RealHolo - Mehr als das Auge fassen kann

RealHolo ist ein von der EU finanziertes Projekt zur Herstellung eines reflektierenden, mit Mikrospiegeln ausgestatteten räumlichen Lichtmodulators mit dem Ziel, "den Weg für Mainstream-Mixed-Reality-Umgebungen zu ebnen", wie es auf der Projektseite wörtlich heißt. Wenn wir jedoch die Haube öffnen und einen Blick ins Innere werfen, werden wir feststellen, dass RealHolo angesichts der bereits erreichten Spezifikationen und technischen Ziele viel mehr ist, als man auf den ersten Blick sieht.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Spezifikation und gehen dann der Frage nach, warum dieses kleine Bauteil für verschiedene interessante Anwendungen eine große Rolle spielen könnte.

1. 4000 x 2400 Pixel mit individuellen Abmessungen von 4μm x 6μm
2. Bildfrequenz > 1 kHz. Die CMOS-Backplane bietet jedoch eine Bandbreite von 200 Gbits/s
3. Ablenkungsbereich von 0 bis 350 nm.
4. Analoge Auflösung, 8 Bit
5. Neigung des Mikrospiegels < 0,1º

Was können wir also mit einer solchen Spezifikation anfangen? Sehen wir uns einige der Anwendungen an, bei denen RealHolo konkurrieren und sich möglicherweise sogar auszeichnen wird.

Laser-Direktschreib-Lithografie - Digitale Scanner

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts war die Begeisterung für die SLM-Technologie (Spatial Light Modulator) unüberhörbar. Der Branchenriese ASML, ein früher Anwender, und Micronic führten umfangreiche Projekte in diesem Bereich durch. Gleichzeitig befand sich der Markt für elektronische Bildschirme in einer Debatte: Sollte man sich auf rückprojizierende Fernsehgeräte konzentrieren oder auf LCDs setzen?

Darüber hinaus gab es einen aggressiven Vorstoß zu immer feineren Merkmalen in integrierten Schaltkreisen, um mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten. Mitte oder Ende der 2000er Jahre schwenkte die Technologie in Richtung E-Beam, insbesondere angesichts des Versprechens von Mehrstrahlsystemen zur Lösung von Kapazitätsproblemen, und das Interesse an dieser Technologie ließ nach.

Ein Jahrzehnt später scheint das Pendel wieder in Richtung optischer Direct-Write-Systeme auszuschlagen. Nikon beispielsweise arbeitet derzeit an einem System, das einen nur in der binären Phase scrollenden SLM verwendet, eine Art Hybrid zwischen dem Texas Instruments DLP und dem PLV von Silicon Light Machines. Dieses System zeichnet sich durch seine vereinfachte Beleuchtung und ein attraktiveres Betriebskostenmodell aus.

Hier kommt RealHolo ins Spiel. Was macht es für diese Anwendung so interessant? Zunächst einmal bietet RealHolo eine sehr respektable Datenbandbreite. Auch wenn es nicht mit dem Durchsatz eines ASML-Steppers mithalten kann, der 200 Wafer pro Stunde verarbeiten kann, so ist es doch ein kommerziell sinnvoller Anwendungsfall.

In Anlehnung an die Innovationen von ASML vor zwei Jahrzehnten leistete das Unternehmen Pionierarbeit mit einem Kippspiegel-SLM, der eine Maske mit alternierender Phasenverschiebung emulieren konnte. Er unterstützte auch die Grauskalierung in einem System, das eine traditionelle teilkohärente Anordnung und einen ArF-Excimer-Laser verwendete. Dieser Modulator nutzte ein beeindruckendes Mikrospiegel-Array - 11 Millionen Spiegel, die mit 6 kHz ticken - mit Plänen, mehrere solcher Arrays in eine Maschine zu integrieren. Nach damaligen Maßstäben war dies eine bahnbrechende Leistung. Heutzutage könnte ein solches Design jedoch Schwierigkeiten haben, einen vertretbaren Business Case zu finden.

