LASER 2007

Dresden, / 31.5.2007

vom 18.-21. Juni 2007 in München

Gemeinschaftsstand der Fraunhofer Gesellschaft
Halle B2 Stand 261

Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme führt kundenspezifische Entwicklungen in den Bereichen Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik durch. Es ist dabei Partner von der ersten Idee über Machbarkeitsuntersuchungen bis zur Prototypenentwicklung. Die Produkte können in der eigenen Prozesslinie entwickelt und als Pilotserie gefertigt werden. Etwa 200 Wissenschaftler arbeiten mit modernstem Equipment an Projekten auf den Gebieten Sensor- und Aktuatorsysteme, Mikroscanner, Flächenlichtmodulatoren, Lifetronics und Organische Materialien und Systeme.

Auf der LASER 2007 (Halle B2 Stand 261) stellt das Fraunhofer IPMS Exponate zu folgenden Themen aus:

1. MEMS Adaptive Optik Demonstrator zur optische Phasenmodulation und Abbildungsverbesserung

Die Hauptanwendung der Adaptiven Optik (AO) liegt in der Kompensation räumlich und zeitlich veränderlicher Wellenfront-Störungen in optischen Systemen zur Verbesserung der Abbildung durch inhomogene oder turbulente Medien. Ursprünglich zur Kompensation atmosphärischer Turbulenzen in der Astronomie entwickelt, können AO-Techniken auch zur Aberrations-Korrektur am menschlichen Auge, in der Mikroskopie oder bei der Bilderkennung im Bereich »Machine Vision« eingesetzt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Laserstrahlformung sowie in der zeitlichen Modulation ultra kurzer Laserpulse. Den Schlüsselbaustein bildet dabei die eigentliche Wellenfront-Kontroll-Einheit. MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) Mikrospiegelarrays besitzen hier einige hervorragende Eigenschaften. Durch die Möglichkeit der integrierten Halbleiterfertigung können Bauelemente mit einer sehr hohen Pixelzahl hergestellt werden, die eine außergewöhnlich hohe Ortsauflösung und damit eine verbesserte Nachbildung speziell von Wellenfront-Aberrationen höherer Ordnung erlauben. Weiterhin zeichnen sie sich durch schnelle Schaltzeiten, niedrigen Leistungsverbrauch, einen breiten Spektralbereich sowie das Fehlen von Polarisationseffekten aus. Gegenüber bisherigen makroskopischen Systemen bieten Mikrospiegel darüber hinaus das Potenzial einer deutlichen Kostenersparnis sowie der Miniaturisierung und eröffnen damit völlig neue Möglichkeiten für eine breitere kommerzielle Nutzung. Das Fraunhofer IPMS hat ein vollständiges MEMS Phase Former Kit zur Ermöglichung erster praktischer Untersuchungen in einer nutzerspezifischen Systemumgebung entwickelt. Den Kernbaustein bildet dabei ein hochauflösendens MEMS Mikrospiegelarray mit 240 x 200 Senkspiegel-Elementen und 40 µm Pixelgröße, die einen mechanischen Hub von 400 nm für eine 2π Phasenmodulation im Sichtbaren erlauben. Nutzerzugriff auf Steuerung und Programmierung wird durch eine komfortable Treiber-Software für Windows XP® basierte PCs ermöglicht, welche sowohl ein Graphisches User Interface als auch eine offene ActiveX® Programmierschnittstelle für open-loop und closed-loop Betrieb unterstützt. Zur high-speed Daten-Übertragung wird ein IEEE1394a FireWire Interface zusammen mit einem elektronischen Ansteuerboard bereitgestellt für maximale Bildraten von bis zu 500 Hz. Zur Verdeutlichung des Potenzials für die optische Abbildungskorrektur wurde ein komplettes AO Demonstratorsystem entwickelt. Der Aufbau umfaßt ein Projektionssystem, mit dem Bilder unterschiedlich komplexer Strukturen über eine integrierte adaptive Optik auf eine CCD-Kamera abgebildet werden. Wellenfrontfehler verschiedener Schweregrade werden dabei durch rotierende Phasenplatten in den Strahlengang eingebracht. Die Wellenfront-Messung erfolgt mit einem Shack-Hartmann Sensor, die Korrektur mit dem Fraunhofer IPMS Mikrospiegelarray. Zur Visualisierung können die aufgenommen Kamerabilder mit und ohne Korrektur auf eine Leinwand projiziert werden. Für eine quantitative Analyse ist auch die Ausgabe der gemessenen Wellenfrontdaten möglich.

