Englische Übersetzung des Titels: Investigation of diffractive lenses with overlapping apertures in simulation and application

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Abstract

In dieser Arbeit werden das Konzept und potenzielle Anwendungen diffraktiver Linsen mit überlappenden Aperturen vorgestellt. Die herausragende Eigenschaft dieser Linsenarrays ist, dass die Fokusgröße unabhängig vom lateralen Abstand der Foki in der Fokalebene ist. Skalare Methoden zum Design der Mikrolinsenarrays werden beschrieben, die neben der Erzeugung einfacher punktförmiger und ringförmiger Foki auch die Erzeugung von komplexen Fokalgeometrien ermöglichen. Anhand skalarer wellenoptischer Simulationen werden die Eigenschaften der diffraktiven Linsen mit überlappenden Aperturen untersucht sowie Abweichungen von der idealen Struktur analysiert und quantifiziert. Die Simulationen zweier binärer diffraktiver Linsenarrays mit hohen numerischen Aperturen und integrierter Deckglaskorrektur sowie großem Überlappfaktor werden experimentell bestätigt. Des Weiteren werden Beispielanwendungen aufgezeigt, die von diffraktiven Linsen mit überlappenden Aperturen profitieren, wie z. B. das parallel scannende Mikroskop. Hier ermöglichen diffraktive Linsen mit überlappenden Aperturen gleichzeitig ein großes Sichtfeld, eine hohe Auflösung und einen großen Arbeitsabstand. Experimentell wird ein Demonstrator realisiert, der mit einem maximalen Sichtfeld von ca. 900 μm × 1200 μm und einem Arbeitsabstand von 2 mm Strukturen bis zu 450 nm auflöst. Außerdem wird mit rigorosen Simulation überprüft, inwieweit die skalare Simulation und das skalare Design valide sind. Selbst bei einer hohen numerischen Apertur von 0,9 erzeugen skalar designte Linsenarrays stark lokalisierte Foki.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

In this thesis, the concept of diffractive lenses with overlapping apertures and its potential applications are investigated. The outstanding feature of these lens arrays is that the focal dimension and the focal distance can be chosen independently of each other. Scalar design methods are presented and extended to create point-shaped, ring-shaped or arbitrary complex focal arrays. Based on scalar simulations, the characteristic features are analysed and deviations from the ideal structures are quantized. The simulations of binary phase-only diffractive lenses with overlapping apertures and integrated cover slip correction are verified experimentally for two high numerical aperture lens arrays with high overlap factors. Applications like the parallel scanning microscope benefit from the latter, where a high resolution, a large field of view and a large working distance become feasible at the same time. An experimental demonstrator with 2 mm working distance and a 900 μm × 1200 μm field of view is realized, which is capable of resolving feature sizes of about 450 nm. Furthermore, the limits of the scalar design and simulation methods are compared to the results of rigorous simulations applying rigorous coupled-wave analysis. Even for high numerical apertures up to 0.9, the scalar design method still produces diffractive lens arrays with highly localised foci.