosin und 

Tubulin sind ebenfalls der intrinsischen nicht-linearen Abbildung 

zugänglich, wenn auch etwas schwächer. 

Die Ausnutzung dieser nicht nicht-linearen Effekte in der neuen 

4Pi-Mikroskopie verspricht daher besondere Vorteilen und birgt 

neue potente Abbildungsverfahren.

Ein 4Pi-Aufbau sammelt doppelt soviel Licht wie ein herkömmliches 

Mikroskop. In der nicht-linearen Streuung kann die 4Pi- 

Mikroskopie dieses Potenzial noch weiter steigern, denn die bei 

der 4Pi-Anordnung erzeugte Interferenz führt zu einer lokalen 

Feldüberhöhung, welche nicht-lineare optische Effekte lokal 

verstärkt. Daher sollen die neuen Kontraste im Vergleich zu 

bekannten Mikroskopieverfahren wahlweise oder zugleich: 

a) über ein höheres (nicht-lineares) Bildsignal verfügen, 

b) sensitiver sein, 

c) die Probe mit höherer 3D-Auflösung abbilden, 

d) eine höhere Eindringtiefe in Zellverbänden und 

Embryonen erlauben und somit 

e) Informationen aus Zellen, Zellverbänden und 

Embryonen liefern, die bisher mit keinem anderen 

Verfahren zugänglich waren. 

Zusätzlich zeigen Überlegungen auf, dass sich hiermit ein axialer 

Interferenzkontrast bilden lässt. 

Darüber hinaus kann mittels aktiver Optik und Wellenfrontsensoren 

die Auflösung an die theoretische Grenze gebracht 

werden. Dies wird durch die besondere Eignung der 4Pi-Mikroskopie 

für aktiv-adaptiv optische Wellenfrontkorrekturen zusätzlich 

verstärkt. Die optische Anordnung des 4Pi-Mikroskops ist 

für die aktive und adaptive Optik besonders geeignet, da der 

transmittierte lichtstarke Beleuchtungsstrahl direkt als Diagnosestrahl 

ausgekoppelt werden kann und zur aktiven/adaptiven 

Korrektur zur Verfügung steht. Damit werden künstliche und 

oft störende Hilfsobjekte zur Strahldiagnose überflüssig. 

Die Forschungsarbeiten werden in Kooperation mit zell- und 

entwicklungsbiologisch, sowie tumordiagnostisch orientierten 

Abteilungen am DKFZ in Heidelberg erfolgen. 

Referenzen 

[1] J. N. Gannaway, Opt. Quant. Electr. 10 (1978) 435. 

[2] S. Hell and E. H. K. Stelzer, J. Opt. Soc. Am. A 9 (1992) 2159. 

[3] Y. Barad, H. Eisenberg, M. Horowitz, and Y. Silberberg, Appl. Phys. 

Lett. 70 (1997) 922. 

[4] A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82 

(1999) 4142. 

[5] S. W. Hell, Nature Biotechnol. 21 (2003) 1347. 

[6] G. Cox, E. Kable, A. Jones, I. Fraser, F. Manconi, and M. D. Gorrell, 

J. Struct. Biol. 141 (2003) 53. 

43

44 


[2003/2004] 

Projekt: 


Nicht-invasive Darstellung menschlicher 

Hirnfunktionen mittels Diffusing-Wave- 

Spectroscopy (DWS) 

Universität Konstanz, Fachbereich Physik 

Optische Methoden auf der Basis von nah-infrarotem (NIR) 

Licht bieten große Vorteile als diagnostische Instrumente für 

die Medizin gegenüber etablierten Methoden wie Magnetresonanz- 

und Positronen-Emissions-Tomographie sowie Magnetound 

Elektroenzephalographie, da sie vergleichsweise geringe 

Investitions- und Betriebskosten mit schwacher Wechselwirkung 

der verwendeten Strahlung mit dem Gewebe und gute 

Portabilität vereinen. 

Obwohl biologisches Gewebe NIR-Licht bei Wellenlängen zwischen 

ca. 750 nm und 950 nm deutlich schwächer absorbiert 

als sichtbares und infrarotes Licht, ist seine Trübung aufgrund 

der Lichtstreuung an mikroskopischen Heterogenitäten auf der 

Skala der Lichtwellenlänge hinreichend groß, so dass die direkte 

Bildgebung von Strukturen, die sich mehr als einige mm unter 

der Oberfläche befinden, erheblich erschwert ist. Dies ist gerade 

für die funktionale Bildgebung im Gehirn, wo invasive Diagnostik 

mit großem Aufwand und erheblichem Risiko verbunden 

ist, von größter Tragweite. 

Herkömmliche nicht-invasive NIR-optische Methoden zur funktionalen 

Bildgebung im menschlichen Gehirn basieren auf 

Absorptions- und Streukontrasten aufgrund lokaler Variationen 

der Durchblutung und Sauerstoffsättigung des Blutes. Aus gemessenen 

Lichtintensitätsverteilungen an der Kopfhaut kann 

unter Berücksichtigung der diffusiven Ausbreitung von Licht im 

Gewebe auf lokale Veränderungen der Durchblutung im Hirngewebe 

aufgrund von funktionaler Aktivation geschlossen werden. 

Anderseits geben Bewegungen von Streuern im Gewebe 

(wie Vesikel, Mitochondrien, Membranen oder Blutkörperchen) 

Anlass zu zeitlichen Fluktuationen im Speckle-Muster von vielfach 

gestreutem Laser-Licht, wenn dieses eine hinreichend 

große Kohärenzlänge besitzt. Diese "Diffusing-Wave Spectroscopy" 

(DWS) genannte Verallgemeinerung der quasi-elastischen 

Lichtstreuung auf vielfach gestreutes Licht ist deshalb 

v.a. auf dynamische Heterogenitäten im Gewebe empfindlich 

(Abb. 1). Im Gegensatz zur klassischen quasi-elastischen Lichtstreuung, 

bei der die zeitliche Autokorrelationsfunktion der 

Streuintensität, g(2)(t), erst für Streuer-Verschiebungen von 

einer Lichtwellenlänge zerfällt, führt in der DWS die Akkumulation 

des Phasenhubs durch viele Streuereignisse zu einem 

Zerfall des DWS-Signals schon für Streuer-Verschiebungen, die 

viel kleiner als eine Wellenlänge sind, dies umso mehr, je länger 

der Photonenpfad zwischen Quelle und Empfänger ist. Deshalb 

verleiht die Vielfachstreuung dem DWS-Signal eine stark erhöhte 

Empfindlichkeit auf mikroskopische Verschiebungen innerhalb 

des trüben Mediums. Der Umstand, dass lange Photonenpfade 

dem Kurzzeitverhalten von g(2)(t) und umgekehrt kurze 

Pfade dem Langzeitverhalten von g(2)(t) entsprechen, verleiht 

DWS darüber hinaus eine Art grober räumlicher Auflösung. 

