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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87764
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8776/


Müller, Philipp

Tunable optofluidic apertures

Durchstimmbare optofluidische Aperturen

Dokument1.pdf (28.770 KB) (md5sum: a2895beb40555d2ccc4754019b75e137)

Kurzfassung in Englisch

This thesis presents novel types of liquid-based, tunable, optical apertures for use in micro-optical systems. In these optofluidic components, an optically absorbing liquid is packaged into a transparent, microfluidic structure; controlling the position or shape of the liquid allows tuning of the spatial and spectral transmission of light, such that tunable stops, optical attenuators, and switchable filters may be defined.
In contrast to conventional mechanical aperture designs, the components presented here have no moving parts and are fabricated in parallel on wafer-level; standard micro-electro-mechanical systems (MEMS) technologies such as optical thin films and full wafer bonding with dry film resist are employed. Actuating the liquids by electrowetting-on-dielectrics (EWOD) enables compact, fully integrated, optical components, which require only moderate drive voltages (75 V), have low power consumption (<5 mW), and offer a high optical transmission and low wavefront error, as well as highly repeatable tunability with response times of the order of 1 s down to 100 ms. Due to these characteristics, the optofluidic apertures appear as versatile elements for applications such as compact imaging systems, novel types of microscopes, or machine vision.
After reviewing the important role of tunable apertures in optical systems, various microfluidic techniques for liquid control such as capillary pressure design, contact line pinning, and minimal surfaces are discussed. The current state-of-the-art know-how on EWOD is reviewed and important practical aspects, which determine the choice of suitable liquid and dielectric materials, are discussed. The developed processes for fabricating optofluidic components with high yield are presented in detail. Finally, a comprehensive experimental characterization of the optofluidic apertures compares their electrical, fluidic, and optical performance to the state-of-the-art.


Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Dissertation beschreibt neue Typen von durchstimmbaren, optischen Aperturen auf Basis von Flüssigkeiten, die für Anwendungen der Mikrooptik geeignet sind. Diese optofluidischen Komponenten verwenden eine absorbierende Flüssigkeit, welche in transparente, mikrofluidische Strukturen eingebettet ist. Durch Kontrolle der Position sowie der Form der Flüssigkeit kann die räumliche wie spektrale Transmission von Licht gesteuert werden. Dies ermöglicht durchstimmbare Blenden, optische Abschwächer sowie schaltbare Filter.
Im Gegensatz zu herkömmlichen, mechanischen Konzepten besitzen die hier vorgestellten Komponenten keinerlei bewegliche Teile und können parallel auf Wafer-Ebene hergestellt werden. Die simultane Fertigung vieler einzelner Blenden wird möglich durch Verwendung von Standard-Technologien der Mikrosystemtechnik wie optische Dünnschichten und Wafer-Bonden mit Hilfe von Trockenlacken. Die Verwendung von electrowetting-on-dielectrics (EWOD) zur Aktuierung der Flüssigkeiten erlaubt es, kompakte und hochintegrierte optische Komponenten zu erhalten. Zudem benötigen die optofluidischen Aperturen nur moderate Versorgungsspannungen (75 V), zeigen einen geringen Leistungsverbrauch (< 5mW), besitzen eine hohe Transmission sowie geringe Wellenfrontfehler und lassen sich hoch reproduzierbar durchstimmen, mit Antwortzeiten im Bereich von 1 s bis zu 100 ms. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften erscheinen die optofluidischen Aperturen als vielseitig einsetzbare Elemente, zum Beispiel in kompakten Abbildungssystemen, in neuartigen Mikroskopen oder für maschinelles Sehen.
Nach einer einführenden Erläuterung der wichtigen Rolle von durchstimmbaren Blenden in optischen Systemen, werden verschiedene mikrofluidische Techniken diskutiert, mit denen sich Flüssigkeiten auf kleinstem Raum kontrollieren lassen. Zu diesen Techniken gehören die gezielte Konstruktion von kapillaren Druckverläufen, sowie die Kontrolle der Kontaktlinie oder Oberflächengestalt einer Flüssigkeit (minimale Oberflächen). Weiter wird der derzeitige Wissenstand über EWOD detailliert dargestellt und praktische Aspekte diskutiert, welche für die Auswahl geeigneter Flüssigkeiten und dielektrischer Materialien von Bedeutung sind. Mehrere robuste Prozesse, die für eine Herstellung der optofluidischen Systeme mit hoher Ausbeute entwickelt wurden, werden im Detail präsentiert. Eine umfassende, experimentelle Charakterisierung der optofluidischen Aperturen vergleicht abschließend ihre elektrische, fluidische sowie optische Leistungsfähigkeit mit dem Stand der Technik.


SWD-Schlagwörter: Optofluidik , optische Blenden , Elektrobenetzung
Freie Schlagwörter (deutsch): Optofluidik , optische Blenden , Elektrobenetzung , Trockenlacke , Farbstoffe
Freie Schlagwörter (englisch): optofluidics , optical stops , electrowetting, dry film resist , dyes
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zappe, Hans (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.10.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 12.10.2012
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