Optatec 2012

Dresden, /

Aufbau und Funktionsweise eines Zeilenlichtmodulators
Komplexe Drahtbondung eines Zeilenlichtmodulators

22.-25. Mai 2012 in Frankfurt

Fraunhofer Gemeinschaftsstand Halle 3, Stand Nr. D 50

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS führt kundenspezifische Entwicklungen in den Bereichen optische Mikrosysteme 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 in Pilotserien gefertigt werden. Etwa 200 Wissenschaftler arbeiten mit modernstem Equipment an Projekten auf den Gebieten Flächenlichtmodulatoren, Mikroscanner, Sensor- und Aktuatorsysteme und drahtlose Mikrosysteme.

Auf der Optatec 2012 präsentiert das Fraunhofer IPMS zum einen Scannerspiegel mit sehr großer Apertur für die optische 3D-Vermessung sowie lineare Scannerspiegel u. a. für eine Applikation in der Raumüberwachung. Zum anderen wird erstmals ein neuartiger elektrooptischer Multiplexer basierend auf elektroaktiven Polymeren gezeigt, mit dem Licht zwischen Glasfasern geschaltet werden kann und der somit für den Einsatz in der Telekommunikation prädestiniert ist. Des weiteren wird als Systemlösung ein 3D-Fluoreszenz-Mikroskop ausgestellt, das auf einem Scannerspiegel basiert und für dessen Realisierung weitere Kompetenzen des Fraunhofer IPMS wie Optikdesign, Elektronikentwicklung und Softwaredesign erforderlich waren. Zentrales Exponat wird ein Mikrospiegelbasierter Zeilenlichtmodulator sein.

Mikrospiegelbasierter Zeilenlichtmodulator

Lichtmodulatoren lenken gezielt Laserlicht ab und werden in einer Vielzahl von Einsatzgebieten benötigt, wie beispielsweise der Digitalen Druckplattenbelichtung (CTP: Computer To Plate), in der Leiterplattenbelichtung (LDI: Laser Direct Imaging), Waferlevel Interconnect, Holografie, bei der Materialmarkierung und Materialbearbeitung, im Fälschungsschutz und zur LASER-Sinterung von 3D-Formen.

In zweidimensionalen Lichtmodulatoren sind die lichtmodulierenden Elemente, wie beispielweise LCDs und Mikrospiegel, in Form eines Rechtecks angeordnet. In dieses Rechteck wird die Bildinformation, die abgebildet werden soll, flächig eingeschrieben und mit einem Lichtblitz auf das entsprechende Substrat abgebildet. Bei Zeilenmodulatoren erfolgt das Einschreiben und Abbilden der Bildinformation kontinuierlich.

Laserlicht kann je nach Anwendungszweck gepulst oder als Dauerlicht eingesetzt werden. Für gepulste Lichtquellen (z. B. Excimerlaser) haben zweidimensionale Lichtmodulatoren Vorteile. In Systemen mit Dauerlichtquellen (bzw. Kurzpulslasern) sind diese Lichtmodulatoren hingegen nicht einsetzbar.

Zeilenlichtmodulatoren werden direkt angesteuert. Sie haben keinen CMOS-Schaltkreis unter den einzelnen Mikrospiegeln und eignen sich daher auch besonders gut für Dauerlichtquellen. Zur Erzielung eines mit zweidimensionalen Lichtmodulatoren vergleichbaren Durchsatzes muss der Zeilenlichtmodulator bei in Summe weniger Modulationselementen eine entsprechend höhere Geschwindigkeit des Einzelelements aufweisen. Hier bieten Mikrospiegel gegenüber flüssigkristallbasierten Elementen wie LCD (Liquid Crystal Display) und LCoS (Liquid Crystal on Silicon) den Vorteil der deutlich höheren Schaltgeschwindigkeit und sind sogar bis in den tiefen UV-Wellenlängenbereich einsetzbar.

Aufbau und Funktionsweise

Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS haben nun einen Zeilenlichtmodulator bestehend aus einer langgestreckten, rechteckigen Anordnung von einzelnen Mikrospiegeln entwickelt. Alle Mikrospiegel in einer Spalte werden zusammengefasst und gleichzeitig ausgelenkt. Diese Spalte (sog. Metapixel) reagiert entsprechend wie ein einziges großes Pixel mit großem Seitenverhältnis (langgestrecktes Rechteck). So ist die Verteilung des Lichts entlang einer Achse über im Prinzip beliebige Ausdehnungen möglich und führt damit zu einer Reduzierung der Energiedichte auf der Oberfläche des Lichtmodulators. Dies ist insbesondere in Anwendungen mit hoher Laserleistung wichtig.

Diese Metapixel sind entlang der Zeilenrichtung angeordnet und erfahren jeweils individuelle Auslenkungen. Bei entsprechender Strahlführung wird basierend auf einem wellenoptischen Abbildungsprinzip und entsprechender Filterung die Helligkeit eines Punktes kontinuierlich mit der Auslenkung des Metapixels eingestellt. Die Bildpunkte der Metapixel ordnen sich dabei entlang einer Linie an. Zur Erzeugung eines flächigen Bildes wird diese Linie quer zu ihrer Ausdehnung abgebildet und die nächste Bildinformation kann in die Zeile programmiert, der Laserstrahl entsprechend abgelenkt und das Bild als Linie wieder abgebildet werden.