Reine Phasen-SLMs bieten eine weitere Dimension. Hypothetisch könnte man zwei oder vier Spiegel zusammenfügen, um jede gewünschte Phase und Amplitude zu synthetisieren - eine Funktionalität mit unbestreitbaren Anwendungen. Für Direktschreibsysteme, die auf die theoretischen Auflösungsgrenzen abzielen und gleichzeitig die Schreibzeiten in Grenzen halten, ist die Verwendung mehrerer Mikrospiegel für ein einzelnes zusammengesetztes Pixel, die zu einer zwei- bis vierfachen Verringerung der Schreibkapazität führt, jedoch einfach inakzeptabel.

Es gibt jedoch einen Mittelweg, der die Auflösungsvorteile alternierender phasenverschiebender Masken ohne Einbußen bei der Schreibgeschwindigkeit durch Kombination von Pixeln nutzt. Bei diesem Mittelweg wird der gesamte Modulator als eine kohärente Einheit betrachtet, und der Preis, den man für all diese Vorteile zahlen muss, besteht darin, die Phasen für jeden einzelnen Spiegel zu finden, die das gewünschte Bild erzeugen. Glücklicherweise ist die kohärente Bildgebung ein lineares Problem, und obwohl die Anzahl der Variablen in der Tat groß sein kann, gibt es Lösungen, die reellwertige Bilder projizieren (d. h. eine quadratische Abhängigkeit der CD vom Fokus) und berechnet werden können, ohne auf iterative Suchmethoden zurückgreifen zu müssen, die unvorhersehbare Ergebnisse liefern können. Bei der teilkohärenten Abbildung ist das Problem nicht mehr linear und die kohärente Lösung kann nur als Ausgangspunkt für einen iterativen Ansatz dienen. Es ist jedoch von unschätzbarem Wert, einen Ausgangspunkt zu haben, der im Grenzbereich kleiner Beleuchtungsaperturen korrekt ist.

Der entscheidende Unterschied zwischen den Ansätzen von Nikon und RealHolo liegt in der Qualität der erzeugten Muster. Der binäre Modulator von Nikon kann nicht kalibriert werden und verlässt sich auf die Mittelwertbildung zur Verbesserung der Musterqualität. Diese Methode hat jedoch abnehmende Erträge, da die Verbesserung der Bildqualität, wie z. B. die Rauheit der Linienkanten, mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der Bilder skaliert. Außerdem sind für allgemeine Muster mindestens 4 Phasen erforderlich, die ein binärer Modulator nicht erzeugen kann. Im Gegensatz dazu bietet RealHolo mit seiner analogen Kammantriebstechnologie einen erheblichen Vorteil. Der Kammantrieb mit seiner nahezu geradlinigen elektro-optischen Reaktion ist ein echter Wegbereiter für das Schreiben hochwertiger Muster mit diesem Gerät und der 8-Bit-Auflösung, die sein CMOS bietet. Es gibt jedoch einen Haken: Jeder Mikrospiegel muss auf 1 nm genau kalibriert werden.

Hier bietet die WaveMe-Anwendung einen echten Mehrwert. Die Kalibrierung von 9.600.000 Mikrospiegeln mit einer Genauigkeit von 1 nm erfordert eine effiziente Implementierung der Phasenverschiebungsinterferometrie, um diese Genauigkeit zu erreichen. Diese effiziente Implementierung gewährleistet nicht nur Genauigkeit, sondern ist auch kosteneffizient, so dass sie in jedes System integriert werden kann. Sie ermöglicht eine häufige automatisierte Charakterisierung jedes Mikrospiegels, wobei die von 9 600 000 Spiegeln erzeugte Bildqualität auf eine einzige Komponente, den Phasenschieber, zurückgeführt werden kann.

