Lichtmodulation als Schlüsseltechnologie

Vielseitige Präzision für Industrie und Forschung

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt seit über 20 Jahren anwendungsspezifische SLMs auf Basis von Mikrospiegelarrays (Mirco mirror arrays; MMAs), welche aus bis zu mehreren Millionen Spiegeln auf einem Halbleiterchip bestehen. Die winzigen Spiegel können, je nach Spiegeltyp, individuell entlang einer oder zwei Achsen gekippt oder einzeln abgesenkt werden. Dadurch können sie Licht in seiner Richtung, Intensität oder Phase steuern und manipulieren. Sie erreichen hohe Modulationsgeschwindigkeiten bzw. Bildraten im Kilohertz-Bereich (spezielle MMA-Entwicklungen sogar im Megaherz-Bereich) und erlauben eine vielstufige, präzise und individuelle Auslenkung der einzelnen Mikrospiegel-Aktuatoren. Die Flächenlichtmodulatoren sind für verschiedenste Einsatzbereiche und für Wellenlängen vom tiefen UV bis ins nahe Infrarot geeignet und entsprechend ihrer Anwendung anpassbar. Das Institut gilt in der Entwicklung derartiger kundenspezifischer Systeme als weltweit führend.  

Flächenlichtmodulatoren mit MMAs auf der Basis von 1-Achsen-Kippspiegeln ermöglichen die strukturierte Beleuchtung von Flächen und die Erzeugung von programmierbaren Mustern. Ein wichtiges Merkmal der MMAs ist die Analogfähigkeit bei gleichzeitig hohen Bildraten. Das analoge Ansteuerprinzip ermöglicht es, dass die einzelnen Mikrospiegel jeder individuell und unabhängig von benachbarten Spiegeln eine Vielzahl exakt adressierbarer Auslenkzustände einnehmen können, was zur Erzeugung von Graustufen genutzt werden kann. Das gleiche Ansteuerprinzip erlaubt auch die präzise Platzierung von Musterkanten in der Mikrolithografie. Diese Muster werden mittels Lichtprojektion auf speziellen Fotolack übertragen und dann als exakte Strukturen ins Material eingearbeitet. Insbesondere in der Lichtmodulation im ultravioletten und tiefultravioletten Bereich verfügt das Fraunhofer IPMS über eine weitreichende Expertise. Flächenlichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS wurden hierbei in Form eines Megapixel-SLMs mit einem 2048 x 512-Array aus 16 µm 1-Achsen-Kippsiegeln, erfolgreichen High-End-Maskenschreibern der Halbleiterindustrie eingesetzt. Neben der Mikrolithografie bestehen für 1-Achsen-Kippspiegel weitere Einsatzmöglichkeiten in der strukturierten Belichtung für die Mikroskopie oder der in Erzeugung von optischen Gittern bzw. dem Einsatz als optische Schalter.   

Die 2-Achsen-Kippspiegel des Fraunhofer IPMS zerlegen das einfallende Licht in eine Vielzahl an Lichtbündeln und ermöglichen die akkurate Steuerung ihrer Richtung. Anstelle einer Maskierung findet hier eine Lichtumverteilung statt, was Verluste minimiert. Daher eignen sich die Flächenlichtmodulatoren mit 2-Achsen Kippspiegel für Anwendungen, in denen hohe Lichtintensitäten bzw. Lichtausbeuten benötigt werden, z. B. in der Materialbearbeitung durch Laser-Ablation, -gravur oder Laserschneiden. Dieser SLM-Typ besteht aus einem 3,8 cm² großen Array mit 512 x 320 einzeln adressierbaren Spiegeln mit einer Pixelgröße von 48 μm. Durch die zwei Kippachsen lassen sich die Mikrospiegel analog bis zu 3,5° in beliebige Richtungen auslenken.  

Neben den bereits vorhandenen Senkspiegelarrays arbeitet das IPMS im Rahmen des EU-Projektes RealHolo (https://realholo.eu/) an der Entwicklung eines neuen anwendungsspezifischen Senkspiegel-SLMs zur Erzeugung von holografischen 3D-Bildern, die zudem in Echtzeit veränderbar sind. Dieser neue SLM mit 8-Millionen lediglich 4 x 6 µm großen Mikrospiegeln ist eine vielversprechende Schlüsselkomponenten für echte holografische 3D-Head-up-Displays. Die hochpräzise Senkspiegeltechnologie bietet zudem Einsatzmöglichkeiten im Bereich der adaptiven Optik oder zur Erzeugung von optischen Pinzetten. Des Weiteren wird an der Anwendung für die medizinische Bildgebung mittels Mikroskopen und Endoskopen gearbeitet.   

Kundenspezifische Test- und Entwicklungsmöglichkeiten 

Um den Technologietransfer der Systeme in die Anwendung zu erleichtern, bietet das Institut seinen Kunden Evaluations-Kits mit 64k (256 x 256) Pixeln an, welche entweder als Kipp- oder Senkspiegel gewählt werden können. Das System umfasst neben dem Mikrospiegelchip selbst auch die komplette, vom Fraunhofer IPMS entwickelte Ansteuerelektronik inklusive Software und Support. Es ist zur Modulation von Licht in einem breiten spektralen Anwendungsbereich, vom UV über den sichtbaren Bereich bis ins nahe Infrarot geeignet. 

Derzeit befindet sich auch ein 512 x 320 Mikrospiegelarray mit einem neuartigen »Piston-Tip-Tilt«-Aktuatorkonzept in der Entwicklung. Damit werden sich in Zukunft neue Möglichkeiten für die Wellenfrontsteuerung bis in den mittleren Infrarot-Bereich ergeben.  

Mikrospiegelarray-Flächenlichtmodulator mit einer Million Einzelspiegel.

Interessierte Leser und Leserinnen können sich unter dem folgenden Link über die Komponenten und Systeme des Fraunhofer IPMS informieren: https://www.ipms.fraunhofer.de/de/Components-and-Systems/Components-and-Systems-Actuators/Optical-Actuators/spatial-light-modulators.html 

Die Spezialisten aus dem Bereich Spatial Light Modulators freuen sich auf weitere Partnerschaften. Sprechen Sie uns gerne an!