Angesprochene Branchen sind vorwiegend optische Systementwickler und -hersteller in folgenden Bereichen:

  • Machine Vision (in-situ Prozeß-Kontrolle durch turbulente Medien)
  • Optische Mikroskopie
  • Augenheilkunde
  • Astronomie
  • Laser Pulse Shaping
  • Laser Beam Shaping
  • Diffraktive Optik (speziell optical Tweezers)

2. RGB-Laserprojektor

Das Exponat zeigt ein Vollfarb-Laserprojektionsdisplay basierend auf dem zweidimensionalen Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS. Es setzt sich aus einem ultrakompakten Projektionsmodul und einer abgesetzten Laser- und Signalverarbeitungs-Einheit zusammen. Damit wird die Projektion beliebiger Bilder und Videosequenzen mit einer geometrischen Auflösung von 640 x 480 Bildpunkten sowie 256 Helligkeitsstufen je Bildpunkt und Elementarfarbe bei einer Bildwiederholrate von 50 Hz ermöglicht. Die am Fraunhofer IPMS in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOF entwickelten ultrakompakten Projektionsmodule umgehen durch die Nutzung des eigenen Microscannerspiegels als Bauelement zur Lichtablenkung / -formung und Lasern als Lichtquelle bislang existierende Probleme für die weitere Miniaturisierung von Projektionsdisplays – wie räumlich ausgedehnte bildgebende Elemente und lichtstarke Beleuchtungsmittel, die mit hoher thermischen Verlustleistung einerseits und hohem Energieverbrauch andererseits einhergehen. Der am Fraunhofer IPMS verfügbare und vom Institut patentrechtlich geschützte resonante Mikroscannerspiegel zur Lichtablenkung bietet dabei eine ideale Ausgangsbasis für die Entwicklung von miniaturisierten Projektionsdisplays. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe mechanische Robustheit und Einfachheit in der elektrischen Ansteuerung sowie der optischen Ein- und Auskopplung aus. Neben dem Design und Herstellung dieses Bauelements liegt die Kompetenz des Instituts in der Entwicklung aller benötigten Hardware und Software zum Aufbau kompletter Projektionssysteme. Mit den Projektionsmodulen sollen Märkte wie Informationswiedergabe in persönlichen, mobilen Geräten (PDA, Laptop, Infotainment, Benutzerführung), Automobilindustrie (Fahrerassistenzsysteme, mobiles Infotainment), Medizintechnik (Erfassung biometrischer Daten, Röntgenpositionierung), Produktionstechnik (Zuschnittprojektoren für die Blech- und Kunststoffverarbeitende Industrie) und Industrielle Messtechnik (Strukturierte Beleuchtung) adressiert werden.

3. MEMS Spatial Light Modulator Demonstrator

MEMS-Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) werden eingesetzt, um die komplette Querschnittsfläche eines Lichtstrahls ortsaufgelöst zu verändern (modulieren). Hierzu wird mit MEMS-Dünnschichttechnologie ein Array von Mikrospiegeln auf ein CMOS-Substrat aufgebracht. Die Spiegel können einzeln addressiert und bewegt werden, um die Intensität oder Phase je eines Bildpunkts (Pixel) zu beeinflussen.

Die Einsatzgebiete von SLMs reichen von Projektoren (Texas Instruments DLP) über Adaptive Optik bis zu Maskenbelichtern in der Halbleiterfertigung. Anders als die in den Projektoren eingesetzten digital angesteuerten Spiegel, die abgestufte Intensitäten durch ein zeitliches Multiplexing realisieren, können die vom Fraunhofer IPMS entwickelten Spiegel analog angesteuert werden, um direkt Grautöne zu schreiben. Diese Fähigkeit wird in den Maskenbelichtern der Firma Micronic Laser Systems dazu genutzt, um Strukturen auf einem deutlich feinerem Raster als der Auflösung des Systems zu erzeugen. Die Spiegel des Fraunhofer IPMS sind für monochromatisches Licht mit Wellenlängen von 248 nm bis ca. 520 nm spezifiziert. Damit können sie nicht nur bei den in der Maskenbelichtung eingesetzten Excimerwellenlängen verwendet werden, sondern auch zur Strukturerzeugung mit den weniger aggressiven und günstigeren Lichtquellen im nahen UV- oder sogar sichtbaren Bereich. Damit bietet sich beispielsweise eine Option zur Abbildung sehr feiner Strukturen in der Leiterplattentechnologie (High Definition Interconnect / Laser Direct Imaging, HDI/LDI) an. Aber auch andere Anwendungen, in denen hohe bis höchste Auflösungen bei gleichzeitig hohem Durchsatz (bis 2 kHz Bildrate bei 1 Million Pixeln, entsprechend 2 Gpixel/s) gefordert sind, können von dieser Technologie profitieren. Der Demonstratoraufbau verdeutlicht die Funktion des SLMs; eine grüne LED erzeugt einen gepulsten Lichtstrahl, der über Linsen und Spiegel auf den SLM geleitet wird. Der SLM reflektiert das Licht je nach einprogrammierten Mustern in der nullten oder höheren Ordnungen. An einer Apertur wird der Strahl dann gefiltert: die höheren Ordnungen werden abgeblockt und nur die nullte Ordnung hindurchgelassen. Diese Strahlanteile ergeben dann das gewünschte Muster, das von einer Kamera aufgenommen auf dem Monitor gezeigt wird.