Telekommunikation und wellenlängenselektive Switches (WSS)

Während dieser speziellen Inkarnation von RealHolo der Ablenkungsbereich fehlt, um für die Telekommunikation nützlich zu sein, ist die Änderung des MEMS für andere Wellenlängen normalerweise eine kleinere Herausforderung, obwohl das RealHolo-Projekt zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels noch keine endgültigen Antworten auf diese Frage gegeben hat.

Wellenlängenselektive Switches (WSS) sind integrale Bestandteile moderner optischer Kommunikationsnetze, insbesondere im Bereich des Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). DWDM ist eine Technologie, die es ermöglicht, Daten mit mehreren Wellenlängen (oder Kanälen) über eine einzige Glasfaser zu übertragen und so deren Datenübertragungskapazität zu maximieren. Ein WSS kann jede dieser einzelnen Wellenlängen weiterleiten, blockieren oder abschwächen, ohne die anderen zu beeinträchtigen, und zwar ohne Demodulations- und Modulationsschritte. Diese Flexibilität ermöglicht eine dynamische und transparente Neukonfiguration optischer Netze, wodurch die Bandbreite optimiert und sichergestellt wird, dass Daten bei Verbindungsausfällen oder Überlastungen umgeleitet werden können. Die Bedeutung von WSS liegt nicht nur in seiner Fähigkeit, den Datenfluss effizient zu verwalten, sondern auch in seinem Beitrag zum Aufbau adaptiver und selbstheilender optischer Netze. In einer Zeit, in der der Datenverbrauch ein Rekordhoch erreicht hat und die Nachfrage nach zuverlässiger Hochgeschwindigkeitskommunikation ständig steigt, kann die Bedeutung von Komponenten wie WSS, die flexible und widerstandsfähige optische Netzwerke ermöglichen, gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Es wird erwartet, dass dieser Markt mit einer gesunden jährlichen Wachstumsrate von 8% bis 12% wachsen wird, was in etwa einer Verdoppelung alle 7 Jahre entspricht, was Möglichkeiten für ein Gerät bieten sollte, das viele der Probleme löst, die die heutige Technologie heimsuchen.

Die Kernkomponente eines wellenlängenselektiven Schaltersystems (WSS), die die Schaltfunktion ermöglicht, ist häufig der LCoS-Phasenmodulator (Liquid Crystal on Silicon). Der LCoS-Phasenmodulator ermöglicht die Manipulation der Phase des einfallenden Lichts und kann in Kombination mit anderen optischen Elementen wie Linsen und Beugungsgittern einzelne Wellenlängen (oder Kanäle) selektiv zu bestimmten Ausgangsanschlüssen lenken. Diese dynamische Rekonfigurierbarkeit des LCoS-Phasenmodulators ermöglicht es dem WSS, verschiedene Wellenlängen zu verschiedenen Zielen zu leiten, ohne dass mechanische Bewegungen erforderlich sind, wodurch die gewünschte Schaltfunktion in DWDM-Systemen erreicht wird.

Bei der Verwendung von LCoS gibt es jedoch einige Aspekte, die sich auf die Gestaltung eines WSS-Systems auswirken. Flüssigkristallbildschirme werden beeinträchtigt, wenn sie einer Gleichstromvorspannung ausgesetzt sind. Daher verwenden die Hersteller von digitalen oder analogen Geräten verschiedene Techniken zur Polaritätsumschaltung, um die Leistung des Geräts in Grenzen zu halten. Dies führt jedoch zu einer zeitlichen Veränderung der Beugungseigenschaften, die sich nur schwer kontrollieren lässt, vor allem, wenn das Panel sowohl für die Strahlsteuerung als auch für die Abschwächung verwendet wird. Obwohl die Fähigkeit zur Dämpfung wünschenswert ist, ist ihre Auswirkung auf die Erhöhung der Leistungsschwankungen von grundlegender Natur, was die Anforderungen an die Phasenstabilität um eine Größenordnung weiter nach unten drückt. Das Problem der Phasenstabilität wird zusätzlich durch die hohen Temperaturen verschärft, bei denen das LCoS seine Magie entfalten soll.