Abb. 1: Nah-infrarotes Licht (grün 

dargestellt) kann durch Kopfhaut und 

Schädeldecke in das Gehirn eindringen 

und wird dort an mikroskopischen 

Strukturen, z.B. Zellmembranen und 

roten Blutkörperchen gestreut. 

Das gestreute Licht, das vom Empfänger 

auf der Kopfhaut gesammelt wird, 

stammt aus dem gelb dargestellten 

Volumen zwischen Sender und Empfänger 

und trägt Information über 

mikroskopische Bewegungen in aktivierten 

Bereichen der Hirnrinde.

Vollständig nicht-invasive Experimente an menschlichen Probanden 

zeigen klar eine Beschleunigung der Speckle-Fluktuationen 

aufgrund der Stimulation spezifischer Hirnareale. Die 

Probanden aktivierten dabei ihre sensorimotorische Hirnrinde 

mit Fingerübungen. DWS-Signale zerfallen mit Zeitkonstanten 

von ca. 40 µs (Abb. 2). Die Analyse der Daten mit einem 3-Schichten-Modell 

für den menschlichen Kopf zeigte, dass der Diffusionskoeffizient 

des aktivierten Areals zuverlässig von der Dynamik 

in der Kopfhaut und von Änderungen der Absorption der 

Hirnrinde aufgrund erhöhter Durchblutung separiert werden 

kann (J. Li et al, J. Biomed. Opt. [2005, in press]). Es konnte 

gezeigt werden, dass die Diffusionskoeffizienten der Motor- 

Rinde in einer Gruppe von 11 Probanden durch motorische 

Stimulation signifikant zunehmen, wobei eine starke Asymmetrie 

zwischen kontra- und ipsilateraler Stimulation beobachtet 

wird, was belegt, dass ein signifikanter Anteil der detektierten 

Photonen durch die Hirnrinde gestreut wurde. 

Der Ursprung der aktivationsabhängigen Beschleunigung der 

Diffusion in der Hirnrinde ist zurzeit noch nicht abschließend 

geklärt. Mögliche Ursachen sind die Erhöhung der Blutflussgeschwindigkeit 

oder die erhöhte Beweglichkeit von synaptischen 

Vesikeln nach Einsetzen der Aktivation. Diese Frage wird 

mit einer Kombination von stimulussynchronisierter Detektion 

und Protokollen zur Stimulation der visuellen Hirnrinde untersucht, 

was Informationen über den zeitlichen Verlauf des kortikalen 

Diffusionskoeffizienten kurz nach dem Einsetzen des 

Stimulus liefern sollte. 

Abb. 2: Reduzierte Intensitäts-Autokorrelationsfunktionen, 

gemessen über 

der somatomotorischen Hirnrinde 

eines rechtshändigen Probanden (J. Li 

et al, J. Biomed. Opt. [2005, in press]). 

(a) Messungen während der Ruhephase 

(Quadrate) bzw. kontralateraler 

Stimulation mit einer Fingerübung 

(Kreise). Die Stimulation führt zu 

einem beschleunigten Zerfall des 

DWS-Signals. 

(b) DWS-Signale für kontralaterale 

Stimulation (Kreise) zerfallen schneller 

als für ipsilaterale Stimulation 

(Dreiecke) aufgrund stärkerer Aktivation 

der Hirnrinde durch kontralaterale 

Stimulation. 

45

46 


[2003/2004] 

Projekt: 

Die Aufklärung und Kontrolle komplexer molekularer dynamischer 

Prozesse während der Zelldifferenzierung spielt in der 

Tumorforschung,der Stammzellforschung und ganz allgemein 

im Bereich des "tissue engineering" eine wichtige Rolle. Die 

Visualisierung dieser Prozesse dient der Diagnostik,z.B. von 

Tumorerkrankungen,und erlaubt eine frühzeitige individuelle 

Therapie mit guten Erfolgsaussichten. Aktuell wird der Differenzierungsgrad 

über aufwändige biochemische Methoden 

bestimmt. Wünschenswert sind jedoch Verfahren,die eine einfache 

und möglichst wenig invasive in-situ Diagnostik erlauben. 

Das Ziel des Verbundprojektes ist es,durch Kombination komplementärer 

mikroskopischer Verfahren die strukturellen und 

funktionellen Änderungen bei der Zelldifferenzierung zeitlich 

und räumlich hochaufgelöst sowie markerfrei in lebenden 

Zellen darzustellen. Koordinator des Projektes ist das Institut 

für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an 

der Universität Ulm. Weiterhin sind das Institut für Angewandte 

Forschung der Hochschule Aalen sowie die Universitätsklinik 

und Poliklinik für Kinder und Jugendmedizin Ulm in das 

Projekt mit eingebunden. Im Detail werden am Modell des 

Neuroblastoms reaktionsspezifische Kontrastverfahren zur 

Optimierung der konfokalen Ramanmikroskopie und der zeit- 

Abb. 1: Definition von Basisspektren 

in verschiedenen Zellkompartimenten 

mit korrespondierenden Zellbildern 

lebender Zellen. 


Visualisierung dynamischer Prozesse bei der 

Zelldifferenzierung durch kontrastverstärkende 

Ramanmikroskopie und zeitaufgelöste 

Fluoreszenzmikroskopie 

Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm 

Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Aalen 

Universitätsklinik und Poliklinik für Kinder und Jugendmedizin Ulm 

aufgelösten Fluoreszenzmikroskopie evaluiert und kombiniert, 

um dynamische Prozesse in lebenden Zellen mit unterschiedlichem 

Differenzierungsgrad zu erfassen. Der Differenzierungsgrad 

wird dabei anhand charakteristischer Ramanbanden für 

DNA/RNA,Proteine und Lipide sowie anhand der Fluoreszenzabklingzeit 

der Autofluoreszenz bestimmt. Mit dem Ziel einer 

simultanen Erfassung von Ramanstreuung und Fluoreszenzabklingzeit 

werden verschiedene gepulste und nicht gepulste 

Laserquellen zur Anregung eingesetzt. 

