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.
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.
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?
Moreover, we witnessed an aggressive push towards finer features in integrated circuits, all striving to keep up with Moore’s Law. By the mid or late 2000s, the technology pivoted toward E-Beam, especially given the promise of multi-beam systems to address capacity concerns and the interest in this technology subsided.
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.
Reflecting on ASML’s innovations two decades ago, they pioneered a tilt-mirror SLM capable of emulating an alternating phase-shifting mask. It also supported gray-scaling in a system which used a traditional partially coherent setup and an ArF excimer laser. This modulator utilized an impressive micro-mirror array—11 million mirrors ticking at 6 kHz—with plans to integrate multiple such arrays in one machine. By the era’s metrics, it was a groundbreaking achievement. Yet, today, such a design might struggle to find a justifiable business case.
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.
The key difference between the approaches of Nikon and RealHolo lies in the quality of the generated patterns. Nikon’s binary modulator cannot be calibrated and relies on averaging to enhance pattern quality. However, this method has diminishing returns, since the improvement in image quality like line edge roughness, scales with the square root of the number of images. Additionally, general patterns need at least 4 phases which a binary modulator cannot generate. In contrast, RealHolo provides a significant advantage with its analoge comb-drive technology. The comb drive, with its near straight electro-optical response is a true enabler to writing high-quality patterns with this device and the 8-bit resolution that its CMOS offers. There is one catch though, which is that each micro mirrors needs proper, 1 nm accurate calibration.
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.
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.
However, with LCoS, there are some aspects of its use that have consequences on the design of a WSS system. Liquid crystal panels will suffer degradation when subject to a DC bias. Therefore, whether digital or analog, device manufacturers use different techniques to introduce polarity switching to keep the device’s performance in check. This, however, introduces a time variation of the diffraction properties which is difficult to keep in check, especially when the panel is used for both beam steering and attenuation. Although the ability of provide attenuation is desirable, its effect on increasing power fluctuation is of fundamental nature which pushes the requirements on phase stability about an order of magnitue further down. The phase stability problem is additionally exacerbated by the elevated temperatures where the LCoS is supposed to perform its magick.
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.
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.
This isn’t mere science fiction; with the rapid advancements in light phase control and high-speed sensors, we are inching closer to a future where headlights will not just illuminate our path, but do so with a finesse and precision that would have seemed unimaginable during the time of the Citroën DS.
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.
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Intro Die meiste Zeit meiner beruflichen Laufbahn in der Optik habe ich mich mit der Simulation der Abbildung von räumlichen Lichtmodulatoren, vor allem SLMs, beschäftigt...
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