OPTATEC 2008

Dresden, / 29.5.2008

vom 17. - 20. Juni 2008 in Frankfurt a. M.

Gemeinschaftsstand der Fraunhofer Gesellschaft
Halle 3 Stand D53

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 240 Wissenschaftler arbeiten mit modernstem Equipment an Projekten auf den Gebieten Sensor- und Aktuatorsysteme, Mikroscanner, Flächenlichtmodulatoren, Lifetronics und Organische Materialien und Systeme.

Auf der OPTATEC 2008 (Halle 3, Stand D53) stellt das Fraunhofer IPMS Exponate zu folgenden Themen aus:

1. MEMS Adaptive Optik Demonstrator zur optischen 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 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. Neigungskompensierte Laserprojektionseinheit integriert in ein Handy

Das Fraunhofer IPMS zeigt ein miniaturisiertes Laserprojektionsdisplay, dessen optische Teile in ein Mobiltelefon integriert sind. Das System basiert auf dem zweidimensionalen Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS. Es setzt sich aus einem ultrakompakten Projektionsmodul und einer abgesetzten Laser- und Signalverarbeitungseinheit 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 entwickelten ultrakompakten Projektionsmodule umgehen durch die Nutzung des eigenen Mikroscannerspiegels 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 thermischer Verlustleistung einerseits und hohem Energieverbrauch andererseits einher gehen. Der am Fraunhofer IPMS verfügbare 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. Unabhängig von der eigentlichen Projektortechnologie ist ein weiteres Problem zu lösen: Die unvermeidbare Bewegung des Geräts in der Hand des Benutzers wird die Bildqualität deutlich negativ beeinflussen. Jedes Objekt hat sechs Freiheitsgrade, drei translatorische und drei rotatorische. Erstere bewirken relativ langsame Positionsänderungen, die vom menschlichen Auge gut kompensiert werden können. Schwieriger sind Rotationen, hervorgerufen durch unwillkürliche Bewegungen der Hand. Diese werden im Exponat elektronisch kompensiert, indem Inertialsensorik die Bewegungen erfaßt und an die Signalverarbeitungseinheit weiterleitet. Darüber hinaus kann diese Funktion aktiv genutzt werden, um über bewußte Bewegungen das Gerät oder den Bildinhalt zu steuern.

3. MEMS Spatial Light Modulator Demonstrator

MEMS-Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) werden eingesetzt, um die gesamte Querschnittsfläche eines Lichtstrahls ortsaufgelöst zu modulieren. Hierzu wird mit MEMS-Dünnschichttechnologie ein Array von Mikrospiegeln auf ein CMOS-Substrat aufgebracht. Die Spiegel können einzeln adressiert und ausgelenkt werden, um die Intensität oder Phase je eines Bildpunkts (Pixel) zu beeinflussen. Die Einsatzgebiete von SLMs reichen von Video-Projektion 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 Grauwerte zu schreiben. Diese Fähigkeit wird beispielsweise in den Maskenbelichtern der Firma Micronic Laser Systems AB dazu genutzt, um Strukturen auf einem deutlich feineren 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-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 Bereiche, 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 Lichtstrahl, der über Linsen und Spiegel auf den SLM geleitet wird. Der vom SLM reflektierte und modulierte Strahl wird in eine Kamera projiziert, die das in den SLM programmierte Bild sichtbar macht.

4. Scanning Photon Mikroskop auf Basis von 2D MEMS Scannerspiegeln

Laser Scanning Mikroskopie ist ein etabliertes bildgebendes Verfahren für unterschiedliche Anwendungsfelder. Die zu erfassenden Objekte werden von einem fokussierten Laserstrahl abgerastert und das von der Probenoberfläche gestreute Licht wird durch einen passend montierten Detektor wieder erfasst. Derzeit auf dem Markt verfügbare Systeme sind jedoch sehr voluminös und kostenintensiv. Damit sind ihre Einsatzmöglichkeiten stark eingeschränkt. Einen möglichen Ausweg zeigt das Fraunhofer IPMS mit seinem Scanning Photon Mikroskop. Es funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, nutzt zur Lichtablenkung jedoch einen am Institut entwickelten zweidimensionalen resonanten Mikroscannerspiegel. Aus dessen minimalen Abmessungen (4 x 3 mm²) ergeben sich weitreichende Möglichkeiten der Miniaturisierung. Der gezeigte Demonstrator der Größe 4 x 10 x 20 cm nimmt Bilder mit einer Größe von 1000 x 1000 Bildpunkten bei einer Auflösung von 10 µm pro Bildpunkt auf, das Bildfeld beträgt somit 1 x 1 cm. Durch Veränderungen des optischen Aufbaus ist eine weitere Steigerung der Leistungsparameter möglich. Besonders interessant für zukünftige Anwendungen ist die Möglichkeit, durch die Auswahl der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts in der Probe Prozesse anzuregen, beispielsweise Fluoreszenz, und diese wellenlängenspezifisch auszuwerten. Potenzielle Anwendungsfelder sind die zerstörungsfreie Prüftechnik, beispielsweise zur Detektion von Mikrorissen, oder die Biotechnologie. Die Messung ist sowohl im Hellfeld als auch im Dunkelfeld möglich.

5. OLED-on-CMOS-Integration für sensorische Anwendungen

Organische Leuchtdioden (OLEDs) erlauben neben dem Standard-Substratmaterial Glas die Integration in verschiedene anwendungsspezifische Untergründe, z. B. auf Silizium-Wafer. Insbesondere in Verbindung mit Silizium-CMOS-Schaltungstechnik (OLED-on-CMOS) können ihre Vorteile wie Leuchtdichte, Effizienz, niedrige Betriebsspannung, spektrale Charakteristik neben der herkömmlichen Anwendung in kleinen und mittelgroßen Displays gänzlich neue und alternative Applikationen bedienen. Dies ergibt sich insbesondere aus den Möglichkeiten der integrierten CMOS-Schaltungstechnik hinsichtlich verschiedener Sensor-Bauelemente (z. B. Photodetektoren), die mittels OLED-on-CMOS-Technologie erstmals durch effiziente und stabile Lichtemitter auf dem CMOS-Chip ergänzt werden können, sowie der CMOS-basierten Ansteuerung und Signalverarbeitung. Dabei läßt sich der Lichtemitter platzsparend oberhalb der CMOS-Elektronik anordnen, benötigt also keine zusätzliche Chipfläche. Diese Kombination ermöglicht hochentwickelte Bauelemente und deren Anwendung: OLED-Mikrodisplays (auf CMOS-Untergrund) mit integriertem Bildempfänger oder optoelektronische Sensoren mit integrierter Lichtquelle. Dieser Thematik widmet sich das Fraunhofer IPMS seit einiger Zeit und hat zwischenzeitlich verschiedene Technologie-Demonstratoren vorgestellt. Auf der OPTATEC 2008 zeigt Fraunhofer IPMS einen Reflex-Lichtschranken-Sensor, bei dem die erforderliche Lichtquelle mit auf dem CMOS-Sensorchip integriert ist. Die damit verbundene Reduzierung des Aufwands hinsichtlich Aufbau- und Verbindungstechnik erlaubt den Einsatz derartiger Bauelemente in zahlreichen Anwendungsfeldern, von Lichtschranken über Optokoppler und optischen Sensoren für Chemie, Medizin und Life Science bis hin zur optischen Kommunikation.