Die Autofluoreszenz wird u.a. durch Coenzyme der Atmungskette 

bewirkt und kann in unterschiedlich differenzierten Zellen 

variieren. Auch die Protein- und DNA/RNA-Verteilung kann sich 

ändern. Im Rahmen der konfokalen Ramanmikroskopie wird 

deshalb unter anderem die aliphatische C-H-Streckschwingung, 

die für Proteine allgemein charakteristisch ist (sog. "high frequency" 

Ramanbanden zwischen 2800 – 3030 cm-1) sowie der 

sog. "fingerprint"-Bereich (spektraler Bereich zwischen 700 und 

1800 cm-1) untersucht. Dazu wird das Ramanspektrum der 

Zelle in Abhängigkeit des Differenzierungsgrades Pixel für Pixel 

erfasst und Bereiche,die für einzelne Ramanbanden charakteristisch 

sind,simultan bildgebend dargestellt.

Als Beispiel sind in Abb. 1 Schwingungsspektren in unterschiedlichen 

Zellkompartimenten, die mit einem CRM200 der Firma 

WITec gewonnen wurden, dargestellt. Die entsprechenden 

Zellkompartimente sind anhand der hellen Intensitäten in den 

korrespondierenden Zellbildern zu erkennen. Diese Spektren 

wurden als sog. Basisspektren verwendet. Jedes gemessene 

Spektrum wurde an eine Linearkombination dieser Basisspektren 

gefittet und ein sog. "similiarity mapping" oder "spectral 

unmixing" für jeden Pixel vorgenommen. Die Bilder und 

Spektren wurden durch Anregung mit 532 nm eines frequenzverdoppelten 

Nd:YAG-Lasers gewonnen. Die Bande zwischen 

1200 und 1360 cm-1 entspricht Adenin und Guanin, sowohl 

Proteine als auch Lipide besitzen eine Bande bei 1600 cm-1. 

Die Bande bei 1449 cm-1 entspricht der CH2-Biegeschwingung 

von Proteinen. 

In Abb. 2 ist in Falschfarben das entsprechende Ramanbild, welches 

man nach der Methode des "similarity mapping" erhält, 

dargestellt. Wie zu erkennen ist, lassen sich die verschiedenen 

Bereiche der Zelle, wie Zellkern, Nukleoli, Mitochondrien sowie 

Lysosomen anhand ihres unterschiedlichen Lipid-, Protein- und 

DNA-Gehalts eindeutig unterscheiden – und dies ganz ohne 

Anfärben der Zellen. Die konfokale Ramanmikroskopie ist damit 

eine innovative und neue optische Methode, um Zellen aufgrund 

molekularer Unterschiede, wie sie im Rahmen der Zelldifferenzierung 

zu erwarten sind, zu identifizieren. 

Abb. 2: Ramanbild einer lebenden 

Zelle in Falschfarbendarstellung; 

Farben entsprechen den jeweils 

gefitteten Spektren. 

Im Rahmen dieses Projekts wird der Prozess der Zelldifferenzierung 

in lebenden Zellen durch die oben beschriebenen 

mikroskopischen Techniken analysiert. Für eine erfolgreiche 

Durchführung der Arbeiten sind die verschiedenen Kompetenzen 

der Projektpartner essentiell. 

47

48 


[2003/2004] 

Projekt: 


Optische Systeme für den Terahertzbereich 

Entwicklung eines kompakten Mikrospektrometers 

für den Terahertzbereich 

1. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart 

5. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart 

Der Terahertzbereich (0,1 – 10 THz) ist das bisher nur wenig 

erforschte elektromagnetische Spektrum zwischen Elektronik 

und Optik, also zwischen dem Wellenlängenbereich, indem 

hochfrequenter Wechselstrom noch in Kabeln oder Hohlleitern 

geführt wird und dem Bereich, in dem elektromagnetische 

Wellen durch Linsen und Spiegel manipuliert werden. Für THz- 

Strahlung wird ein großes Anwendungspotenzial in der Medizin, 

Pharmazie und in den Materialwissenschaften gesehen. 

THz-Strahlen durchdringen Materie ähnlich wie Röntgenstrahlen, 

sind aber nicht-ionisierend und gelten deshalb als ungefährlich. 

Die Anwendung von THz-Strahlung liefert spezifische 

spektroskopische Informationen, die mit anderen Techniken im 

sichtbaren Spektralbereich, mit Röntgenstrahlen oder über 

NMR (Nuclear Magnetic Resonance) nicht zugänglich sind. 

Einer breiteren Anwendung und der Entwicklung neuer Messverfahren 

in diesem interessanten Frequenzbereich steht aber 

ein Mangel an kompakten, billigen und leicht zu handhabenden 

Quellen entgegen. Ziel dieses Projekts ist deshalb die Realisierung 

eines kompakten, leistungsstarken und über einen breiten 

Frequenzbereich durchstimmbaren Spektrometers für den 

THz-Bereich. 

Zur Realisierung des kompakten Aufbaus soll die THz-Strahlung 

über die Differenzfrequenzbildung zwischen zwei schmalbandigen 

Laserlinien im NIR in einem nichtlinearen Medium generiert 

werden. Die beiden Laserlinien werden mit einer einzigen 

Laserdiode mit externem Resonator in einer modifizierten 

Littman-Anordnung erzeugt. Mit dieser Anordnung lässt sich 

die Frequenz ohne mechanische Teile über einen weiten Bereich 

durchstimmen. Ein elektro-optischer Detektor soll zur 

empfindlichen und phasensensitiven Aufzeichnung der THz- 

Welle dienen. 

