Optische Mikrosysteme für hochauflösende Lichtsteuerung

Die am Institut entwickelten Flächenlichtmodulatoren bestehen aus Arrays von Mikrospiegeln auf Halbleiterchips, wobei die Anzahl der Spiegel je nach Anwendung von einigen hundert bis zu mehreren Millionen variiert. Dies erfordert in den meisten Fällen eine hochintegrierte anwendungsspezifische elektronische Schaltung als Basis für die Bauteilarchitektur, um eine individuelle analoge Auslenkung jedes Mikrospiegels zu ermöglichen. Das Institut entwickelt auch die Elektronik und Software zur Steuerung des Spiegelarrays. Die einzelnen Spiegel können je nach Anwendung gekippt oder vertikal ausgelenkt werden, so dass ein Oberflächenmuster entsteht, um z. B. definierte Strukturen abzubilden.

Einsatz von Kippspiegel-Arrays

Hochauflösende Kippspiegel-Arrays mit bis zu 2,2 Mio. Einzelspiegeln lassen sich als dynamische programmierbare Masken für die optische Mikrolithographie im ultravioletten Spektralbereich einsetzen. Die Spiegelabmessungen sind 10 μm oder größer. Durch Kippen der Mikrospiegel wird die Strukturinformation mit hoher Bildrate auf einen hochauflösenden Fotoresist übertragen. Weitere Einsatzgebiete sind die Halbleiterinspektion und Messtechnik sowie perspektivisch Laserdruck, Markierung und Materialbearbeitung.

Einsatz von Senkspiegel-Arrays

Spiegelarray mit einer Million Einzelspiegeln; Bild: Fraunhofer IPMSSenkspiegel-Arrays können zum Beispiel zur Wellenfrontkontrolle in adaptiven optischen Systemen eingesetzt werden. Diese Systeme können Wellenfrontstörungen in weiten Spektralbereichen korrigieren und dadurch die Bildqualität verbessern. Im Vergleich zu alternativen flüssigkristallbasierten Technologien ermöglichen Mikrospiegel deutlich höhere Modulationsfrequenzen. Die Fähigkeiten der Bauteile finden besonderes Interesse in den Bereichen Holografie, Astronomie und Mikroskopie sowie in der räumlichen und zeitlichen Laserstrahl- und Pulsformung.

Aktuelle Entwicklungsprojekte

Eine Entwicklung des Instituts ist ein CMOS-integriertes Mikrospiegel-Array mit zwei Kippachsen pro Spiegel und einer zugehörigen Technologieplattform. Das Bauelement besteht aus 512 x 320 einzeln adressierbaren Spiegeln mit 48 μm Pixelgröße. Das optische Funktionsprinzip beruht auf einer ortsaufgelösten Umverteilung des Lichts. Dies kann zur Umlenkung von Lichtstrahlen bzw. zur Erzeugung und Steuerung von 2D-Intensitätsprofilen und Mustern mit variabler Intensität genutzt werden. Da anstelle einer Maskierung eine Lichtumverteilung stattfindet, ist eine höhere Lichtausbeute möglich. Diese Innovation eröffnet neue Möglichkeiten u. a. in der Halbleiterindustrie, in der Mikroskopie, insbesondere für biomedizinische Anwendungen sowie bei der Lasermaterialbearbeitung.

Eine weitere Entwicklung des Instituts ist ein Matrix-Bauelement mit etwa einer Million Mikrospiegeln mit einer optisch aktiven Fläche von 33 × 8 mm². Die Matrix lässt sich mit einer Frequenz von 2 kHz umprogrammieren, wobei jeder torsionsgelagerte Mikrospiegel mit einer individuellen Auslenkung versehen wird. Ausgehend von dieser Bauelementkonfiguration können anwendungsspezifisch Kundenbedürfnisse für Weiterentwicklungen berücksichtigt werden. Für die Erforschung neuer Anwendungen steht ein Customer-Evaluation-Kit zur Verfügung. Das Kit besteht aus einer Matrix mit 256 x 256 Einzelspiegeln (64 k), einer Ansteuerelektronik und Software. Zurzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, auf der 64k-Plattform auch Senkspiegel zu implementieren.