Ein weiterer Nachteil von LCoS-basierten Systemen ist, dass das Panel polarisiertes Licht benötigt. Dies lässt sich zwar z. B. mit einem Wollaston-Prisma bewerkstelligen, hat aber den Preis, dass die Komplexität des optischen Designs zunimmt, und zwar nicht nur wegen des Prismas, sondern auch, weil wir nun zwei getrennte Lichtpfade, einen für jede Polarisation, durch das optische System quetschen müssen, was dessen Größe verdoppelt und die üblichen achsenfremden Probleme mit sich bringt. Einige dieser Probleme werden durch den Tausch der Polarisationen beim Rücklauf ausgeglichen, aber dies gilt nur für Abbildungsfehler ungerader Ordnung (wie Koma), während der Astigmatismus verschlimmert wird. WSS-Systeme sind bereits ein optisches Origami, aber die Vermeidung von zwei räumlich getrennten Strahlen anstelle von zwei Polarisationen, die sich denselben physikalischen Raum teilen, bietet eine erhebliche Erleichterung bei Design und Herstellung und beseitigt gleichzeitig das Problem des Phasenflimmerns.

Mit RealHolo als Ersatz für LCoS entfallen sowohl die Probleme mit der Polarisation als auch mit der Leistungsfluktuation. Außerdem bietet es praktisch sofortige Schaltzeiten und keine Streufeld-Effekte, die zu Polarisationsproblemen beitragen. Die Anwendung von RealHolo in diesem Bereich ist sehr einfach zu realisieren. Bleibt zu hoffen, dass das Fraunhofer IPMS einen Weg findet, den Wellenlängenbereich von RealHolo auf Telekommunikationswellenlängen zu erweitern.

Von den Citroën-Innovationen zur ultrapräzisen Leichtlenkung bei Schneesturm

Als Citroën 1955 die DS-Scheinwerfer einführte, verdrehten sie nicht nur die Scheinwerfer, sondern auch so manchen Kopf. Es war ein spektakuläres Merkmal, das vor allem beim Modell DS21 Pallas in den 1960er Jahren auffiel. Die schwenkbaren Scheinwerfer verbesserten die Sicht bei Nacht, vor allem auf kurvenreichen Straßen, und stellten einen bedeutenden Fortschritt für die Sicherheit im Straßenverkehr während der Dunkelheit dar. Aber stellen Sie sich vor, wir könnten dies auf die nächste Stufe heben.

Sind Sie schon einmal nachts durch einen Schneesturm gefahren? Dann wissen Sie, dass die Sicht nicht viel weiter reicht als der Schnee direkt vor den Scheinwerfern, und das Gesetz des umgekehrten Quadrats tut uns auch keinen Gefallen. Normalerweise ist das nicht der Fall, aber in diesem Fall ist es wirklich schlecht, weil das, was wir nicht sehen wollen, das meiste Licht abbekommt. Aber was wäre, wenn wir die Möglichkeit hätten, die Showflocken, die direkt vor uns liegen, nicht zu beleuchten? Man sucht sich die schlimmsten 1000 von ihnen aus und sorgt dafür, dass sie nicht mehr beleuchtet werden. Das wäre ein Trick, auf den sogar Gandalf stolz sein würde.

Das ist keine bloße Science-Fiction; mit den rasanten Fortschritten bei der Lichtphasensteuerung und den Hochgeschwindigkeitssensoren nähern wir uns einer Zukunft, in der die Scheinwerfer nicht nur den Weg ausleuchten, sondern dies mit einer Finesse und Präzision tun, die zu Zeiten des Citroën DS unvorstellbar gewesen wäre.

Obwohl diese Anwendung den Zielen des RealHolo-Projekts offensichtlich sehr nahe kommt, halte ich sie für ein so spannendes Konzept, dass sie einfach erwähnt werden musste.