Reale Proben sind in der Regel inhomogen. Deshalb sind bildgebende 

Verfahren für die Anwendung besonders interessant. Die 

Wellenlänge von THz-Strahlung ist allerdings sehr lang (30 – 

3000 µm), sodass die maximal erzielbare Auflösung im Fern- 

feld stark durch die Beugung limitiert wird. In dem Projekt werden 

zusätzlich Verfahren entwickelt, die es erlauben spektroskopische 

Informationen von Probenbereichen zu erhalten, die deutlich 

kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung sind. 

Um die Abbe'sche Beugungsgrenze zu unterlaufen, ist geplant, 

das kompakte Spektrometer mit Nahfeldtechniken zu kombinieren. 

Mit diesem Konzept lässt sich dann eine hohe spektrale 

Auflösung mit einer hohen räumlichen Auflösung im THz- 

Bereich kombinieren. 

Spektroskopie und Nahfeld-Mikroskopie im THz-Bereich sind 

seit Jahren ein Schwerpunkt am 1. Physikalischen Institut der 

Universität Stuttgart. Für Forschungszwecke wird die THz- 

Strahlung hier mit Hochfrequenz-Elektronenröhren (Backward 

wave oscillators, BWOs) erzeugt. Diese Quellen arbeiten bei 

Frequenzen zwischen 30 GHz und 1,5 THz, liefern eine Ausgangsleistung 

bis 300 mW und sind sehr schmalbandig. Sie 

lassen sich aber nur in einem begrenzten Bereich durchstimmen. 

Außerdem sind sie teuer, schwer und umständlich zu 

handhaben. Sie eignen sich aber sehr gut zur Entwicklung 

neuer Abbildungsverfahren im THz-Bereich. 

Der Einsatz von sog. Festkörper-Immersionslinsen hat die 

Kapazität von optischen Speichern in den letzten Jahren deutlich 

erhöht. Im sichtbaren Spektralbereich gibt es keine Materialien 

mit einem Brechungsindex n über 2. Wegen der ionischen 

Polarisation ist der Brechungsindex in allen Materialien 

im THz-Bereich aber deutlich höher als im Sichtbaren; hier gibt 

es Materialien mit Brechungsindices bis 10. 

In der ersten Projektphase konnte gezeigt werden, dass es mit 

einem THz-Immersionsmikroskop möglich ist, Spektren und 

Bilder mit einer subwellenlängen Auflösung aufzunehmen. 

Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau. Die THz-Strahlung wird 

mit Hilfe einer hyperbolischen Linse auf einen beugungsbegrenzten 

Spot fokussiert. Dieser wird dann in der hemisphärischen 

Linse um den Faktor n reduziert. Eine kleine Apertur in

unmittelbarer Nähe der Probe definiert die Auflösung. Die 

hyperbolischen Linsen für den THz-Bereich lassen sich mit 

guter optischer Qualität (Rauhigkeit < _/10) auf einer computergesteuerten 

Drehbank aus Polyethylen herstellen. Polyethylen 

selbst ist in diesem Frequenzbereich völlig transparent und 

zeigt keinerlei Dispersion. Als Festkörper-Immersionslinse 

wurde Silizium mit einem Brechungsindex n von 3,5 gewählt. 

Mit diesem Mikroskop lässt sich eine Auflösung deutlich unter 

einer Wellenlänge erreichen. Abb. 2 zeigt ein Foto und das THz- 

Bild einer elektronischen Diebstahlsicherung. Während das Foto 

nur die undurchsichtige Plastikhülle zeigt, kann mit der THz- 

Strahlung in das Innere der Schaltung gesehen werden. Alle 

Metallteile erscheinen hell, die Kunststoffhülle ist für THz- 

Strahlung hingegen transparent. Die abgebildete Antennenstruktur 

hat etwa eine Breite von 200 µm, was etwa λ/3 entspricht. 

Abb. 1: Schematischer Aufbau des 

THz-Immersions-Mikroskops. 

Die THz-Strahlung wird mit einer 

hyperbolischen Linse auf die sphärische 

Festkörper-Immersionlinse (SIL) 

fokussiert. In der SIL ist die Wellenlänge 

um den Faktor n reduziert, was 

zu einer erheblichen Steigerung des 

Auflösungsvermögens führt. 

Abb. 2: Foto und THz-Bild 

(aufgenommen bei 470 GHz) einer 

elektronischen Diebstahlsicherung. 

Während das Foto nur die Plastikhülle 

zeigt, sieht man mit THz-Strahlung in 

das Innere der Schaltung. 

49

50 


[2003/2004] 

Projekt: 

Vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität 

Freiburg wurde in dem ebenfalls von der 

Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH geförderten 

Projekt „Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen“ 

ein Einzellinsensystem mit einer elektrisch steuerbaren 

flüssigen Mikrolinse gefertigt und charakterisiert und im 

Februar 2005 abgeschlossen. Das Folgeprojekt „Adaptive 

Linsenarrays mit variablem Abstand“ stellt nun eine Erweiterung 

und Vertiefung dar. Ziel dieses neuen Projekts ist es, bei 

einem Array von flüssigen Mikrolinsen nicht nur die Brennweite 

der einzelnen Mikrolinsen, sondern auch deren Anzahl und 

Abstand zueinander zu steuern, sodass ein frei konfigurierbares 

Mikrolinsenarray vorliegt, welches flexibel an die verschiedensten 

Anwendungen anpassbar ist. Mögliche Anwendungsgebiete 

eines solchen frei konfigurierbaren Linsenarrays sind beispielsweise 

eine parallelisierte optische Pinzette für die Life 

Sciences, ein optischer Fasermatrixschalter für die Telekommunikationstechnik 

oder der Einsatz in einem adaptiven 

Wellenfrontsensor. 



Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand 


Sowohl für die Steuerung der Brennweite als auch des Linsenabstandes 

kommt der Effekt der Elektrokapillarität zum Einsatz. 

Die Linsen bestehen aus einer leitfähigen Flüssigkeit und werden 

mit einer Elektrode direkt kontaktiert. Die erforderlichen 

Gegenelektroden sind unter einer isolierenden Schicht vergraben 

und besitzen eine Form, welche die laterale Bewegung und 

Positionierung der flüssigen Linsen ermöglicht. Durch das 

geeignete Anlegen einer elektrischen Spannung an eine oder 

mehrere Gegenelektroden können die Linsen einzeln positioniert 

und in ihrer Brennweite gesteuert werden. 

