SURPRISE – Flächenlichtmodulatoren für Weltraumanwendungen

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Erdbeobachtungsdaten werden immer wichtiger für unser Verständnis des Planeten und für die Bewältigung sozio-ökologischer Herausforderungen – beispielsweise im Bereich der Umweltüberwachung. Derzeit sind die Methoden für die Datenerfassung und -verarbeitung aus dem Weltall durch lange Aufnahmezeiten (bis zu mehrere Tage pro Messung), eine geringe räumliche Auflösung (ca. 1 km) sowie den nutzbaren Spektralbereich (vor allem im Sichtbaren) begrenzt. Neuartige Kamerasysteme auf Basis von Flächenlichtmodulatoren können hier Abhilfe schaffen, welche innerhalb des EU-Projekts SURPRISE erstmalig realisiert und getestet werden. Das Fraunhofer IPMS trägt mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Flächenlichtmodulatoren bei und plant die Entwicklung eines weltraumtauglichen Flächenlichtmodulators.

Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung eines Demonstrators. Kernparameter sind der spektral breitbandige Arbeitsbereich – im sichtbaren (VIS), im nahen Infrarot (NIR) und im mittleren Infrarot (MIR) – verbesserte Leistung in Bezug auf die Auflösung am Boden sowie eine innovative Datenverarbeitungs- und Verschlüsselungsfunktionalität an Bord. Dafür wird die innovative Compressive Sensing (CS)-Technologie genutzt. Sie erlaubt es, ein flächiges Bild mithilfe eines Einpixeldetektors aufzunehmen. Das ist für das mittlere Infrarot besonders interessant, weil in diesem Spektralbereich keine passenden 2D-Detektoren zur Verfügung stehen. Gleichzeitig bietet CS Vorteile bei der Verarbeitung großer Datenmengen sowie eine native Datenverschlüsselung.

Die im Projekt genutzte spezielle CS-Bildaufnahmetechnik für die Erdbeobachtung erfordert besondere Komponenten. Flächenlichtmodulatoren stellen die geeignetste Lösung für diese Aufgabe dar, da variable Bildmuster mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können. Diese Muster werden mit der Beobachtungsszene überlagert und von Einzelpixeldetektoren aufgenommen. Die verwendeten Flächenlichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS bestehen aus Tausenden oder sogar Millionen von einzelnen beweglichen Spiegeln mit einer Größe von jeweils nur wenigen Mikrometern. Das Fraunhofer IPMS nutzt seine umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Lichtmodulatoren, um die beste Lösung für die speziellen Anforderungen im Projekt zu finden. Dabei sind die größten Herausforderungen die Weltraumtauglichkeit aller Komponenten sowie die Abdeckung eines breiten Spektralbereichs vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot.

Das Fraunhofer IPMS leitet die Aktivitäten im Projekt bezüglich der Flächenlichtmodulatoren. Hauptaufgaben sind die Mitarbeit an der Demonstratorentwicklung sowie die Erstellung einer Machbarkeitsstudie und Entwicklungs-Roadmap für einen ersten weltraumtauglichen Flächenmodulator (SLM), der vollständig in Europa entwickelt wurde.

Flächenlichtmodulatoren

SLM Chip, 1 M — © Fraunhofer IPMS
Flächenlichtmodulator mit einem Megapixel.

© Fraunhofer IPMS
REM-Aufnahme von 16 × 16 μm großen Mikrospiegeln.

Die am Fraunhofer IPMS 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 (ASIC) als Basis für die Bauteilarchitektur, um eine individuelle analoge Auslenkung jedes Mikrospiegels zu ermöglichen. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IPMS 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 zum Beispiel definierte Strukturen abzubilden. Hochauflösende Kippspiegelarrays mit bis zu 2,2 Millionen Einzelspiegeln werden von unseren Kunden als hochdynamische programmierbare Masken für die optische Mikrolithographie im ultravioletten Spektralbereich eingesetzt. 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.

Senkspiegel-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.