Bildbasierte Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Brechungsindex während der Aushärtung von Polymeren in der additiven Fertigung von Optiken
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Manuel Rank
Abstract
In many fields and applications a spatially resolved measurement of the refractive index is desirable. This also applies to the additive manufacturing of optical components and is especially true in the special case of photopolymerization of liquid resins by UV irradiation. The key point here is that the resulting refractive index of the optical component to be printed depends on the degree of cure of the polymer. The latter is directly related to the UV irradiance used for curing. Thus, a local variation of the irradiance can enable a local variation of the refractive index of the additively manufactured optical component. In order to set a defined refractive index distribution, it is desirable to measure the refractive index during the photopolymerization of the resin in a temporally and spatially resolved manner. In this article, a method is discussed with which this can be achieved. The basic principle is that the polymer under investigation is brought into contact with a prism and, based on the principle of total reflection at the interface between prism and polymer, the refractive index of the sample can be inferred.
Zusammenfassung
In vielen Bereichen und Anwendungen ist eine ortsaufgeöste Vermessung des Brechungsindex wünschenswert. Dies trifft auch auf die additive Fertigung von optischen Komponenten zu und gilt vor allem im speziellen Fall der Photopolymerisation von flüssigen Harzen durch UV-Bestrahlung. Der wesentliche Punkt ist hierbei, dass der sich ergebende Brechungsindex der zu druckenden optischen Komponente vom Aushärtegrad des Polymers abhängt. Letzterer steht in einem direkten Zusammenhang mit der bei der Aushärtung verwendeten UV-Bestrahlungsstärke. Somit kann also durch eine örtliche Variation der Bestrahlungsstärke eine örtliche Variation des Brechungsindex der additiv gefertigten optischen Komponente ermöglicht werden. Um nun eine definierte Brechungsindexverteilung einzustellen, ist eine zeitlich und örtlich aufgelöste Vermessung des Brechungsindex während der Photopolymerisation des Harzes wünschenswert. In diesem Artikel wird eine Methode diskutiert, mit der dies ermöglicht werden kann. Das Grundprinzip ist dabei, dass das zu untersuchende Polymer in Kontakt mit einem Prisma gebracht wird und basierend auf dem Prinzip der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Prisma und Polymer auf den Brechungsindex der Probe zurückgeschlossen werden kann.
Über die Autoren
Manuel Rank studierte Optoelektronik/Lasertechnik an der Hochschule Aalen mit einem Bachelor-Abschluss 2014 und einem Master-Abschluss (M. Sc.) 2016 im Studiengang Photonics. Im Anschluss an das Studium arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Aalen zunächst in der Arbeitsgruppe Optische Messtechnik und promovierte am Zentrum für optische Technologien der Hochschule Aalen zum Thema „Analyse optischer Eigenschaften additiv gefertigter Polymeroptiken durch Evaluierung der Aushärtekinetik fotosensitiver UV-Harze“
Prof. Dr. Andreas Heinrich erhielt 1998 sein Diplom in Physik von der Technischen Universität München bzw. promovierte 2001 in Physik an der Technischen Universität München. Von 2001 bis 2007 war er akademischer Mitarbeiter an der Universität Augsburg und habilitierte dort 2006. Im Zeitraum von 2007 bis 2013 war er bei der Firma Carl Zeiss beschäftigt, wobei er zuletzt die Abteilung Messtechnik der Zentralen Forschung der Carl Zeiss AG leitete. Im Jahr 2013 erhielt er einen Ruf auf die Professur „Optische Messtechnik und Sensorik“ an die Hochschule Aalen und leitet aktuell die Arbeitsgruppe Mikro-und Nanophotonik im Zentrum für optische Technologien an der Hochschule Aalen.
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Author contributions: All the authors have accepted responsibility for the entire content of this submitted manuscript and approved submission.
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Research funding: None declared.
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Conflict of interest statement: The authors declare no conflicts of interest regarding this article.
References
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