In Erweiterung des technologischen Ansatzes wird das Substrat 

hierbei mit einer komplexen inneren Struktur versehen. Sämtliche 

Strukturen und Schichten sollen dabei aus transparenten 

Materialien bestehen, um das Element in Transmission betreiben 

zu können. Eine schematische Übersicht des Elements 

zeigt Abb. 1.

In einer ersten, 24 Monate andauernden Projektphase wird am 

Lehrstuhl für Mikrooptik des Instituts für Mikrosystemtechnik 

das steuerbare Mikrolinsenarray entwickelt und getestet.Die 

technischen Herausforderungen bestehen dabei zum einen im 

Design und in der Fabrikationstechnik des komplex strukturierten 

und völlig transparenten Substrates mit seinen vergrabenen 

Gegenelektroden.Neben transparenten Standardmaterialien 

wie Quarz und verschiedenen Polymeren kommt hierbei 

Indium-Zinn-Oxid (ITO), ein sowohl transparentes als auch leitfähiges 

Material, für die elektrischen Strukturen zum Einsatz. 

Eine weitere Herausforderung liegt in der Entwicklung eines 

hoch spezialisierten elektronischen Ansteuerungskonzeptes für 

das Element.Dieses muss die Tropfen-Bewegung und die 

Brennweiten-Steuerung mit hoher Ortsauflösung gestatten, 

wobei bekannte Matrix-Schaltungskonzepte wie etwa bei LCD- 

Displays aufgrund der verwendeten Materialien nicht eingesetzt 

werden können.Das Ansteuerungskonzept soll letztlich 

die Anzahl der erforderlichen Gegenelektroden gering halten.In 

einer anschließenden weiteren Phase ist geplant, die Anwendung 

des Elements in einem optischen Komplettsystem zu 

demonstrieren. 

Abb. 1: Schematische Darstellung 

des frei konfigurierbaren Mikrolinsenarrays. 

51

52 


[2003/2004] 

Projekt: 

Die Industrie zeigt seit langem Interesse an adaptiver Optik, 

wie sie beispielsweise in Autofokus- bzw. Zoomsystemen benötigt 

wird. Derzeit werden Linsen mit fester Brennweite mechanisch 

entweder durch einen Tauchspulenantrieb über kleine 

Wegstrecken oder motorisch über längere Wegstrecken verschoben. 

In stark miniaturisierter Form sind Autofokussysteme 

mit Tauchspulenantrieb in CD-Spielern verwirklicht. 

Wünschenswert sind adaptive Systeme ohne mechanische 

Verstellvorrichtungen. Damit derartige adaptive Linsen in vielen 

industriellen Anwendungen eingesetzt werden können, sollen 

sie einen Verstellbereich von mehreren Dioptrien aufweisen. 

Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz basiert auf einer Änderung 

der geometrischen Form von Linsen und Spiegeln. Die 

Formänderung wird über ein magnetisches Feld in Verbindung 

mit magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide) gesteuert, wodurch 

nennenswerte Dioptrieänderungen realisierbar sind. Die 

äußere Form der adaptiven Linsen bzw. Spiegel ergibt sich aus 

dem Innendruck der Flüssigkeit in Verbindung mit einer vorgespannten 

Membran. 

Der prinzipielle Aufbau ist in folgender Abb. 1 dargestellt: 

Bewegte magn. 

Flüssigkeit 



Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis 

von Nanopartikeln 

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) 


Membran Flüssiglinse 

Magnetische Flüssigkeiten erhält man, indem magnetische 

Nanopartikel im Bereich von 2 bis 10 nm in wässrige, alkoholische 

oder organische Lösungen gebracht werden. Ein Benetzungsmittel 

verhindert, dass die Einzelpartikel miteinander verklumpen. 

Bereits um 1960 wurden von der NASA diese „Ferrofluids“ 

mit dem Ziel entwickelt, Flüssigkeiten im schwerelosen 

Zustand einzuschließen. Verwendung finden sie heute im 

nichtoptischen Bereich als Dichtmittel in Drehdurchführungen 

oder in hochwertigen Lautsprechersystemen. 

In Abwesenheit eines magnetischen Feldes sind die magnetischen 

Momente der Nanopartikel willkürlich orientiert und die 

Flüssigkeit zeigt keinerlei Magnetisierung. Beim Anlegen eines 

externen magnetischen Feldes orientieren sich die magnetischen 

Momente sofort entlang der Feldlinien; wenn das magnetische 

Feld abklingt, verteilen sich die Momente sehr schnell 

wieder willkürlich. In einem Gradientenfeld reagiert das gesamte 

Volumen wie eine homogene magnetische Flüssigkeit und 

formt sich entsprechend dem Feldlinienverlauf. Das Verhalten 

der magnetischen Flüssigkeit ist am besten mit dem Verhalten 

von Eisenfeilspänen im magnetischen Feld vergleichbar. Die 

Flüssigkeit kann von einem Magneten immer nur angezogen, 

jedoch niemals abgestoßen werden. 

Membran 

Ferrofluid-Aktor 

Linsengehäuse 

Abb. 1: Adaptive Membranlinse 

mit Aktor aus magnetischer Flüssigkeit 

(Querschnittskizze und geplante 

Realisierung).

Wesentliche Schlüsselelemente dieser adaptiven Linsen sind 

die äußere Membran und der Ferrofluid-Aktor. 

Als erfolgversprechendes und in Forschungslaboratorien vielfach 

untersuchtes Membranmaterial wird unter anderem 

PDMS (Polydimethylsiloxan) verwendet. PDMS ist optisch transparent, 

mechanisch extrem flexibel und gewährleistet den 

sicheren Einschluss von Flüssigkeiten. Verarbeitungsprozesse 

analog zur Dünnschichttechnik ermöglichen hohe Stückzahlen 

bei geringen Einzelkosten. 

Entsprechend dem Innendruck der Linsenflüssigkeit formt sich 

die Membran mehr oder weniger stark aus, wodurch unterschiedliche 

Brennweiten realisierbar sind. Diese Innendruckänderung 

erfolgt über den in Abb. 2 gezeigten hydraulischen 

Aktor. 

