Laserprojektion Ein Spiegel bringt es auf den Punkt

Miniaturisierte Laserprojektionssysteme sind derzeit Gegenstand der Forschung und Entwicklung für unterschiedlichste Anwendungen. Getrieben wird der technische Fortschritt vom möglichen Einsatz in...

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Schulz-Electronic GmbH

Vishay Intertechnology, Inc. C/- Vishay Europe Sales GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Fraunhofer-Inst. für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Laserprojektionssysteme sind derzeit Gegenstand der Forschung und Entwicklung für unterschiedlichste Anwendungen. Getrieben wird der technische Fortschritt vom möglichen Einsatz in mobilen Geräten für Infotainment oder in der Automobiltechnik. Doch auch Anwendungen in der Industrie können von diesen Entwicklungen profitieren. Das Kernstück der neuen Projektionssysteme ist dabei ein Mikroscanner-Spiegel, der die Laserstrahlen so schnell lenkt, dass die einzelnen Punkte als ganzes Bild erscheinen.Miniaturisierte Laserprojektionssysteme sind derzeit Gegenstand der Forschung und Entwicklung für unterschiedlichste Anwendungen. Getrieben wird der technische Fortschritt vom möglichen Einsatz in mobilen Geräten für Infotainment oder in der Automobiltechnik. Doch auch Anwendungen in der Industrie können von diesen Entwicklungen profitieren. Das Kernstück der neuen Projektionssysteme ist dabei ein Mikroscanner-Spiegel, der die Laserstrahlen so schnell lenkt, dass die einzelnen Punkte als ganzes Bild erscheinen.Heutige Projektionssysteme basieren auf LCDs oder der so genannten DLP-(Digital-Light-Processing-) Technologie von Texas Instruments. Beiden Ansätzen ist gemeinsam, dass sie starke Lichtquellen benötigen, die mit hoher thermischer Verlustleistung einhergehen. Zudem wird generell eine Fokussieroptik benötigt. Beides spricht gegen eine weitere Miniaturisierung von derartigen Projektionssystemen. Laser als Lichtquellen kombiniert mit neuartigen mikromechanischen Bauelementen zur Lichtablenkung wie der resonante Mikroscanner-Spiegel des Fraunhofer IPMS versprechen, diese Nachteile zu überwinden. Hierbei entsteht das projizierte Bild oder Muster durch Ablenkung des Laserstrahls mittels Mikroscanner-Spiegel und gleichzeitiger Helligkeitsmodulation des Lasers. Die einzelnen Bildpunkte werden so nacheinander auf der Projektionsfläche erzeugt, jedoch mit einer Scanfrequenz, die einen stabilen Bildeindruck beim Betrachter hinterlässt. Weiterer Vorteil: Auf Optiken zur Fokussierung kann verzichtet werden, es wird eine fast unbegrenzte Schärfentiefe erzielt.Die vom Fraunhofer IPMS entwickelten miniaturisierten Projektionssysteme erlauben bislang eine monochromatische Bildprojektion mit einer geometrischen Auflösung von 640 × 480 Bildpunkten (VGA), 256 Helligkeitsstufen je Bildpunkt und 50 Hz Bildwiederholrate. Sie setzen sich zusammen aus dem möglichst stark miniaturisierten Projektionskopf und einer abgesetzten Signalverarbeitungseinheit. Je nach Farbe des verwendeten Laserlichts ist die Laserquelle in dem Projektionskopf integriert oder extern per Glasfaserkabel angebunden. Die Signalverarbeitungseinheit steuert synchronisiert den Mikroscanner-Spiegel und die Modulation des Lasers an. Wegen der hohen Stabilität der Spiegelschwingung muss die Spiegelposition nicht bestimmt werden und das Gesamtsystem lässt sich im Open-Loop-Modus betreiben.Schlüsselelement für den Projektionskopf ist der resonant schwingende zweidimensionale Mikroscanner-Spiegel (Bild 1 - siehe Heftseite). Eine zentrale Spiegelplatte ist mit zwei Torsionsfedern an einem inneren Rahmen aufgehängt. An den beiden anderen Seiten dienen kammartige Strukturen zwischen Spiegel und Rahmen als Antriebselektroden des Spiegels. Liegt eine Spannung an, wird der Spiegel in die Nulllage gezogen. Nach Abschalten der Spannung schwingt er frei weiter, bis er am Umkehrpunkt durch erneutes Einschalten der Spannung wieder zurück beschleunigt wird. Wegen des geringen Abstands zwischen den beiden Elektroden genügen vergleichsweise geringe Spannungen, um die Bewegung des Spiegels aufrecht zu erhalten. Dieses Antriebsprinzip lässt sich auch für den inneren Rahmen anwenden. Der Laserstrahl beschreibt eine Lissajous-Figur, die alle Bildpunkte