Entwurf und Erzeugung neuartiger diffraktiver Optiken durch die Mikrostrukturierung von Kontaktlinsenoberflächen

Spors, Frank

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten zur Herstellung von diffraktiven optischen Elementen, Fresnelsche Zonenplatten und Photonensieben auf Kontaktlinsenoberflächen zum Ausgleich von Sehfehlern des menschlichen Auges untersucht. Dabei wird beschrieben, inwieweit sich die Elektronenstrahllithographie zur Applikation dieser Optiken auf entsprechende Trägermedien eignet. Da formstabile Kontaktlinsen eine besonders gute und sichere Anwendung am menschlichen Auge ermöglichen, wurden diese als Testmedien verwendet. Ein fundamental neuer Ansatz ist, die von Kipp et al entwickelte Photonensiebtechnologie für die Anwendung als Korrektionssystem nutzbar zu machen. Da sich die Technik bei der Fokussierung von Röntgenstrahlung als optisch überlegen herausgestellt hat, liegt der Gedanke nahe, dass dies auch unter normalen Bedingungen im polychromatischen Tageslicht der Fall ist. Diese Arbeit verbindet die Anwendung von Dünnfilm- und Lithographietechniken mit der Berechnung neuer physikalisch-optischer Zonenplatten- und Photonensiebtechnologie im Zusammenspiel mit physiologisch-optischen Parametern des menschlichen Auges und somit die Gebiete Materialwissenschaft, Physik und Optometrie. Die Anwendung der Elektronenstrahllithographie zur Erzeugung diffraktiver optischer Elemente auf Kontaktlinsen stellt ein Novum dar. In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit sich das Verfahren zur Fertigung individueller Kontaktlinsen eignet. Dazu werden die verschiedenen Anwendungsbereiche definiert und die erforderliche Genauigkeit der optischen Elemente zum Ausgleich menschlicher Sehfehler definiert. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei große Teile. Im ersten Teil werden die anatomischen und physiologischen Zusammenhänge des komplexen visuellen Systems betrachtet. Der zweite Teil befasst sich mit den physikalisch-optischen Ableitungen von Korrektionsmitteln und fertigungstechnischen Besonderheiten der Elektronenstrahllithographie. Der dritte Teil ist der Kernteil der Arbeit und befasst sich mit Berechnungen diffraktiver optischer Elemente, der experimentellen Fertigung dieser auf flachen Substraten und formstabilen Kontaktlinsen mittels Elektronenstrahllithographie, sowie der Bewertung der optischen Eigenschaften der somit erzeugten optischen Systeme. Zur Berechnung werden realistische Daten und Anforderungen des menschlichen Sehsystems verwendet. Die experimentelle Fertigung diffraktiver optischer Elemente, insbesondere die Schreibfeldgröße, wurde maßgeblich durch die technische Ausstattung zur Durchführung der Elektronenstrahllithographie bestimmt. Daher wurde die Berechnung der Größe und optischen Parameter der applizierten Zonenplatten- und Photonensiebstrukturen diesen Gegebenheiten angepasst. Geeignete Beschichtungsmaterialien wurden in Form von Chrom, für flache Substrate, und Gold, für Kontaktlinsen, angewendet. Einige fertigungstechnische Probleme, wie die Oberflächenaufladung der Kontaktlinsen, mussten überwunden werden. Zur Aufnahme der Kontaktlinsen wurde ein spezieller Probenhalter konstruiert und eingesetzt. Alternativ werden ebenfalls die UV-Lithographie und die Applikation von Lack mittels Tampondruck als Verfahren zur Erzeugung diffraktiver optischer Elemente auf ihre Eignung hin betrachtet. Abgeschlossen wird diese Arbeit mit der Diskussion der Ergebnisse und dem Ausblick für eine Anwendung der Elektronenstrahllithographie zur Herstellung von Muttermasken für die vergleichsweise schnelle und preisgünstige Herstellung von multifokalen formstabilen Kontaktlinsen im Pressschmelzverfahren und Weichlinsen im Cast-Moulding Verfahren, bzw. mit der Light-Stream-Technologie.

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Spors, Frank: Entwurf und Erzeugung neuartiger diffraktiver Optiken durch die Mikrostrukturierung von Kontaktlinsenoberflächen.

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