Membran 

Spulenwicklungen 

U-Kern Spalt 

Mumetallblech 

Magnetfeld 

Ferrofluid 

PMMA-Gehäuse 

Druckanschluss 

Doppelmembran 

Zur Vermeidung einer Kontamination der brennweitenbestimmenden 

Flüssigkeit der Linse mit den Nanopartikeln der 

magnetischen Flüssigkeit trennt eine zweite PDMS-Membran 

die beiden Flüssigkeiten voneinander. Mit der skizzierten 

Anordnung konnte bereits ein Druck von 900 Pa erreicht werden, 

wodurch ausreichende Form- und Brennweitenänderungen 

der Flüssiglinse möglich sind. 

Weitere Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung des 

Aktors in Verbindung mit speziell ausgewählten magnetischen 

Flüssigkeiten. 

Es ist ein wesentliches Projektziel, industriell einsetzbare adaptive 

Linse bereitstellen zu können. Daher widmen sich wesentliche 

Arbeitspakete der optischen Charakterisierung der adaptiven 

Linse hinsichtlich Brennweitenvariation und der erreichbaren 

optischen Güte. Langzeitversuche mit zyklischer Aktivierung 

der Linsen und Membranen sollen Auskunft über die 

Lebensdauer geben. 

Das vorgestellte Prinzip und die zugehörigen Technologien 

erlauben es, Linsen mit einem Durchmesser bis zu 25 mm zu 

fertigen womit das Feld der klassischen 1-Zoll-Optik abgedeckt 

wird. Kleinere Linsen mit einem Durchmesser von wenigen 

Millimetern haben in Endoskopen ein hohes Anwendungspotenzial 

für die medizinischen Diagnostik und minimalinvasive 

Chirurgie. 

Abb. 2: Hydraulischer 

Ferrofluid-Aktor 

53

54 


[2003/2004] 

Projekt: 



Maßgeschneiderte hochdispersive Dünnfilmfilter 

für Laserscanning-Anwendungen 

Lichttechnisches Institut (LTI) der Universität Karlsruhe 

1. Motivation 

Zahlreiche Anwendungen der modernen Optischen Technologien 

erfordern das schnelle und präzise Ablenken von Laserstrahlen. 

Beispiele hierfür sind Laserscan-Verfahren in der 

Mess- und Sensortechnik und der Biophotonik, das dynamische 

Einstellen und Nachjustieren optischer Freiraumverbindungen 

in der optischen Kommunikationstechnik und die Strahlführung 

in laserlithographischen Applikationen. 

2. Projektziel 

Im Rahmen des Projekts „Maßgeschneiderte hochdispersive 

Dünnfilmfilter für Laserscanning-Anwendungen“ wird ein 

schnelles und präzises Laserstrahlablenksystem ohne mechanische 

Aktoren basierend auf einer Kombination von einem 

durchstimmbaren Laser, einer oder mehrerer neuartiger hochdispersiver 

Dünnfilmstrukturen und einer Mikrolinse entwikkelt. 

Hierzu wird der von photonischen Kristallen her bekannte 

„Superprisma“-Effekt auf wesentlich einfacher und kostengünstiger 

herstellbare Dünnfilmstrukturen übertragen. 

Abb. 1: Zwei mögliche Systementwürfe 

für Laserstrahlablenkung entlang einer 

Raumrichtung (1D) und Ablenkung 

im gesamten Halbraum (2D). 

Ausrichtelement 

Mikrolinse 

Elektrooptisch 

durchstimmbarer 

Diodenlaser 

Hochdispersiver 

Dünnschichtfilter 

Als Lichtquellen werden neuartige durchstimmbare Halbleiterlaserdioden 

eingesetzt. Diese Bauelemente erlauben eine 

Wellenlängenänderung auf einer Zeitskala von Nanosekunden. 

Durch Kombination dieser ultraschnellen Bauelemente mit den 

hier vorgeschlagenen Filterkonzepten kann damit eine ultraschnelle 

Laserablenkeinheit realisiert werden. Wie in Abb. 1 

gezeigt verlassen Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen 

die räumlich dispersiven Dünnschichtfilter an verschiedenen 

Positionen. Nach Verlassen der Struktur breiten sich die Laserstrahlen 

wieder parallel aus. Eine Mikrolinse hinter der Struktur 

setzt den Strahlversatz der unterschiedlichen Wellenlängen in 

verschiedene Strahlausbreitungsrichtungen um. 

3. Umsetzung 

3.1. Simulationssoftware und erste Strukturen 

Die Vorarbeiten haben bereits eine Anzahl an generellen 

Design-Fragen geklärt [1, 2]. Die dort entwickelte Software zum 

Design von dispersiven Dünnschichtfiltern steht nun für das 

Projekt zur Verfügung. Es wird ein Ablenksystem mit einer 

Spiegel 

Elektrooptisch durchstimmbarer 

Diodenlaser 

Hochdispersive 

Struktur 2 

Mikrolinse 

Hochdispersive 

Struktur 1

Änderung des Scanwinkels von 50° über 10 nm Wellenlängenänderung 

angestrebt. Abb. 2 zeigt Messungen an Mehrschichtstrukturen 

mit denen bereits eine definierte Strahlverschiebung 

in Abhängigkeit von der Wellenlänge realisiert wurde. 

Austrittsposition in µm 

200 

100 

270 

240 

210 

0 

0 

830 835 840 840 860 880 

(a) Wellenlänge in nm (b) 

Wellenlänge in nm 

Austrittsposition in µm 

180 

150 

120 

90 

60 

30 

3.2. Technologie 

Die Technologie für die Herstellung der Filter mit einer hohen 

Anzahl von Schichten (typischerweise n > 200) mit der notwendigen 

Präzision von ca. 1 nm wird in diesem Projekt erarbeitet. 

Um eine präzise Herstellung nicht-periodischer Filter zu erreichen, 

muss die Schichtdicke während der Deposition in-situ in 

Echtzeit bestimmt und damit der Depositionsprozess aktiv 

geregelt werden. Basierend auf der vorhandenen Anlage zur 

Herstellung dielektrischer Schichten wird ein aktives Monitoring-System 

für das Materialsystem SiO2/Ta2O5 implementiert. 

Weiterhin muss die Mikrolinse entworfen und mit dem Filter 

integriert werden. 

