LASER 2009

Dresden, / 30. April 2009

vom 15. - 18. Juni 2009 in München

Gemeinschaftsstand der Fraunhofer Gesellschaft,
Halle B2 Stand 421

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 LASER 2009 (Halle B2 Stand 421) stellt das Fraunhofer IPMS Exponate zu folgenden Themen aus:

1. Messender Laserprojektor

Ultra-kompakten Projektionssystemen basierend auf Lasern als Lichtquelle und Mikroscannerspiegeln zur Lichtablenkung wird ein enormes Marktpotenzial hinsichtlich des Einsatzes für Infotainment vorhergesagt, da sie sich perspektivisch in mobile Geräte integrieren lassen. Die Projektion erfolgt nach dem Flying-Spot-Prinzip: der vom zweidimensionalen Scannerspiegel reflektierte Laserstrahl beschreibt auf der Projektionsfläche eine sehr dichte Lissajous-Figur, bei der jeder Bildpunkt innerhalb der für ein Bild zur Verfügung stehenden Zeit überstrichen wird. Durch die synchrone elektrische Modulation der Laserquellen mit dem Antrieb des Scannerspiegels kann die Projektion beliebiger Bildinhalte erzielt werden. Die Vorteile derartiger Systeme kommen aber auch in der Messtechnik und in industriellen Anwendungen zum Tragen, wie der auf der Laser 2009 gezeigte Demonstrator belegt. Das System misst den sich kontinuierlich ändernden Abstand zu einem Objekt und projiziert den Messwert auf die Oberfläche des Objekts. Wegen der quasi unbegrenzten Schärfentiefe ist das projizierte Bild immer scharf. Konkrete Anwendungen von Laserprojektionssystemen in der Industrie liegen in der Montage-Unterstützung, der Augmented Reality und sonstigen Applikationen, bei denen die Darstellung von Zusatzinformation dem Anwender den Arbeitsprozess vereinfacht. Damit wird zum erstenmal ein derartiges System präsentiert, das gleichzeitig Sensorik und Bilddarstellung in sich vereint. Das Fraunhofer IPMS hat neben dem Scannerspiegel als zentralem Bauelement auch sämtliche Elektronik und Signalverarbeitung entwickelt.

2. 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.

3. Miniaturisiertes Laser Scanning Microscope

Gezeigt wird ein sehr kompaktes Laser Scanning Microscope, das auf einem am Fraunhofer IPMS entwickelten Microscannerspiegel basiert. In vielen Anwendungsbereichen ist die Lasermikroskopie eine etablierte Methode zu Untersuchung unterschiedlichster Proben. Dabei werden die zu erfassenden Objekte von einem Laserstrahl abgetastet und das mit der Probe in Wechselwirkung getretene Licht auf einen geeigneten Detektor geführt. Aus der Kenntnis der Position des Laserstrahls auf der Probe und den jeweils zugeordneten Detektorsignalen wird das Bild der Probe rekonstruiert. Für bestimmte Applikationen sind kleine robuste Geräte, die auch mobil eingesetzt werden können, wünschenswert. Hier setzt das Fraunhofer IPMS mit der Entwicklung des Laser Scanning Microscopes (LSM) an. Dieses Mikroskop funktioniert wie ein klassisches Lasermikroskop, besitzt jedoch als Kernelement einen am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel zur Ablenkung des Laserstahls. Der Prototyp des Systems weist eine Baugröße von nur 200 x 100 x 40 mm³ auf. Der optische Aufbau ist so gestaltet, dass das Licht einer Laserdiode kollimiert auf den Scannerspiegel geführt wird, danach einen Strahlteiler passiert und dann von einem telezentrischen Objektiv auf das Objektfeld fokussiert wird. Nach einer Wechselwirkung mit der Probe, z. B. einer einfachen Streuung, durchläuft das Licht das Objektiv in umgekehrter Richtung und wird über den Strahlteiler auf den Detektor geführt. Das aus 1000 x 1000 Bildpunkten bestehende Objektfeld erreicht eine Größe von 10 mm x 10 mm. Durch Auswahl geeigneter Lichtquellen und Filter vor dem Detektor sind unter anderem auch Fluoreszenzaufnahmen möglich. Durch entsprechende Blenden ist sowohl ein Betrieb im Hellfeld als auch im Dunkelfeld möglich. Das Fraunhofer IPMS hat neben dem Scannerspiegel auch den kompletten optischen Aufbau sowie die gesamte Signalverarbeitung und Bildrekonstruktion entwickelt.

4. MICROSCAN – 1D Scannermodul

MICROSCAN – Das 1D Scannermodul basiert auf der Kompetenz des Fraunhofer IPMS zur Entwicklung und Fertigung von resonanten Mikroscannerspiegeln. Das Modul soll die Lücke zwischen der Bereitstellung des nackten Chips und dem Einsatz im Zielsystem des Kunden schließen. Die Kompetenzen des Instituts Packaging, elektronische Ansteuerung und Systemdesign werden hiermit dargestellt und die schnelle Verfügbarkeit einer OEM-fähigen Lösung für ein Scansystem, angepasst an seine Erfordernisse, demonstriert. Es steht eine modulare Plattform zur Verfügung: das System kann aus teilweise vorentwickelten und aufeinander abgestimmten Komponenten anwendungsspezifisch zusammengesetzt werden. Einzelne Komponenten können sogar unter Einhaltung der Schnittstellen kundenspezifisch modifiziert werden.

Das Modul besteht aus:

  • Mikroscannerspiegel (kundenspezifisch entwickelt und gefertigt vom Fraunhofer IPMS),
  • Chipträger mit optional hermetischer Verkappung und Frontoptik,
  • Optoelektronische Sensorik für die Messung des Auslenkwinkels,
  • Treiberelektronik zur Ansteuerung und Regelung des Scanners und zur Verarbeitung der Sensorsignale einbindbar über Standard­kommunikations­schnittstelle (SPI) und I/O-Schnittstellen.

Auf der LASER 2009 wird ein beispielhaftes Modul basierend auf oben beschriebener Plattform erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt: zu sehen ist ein Mikroscannerspiegel, montiert auf einem Keramiksubstrat mit einer Glaskuppel als optische Schnittstelle, optischer Winkelsensorik und der dazugehörigen Elektronik. Ein Modulansatz für 2D Scannermodule ist in Entwicklung.