erreichtDieser ist über zwei weitere Torsionsfedern senkrecht zum ersten Paar mit einem äußeren festen Rahmen verbunden. Damit wird eine kardanische Aufhängung der Spiegelplatte erreicht, die unabhängig um zwei Achsen schwingen kann. Ein auf den Spiegel gerichteter Laserstrahl beschreibt auf der Projektionsfläche demnach eine Lissajous-Figur (Bild 2 - siehe Heftseite), die für eine Bildprojektion geschlossen und stabil sein muss sowie alle Bildpunkte zu erreichen hat. Die Scanfrequenzen des Spiegels sind entsprechend zu wählen.Der Scannerspiegel-Chip wird in einer CMOS-kompatiblen Technologie aus monokristallinen Silizium-Wafern am Fraunhofer IPMS gefertigt. Die fertigungsreife Technologie wird bereits für die Kleinserienproduktion von Mikroscannern für Barcodelesegeräte eingesetzt. Die Reflektivität der Spiegelplatte wird durch eine Aluminium-Verspiegelung auf ca. 90% erhöht. Die Spiegeldimensionen reichen von 0,5 mm × 0,5 mm bis zu 3 mm × 3 mm, bei Ablenkwinkeln von 60° optisch und einer Spannung von 20 V an den Elektroden. Der Chip weist eine hohe mechanische Robustheit auf und eignet sich für mobile Handheld-Applikationen. Tests zur Schockfestigkeit haben gezeigt, dass selbst Beschleunigungen von 7000 G den Scannerspiegel nicht beschädigen. Außerdem wurde auch nach 1010 Schwingungsperioden keine Änderung der Resonanzfrequenz festgestellt.Grüne Laserdioden sind noch nicht klein genugElektrisch modulierbare grüne Lasermodule sind weiterhin Stand der Forschung und liegen daher noch nicht in hinreichend kleinen Bauformen vor, welche die Integration in den Projektionskopf zusammen mit dem Scannerspiegel rechtfertigen würde. Zunächst wurde hier ein Projektionskopf mit Abmaßen von 23 mm × 23 mm × 27,5 mm entwickelt, der den Spiegel, eine Kollimationsoptik sowie eine FC-Glasfaserankopplung aufnimmt (Bild 3 - siehe Heftseite). Anstelle einer Glasfaserkopplung lässt sich der Laser inklusive Optik zur Anpassung des Strahlquerschnitts und Modulationselektronik direkt mit dem Projektionskopf koppeln. Der Mikroscanner-Spiegel erreicht hier Schwingungsamplituden von 10° für die schnelle Achse mit einer Scanfrequenz von 28 kHz und 12° für die langsame Achse mit einer Frequenz von 2,5 kHz bei einer Antriebsspannung von 70 V. Diese Werte erlauben die Projektion von Bildern und Mustern mit VGA-Auflösung.Für den Fall einer Bildprojektion mit einer roten Laserdiode kann der Projektionskopf wesentlich kleiner gestaltet werden, da für diese Wellenlänge miniaturisierte Laserdioden zur Verfügung stehen. Bild 4 (siehe Heftseite) zeigt einen in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) entwickelten Kopf, der sowohl Laserquelle und Optik als auch den Mikroscanner-Spiegel aufnimmt. Er hat eine Größe von 17 mm × 7 mm × 5 mm. Ein von ihm projiziertes Bild zeigt Bild 5 (siehe Heftseite).Applikationen für miniaturisierte Projektionssysteme in der industriellen optischen Messtechnik bzw. Sensorik finden sich in der strukturierten Beleuchtung. Gegenüber klassischen Ansätzen lassen sich sehr kompakte, maschinenintegrierbare und störunempfindliche Lösungen realisieren. In der optischen Messtechnik wird mittels des Projektionssystems eine Sequenz unterschiedlicher Lichtmuster als Metrik auf das zu vermessende Objekt projiziert und mit einer Kamera beobachtet. Die Auswertung der Lichtmuster erfolgt mit Phasenauswerteverfahren, deren Endergebnis das 3D-Bild der Objektoberfläche liefert. Kernbestandteil derartiger Messsysteme ist somit die Projektionseinheit. Da keine Projektionsoptik erforderlich ist und dadurch keine Begrenzungen bei der Schärfentiefe auftreten, ist erstmals die Vermessung realer 3D-Strukturen ohne Tiefenbegrenzung möglich.

Dr. Harald Schenk ist stellvertretender Institutsleiter, Geschäftsfeldleiter MSD Micro Scanner Devices, Dr. Michael Scholles ist Geschäftsfeldleiter SAS Sensor and Actuator Systems am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden

Dr. Harald Schenk ist stellvertretender Institutsleiter, Geschäftsfeldleiter MSD Micro Scanner Devices, Dr. Michael Scholles ist Geschäftsfeldleiter SAS Sensor and Actuator Systems am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden.

Dr. Harald Schenk, Dr. Michael Scholles

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