3.3. Charakterisierung 

Zunächst soll ein Messplatz zur detaillierten Charakterisierung 

der Filter bezüglich des Strahlversatzes mit der Wellenlänge 

aufgebaut werden. Die Messung soll mit Hilfe eines durchstimmbaren 

Lasers erfolgen. Der Strahlversatz wird bestimmt, 

indem der Austrittspunkt des Laserstrahls aus dem Dünnfilmfilter 

über eine Teleskopoptik auf eine CCD-Kamera abgebildet 

wird. Bei Durchstimmen des Lasers kann nun die Strahlverschiebung 

mit der Wellenlänge experimentell gemessen werden. 

Anschließend werden die Änderungen der Strahlausbreitungsrichtung 

mit der Wellenlänge charakterisiert. 

Referenzen: 

Abb. 2: Experimentell gemessene 

Intensität als eine Funktion von 

Wellenlänge und Position auf der 

CCD-Kamera für 8 Reflektionen 

an einer 66-Schicht Struktur. 

(a) Lineare Verschiebung und 

(b) stufenförmige Verschiebung 

(normierte Intensität) [3]. 

[1] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Multilayer Thin-Film Structures 

with High Spatial Dispersion," Appl. Opt. 42/7 (2003), 1330-1345. 

[2] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Wavelength Demultiplexer Using 

the Spatial Dispersion of Multilayer Thin-Film Structures," 

Photonics Techn. Lett. 15/8 (2003), 1097-1099. 

[3] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Multilayer Thin-Film Stacks with 

Step-Like Spatial Beam Shifting," J. Lightw. Techn. 22/2 (2004), 

612-618. 

55

56 


[2003/2004] 

Projekt: 

Thermisch induzierte Veränderungen der Brechzahl und thermisch 

verursachte Verformungen und Spannungen in optischen 

Komponenten sind besonders bei Hochleistungslasern 

von großer Bedeutung und bereiten beim Streben nach bestmöglicher 

Strahlqualität erhebliche technische Schwierigkeiten. 

Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei Festkörperlasern 

mit stabförmigen oder prismenförmigen (Slab) Lasermedien, 

bei welchen die im Lasermedium erzeugte Verlustwärme quer 

zur Strahlausbreitungsrichtung abgeleitet wird. Die für die 

Wärmeabfuhr erforderlichen starken Temperaturgefälle im 

Medium führen zu sehr ausgeprägten, leistungsabhängigen 

optischen Störungen. Alleine die thermisch induzierte Brechkraft 

eines typischen Hochleistungsstablasers kann sich bei 

variierender Laserleistung in der Größenordung von 10 Dioptrien 

verändern. 

Einerseits erschwert diese enorme Variation der thermischen 

Linsenwirkung die Erzeugung von Laserstrahlung mit guter 

Qualität. Anderseits zeigt dieses Phänomen jedoch, dass mit 

der Ausnutzung thermischer Veränderungen optischer Materialien 

steuerbare adaptive Bauelemente realisiert werden können, 

deren Eigenschaften über die anderer Konzepte adaptiver 

Optiken hinausgehen. Die Brechkraft mechanisch verformbarer 

Hochleistungsspiegel, welche bisher in Laseranwendungen eingesetzt 

wurden, kann in der Regel nur in der Größenordnung 

von ±1 Dioptrien verändert werden. Durch Ausnutzung der 

thermisch induzierten Veränderung der Brechzahl in einer 0.4 

mm dünnen Schicht eines optischen Gels mit einem Durchmesser 

von 4 mm konnte demgegenüber eine Variation von bis 

zu 10 Dioptrien nachgewiesen werden. Dies wurde in früheren 

Arbeiten erfolgreich zur selbst-adaptiven Kompensation der 

thermisch induzierten Linsen in Nd:YAG-Stablasern eingesetzt. 

Das an der Universität Stuttgart erfundene und entwickelte 

Scheibenlaserkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass die im 

Lasermedium anfallende Verlustwärme in Richtung der Laserstrahlachse 

abgeleitet wird. Da zudem die Anregung des Mediums 

innerhalb des Strahlquerschnitts äußerst homogen 



Thermisch aktivierte Bauelemente für die 

adaptive Optik 

Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart 

Institut für Mikroaufbautechnik (IMAT) der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte 

Forschung e.V. 


erfolgt, wirken sich die thermisch verursachten Brechungsindexveränderungen 

im Vergleich zu Stab- und Slab-Lasern wesentlich 

moderater aus. Nur am Rand des angeregten Querschnitts 

bildet sich eine mehr oder weniger scharfe, asphärische Stufe 

des optischen Weglängenunterschieds aus. Auf diesem Konzept 

beruhende Lasergeräte zeichnen sich durch eine um fast eine 

Größenordnung verbesserte Strahlqualität aus. Der genannte 

optische Weglängenunterschied am Rande des laseraktiven 

Querschnitts ist allerdings dafür verantwortlich, dass heute 

noch keine Scheibenlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität 

im kW-Leistungsbereich verfügbar sind. 

Ziel des Projekts „Thermisch aktivierte Bauelemente für die 

adaptive Optik“ ist nun die Entwicklung thermisch aktivierter 

optische Bauelemente, welche die adaptive Kompensation des 

leistungsabhängigen Weglängenunterschieds in Scheibenlasern 

und damit die Erzeugung beugungsbegrenzter Hochleistungslaserstrahlen 

erlaubt. Im Gegensatz zu den oben genannten 

Stablasern ist für die Kompensation der thermischen 

Effekte keine sphärische Linsenwirkung erforderlich. Die zu entwickelnden 

Elemente sollen deshalb auch komplexere optische 

Funktionen erfüllen können. Der Aufbau der Elemente besteht 

daher ähnlich wie das laseraktive Medium des Scheibenlasers 

Geformte 

Resonatormoden 

Thermisch 

adaptives Element 

Laser- 

Scheibe 

Abb. 1: Schematischer Aufbau eines 

Lasers mit dem thermisch adaptiven 

Element zur Kompensation der 

Aberrationen im laseraktiven Medium 

(hier: Scheibe) und zur gezielten 

Formung der Laserstrahlen.

aus einem dünnen optischen Scheibenelement und einer flächigen 

Kühlung in Richtung des optischen Strahlengangs. 

Die aktive Steuerung des optischen Bauelements erfolgt durch 

eine selektive Erwärmung des scheibenförmigen Elements. 

Letzteres ist entweder als Spiegel auf der Frontseite (Ausnutzung 

der thermischen Ausdehnung) oder auf der gekühlten 

Rückseite (Ausnutzung der thermischen Dispersion) beschichtet. 

Für die Wärmequellen werden dabei zwei Konzepte verfolgt. Im 

einen Fall handelt es sich um konzentrisch angeordnete Ringe 

von Heizwiderständen auf einem Schaltungsträger zwischen 

der Kühlung und dem Spiegelelement. Für die Kompensation 

der thermischen Aberrationen im Scheibenlaser ist diese kreissymmetrische 

Anordnung bereits ausreichend. Um eine größere 

geometrische Flexibilität zu erreichen, wird auch eine optische 

Beaufschlagung des Spiegelelementes untersucht. Dabei 

wird durch eine örtliche Lichtmodulation das Element mit 

einem beliebig veränderbaren Muster beleuchtet und so selektiv 

erwärmt. 

In einer späteren Phase des Projekts sollen diese aktiv steuerbaren 

Elemente neben der Kompensation thermischer Störungen 

gezielt auch zur adaptiven Formung von Strahlen mit speziellen 

Intensitätsverteilungen (wie Ring-Moden, Super-Gauß- 

Moden, etc.) genutzt werden. Dabei wird das optisch adressierte 

Element besonders für die Erzeugung von nicht zylindersymmetrischen 

Strahlen geeignet sein. 

Das Vorhaben ist eine Kooperation zwischen dem Institut für 

Strahlwerkzeuge (IFSW), dem Institut für Mikroaufbautechnik 

(IMAT) und dem Institut für Technische Optik (ITO). Dabei werden 

die theoretischen und experimentellen Arbeiten zur optischen 

Strahlformung in Scheibenlaser-Resonatoren am IFSW 

durchgeführt und bilden eine natürliche Fortsetzung der hier 

seit zwei Jahrzehnten angesiedelten Laserentwicklung. Dem 

Design, der Finite-Elemente-Simulation und dem Aufbau der 

elektrisch heizbaren Spiegel widmet sich das IMAT und bringt 

damit seine essenziellen Kompetenzen in der Mikroaufbautechnik 

in das Vorhaben ein. Die Expertise auf dem Gebiet der 

optischen Materialien und der optischen Elemente werden 

durch das ITO vorwiegend im Bereich der optisch adressierbaren 

Spiegel eingebracht. 

In der gegenwärtigen Anfangsphase werden am IFSW die für 

die angestrebten Strahlformungen erforderlichen Phasenkorrekturen 

bestimmt, um die Spezifikationen für die aktiven 

Spiegel festzulegen. Aufgrund dieser Angaben analysiert das 

IMAT verschiedene Aufbaustrukturen der elektrisch heizbaren 

Spiegel und vor allem die dafür erforderlichen Verbindungstechniken. 

Am ITO liegt der Schwerpunkt derzeit bei der 

Evaluation der thermisch-optischen Materialeigenschaften der 

in Frage kommenden Medien für die optisch adressierbaren 

Spiegelelemente. 

Abb. 2: Berechnete typische 

Temperaturverteilung im elektrisch 

adressierten Bauelement (Rotationsachse 

am linken Rand der Grafik) 

bei Heizung mit einer einzigen 

Leiterbahn. 

57

58 


Mitglieder „Photonik-Zentrum“ 


Dr. Robert Bauer 

SICK AG, Waldkirch 

Prof. Dr. Karl-Joachim Ebeling 

Universität Ulm 

Dr. Andreas Ehrhardt 

Photonics BW e.V., Kompetenznetz Optische Technologien, 

Oberkochen 

Prof. Dr. Thomas Graf 

Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge 

Dr. Ehrentraud Graw 

Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg 

Prof. Dr. Thomas Hellmuth 

Hochschule Aalen 

Roeland Hoogeveen 

Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst 


Berthold Hopf 

DaimlerChrysler AG, Sindelfingen 

Prof. Dr. Helmut Hügel 

Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge 

Dr. Heribert Knorr 



Dr. Matthias Schenek 



Dr. Cornelius Schinzel 

TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen 

Dr. Helmut Selbach 

Polytec GmbH, Waldbronn 

Dr. Augustin Siegel 

Carl Zeiss AG, Oberkochen 

Dr. Hans-Peter Trah 

Robert Bosch GmbH, Gerlingen-Schillerhöhe 

Dr. Armin Tschermak von Seysenegg 

Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg 

Prof. Dr. Günter Weimann 

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, Freiburg 

Dr. Erich Zielinski 

Alcatel SEL AG, Stuttgart

Gutachter Förderprogramm 

„Forschung Optische Technologien“ 


Prof. Dr. Joachim Hesse 

ehem. Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, 

Heinrich-Hertz-Institut (HHI), Berlin 

Prof. Dr. Wolfgang Karthe 

Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik 

(IOF), Jena 

Prof. Dr. Karsten König 

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), 

St. Ingbert 

Dipl.-Phys. Uwe Ortmann 

PicoQuant GmbH, Berlin 

Lothar Schmid 

München 

Dr. Werner Späth 

Holzkirchen 

Prof. Dr. Theo Tschudi 

Technische Universität Darmstadt, 

Institut für Angewandte Physik (IAP) 

Prof. Dr. Edgar Voges 

Universität Dortmund, Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik 

Prof. Dr. Horst Weber 

ehem. Technische Universität Berlin, 

Fakultät II - Optisches Institut 

59

LANDESSTIFTUNG 

Baden-Württemberg gGmbH 

Richard-Wagner-Straße 51 

70184 Stuttgart 

Telefon: +49(0)7 11.24 84 76 – 0 

Telefax: +49(0)7 11.24 84 76 – 50 

info@landesstiftung-bw.de 

www.landesstiftung-bw.de 

Die gemeinnützige Landesstiftung 

Baden-Württemberg ist die einzige 

bedeutende Stiftung, die in außergewöhnlicher 

Themenbreite dauerhaft, 

unparteiisch und ausschließlich in 

die Zukunft Baden-Württembergs 

investiert – und damit in die Zukunft 

seiner Bürgerinnen und Bürger.

forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?