Moduladores espaciales de luz

Uno de los dispositivos fotónicos más complejos a los que uno se enfrenta como ingeniero óptico es el modulador espacial de luz. Se trata de un dispositivo que (normalmente) convierte una señal generada por ordenador en una distribución espacialmente controlada de intensidad o fase, según el tipo de modulador.

Un dispositivo muy conocido para la modulación de intensidad es el DLP o DMD de Texas Instruments. A primera vista, es un dispositivo impresionante, y para su propósito como modulador para proyectores, es realmente muy impresionante. De hecho, el DMD está tomando la delantera en el mercado de la litografía sin máscaras. Las razones técnicas de ello se exponen en la charla técnica "Ti DLP: el caballo de batalla de la litografía sin máscara”

En el campo de la modulación de fase, encontramos los LCOS (Liquid Crystal On Silicon) de Holoeye o Hamamatsu. Estos moduladores espaciales de luz se utilizarán en pinzas ópticas o interruptores selectivos de longitud de onda (WSS), microscopios o pantallas virtuales (near-to-eye).

Lo tangible frente a lo sutil

Todos los moduladores LCOS son demasiado lentos para las imágenes de gama alta/alta velocidad. El DMD ha asumido esta tarea en su totalidad. Se pueden diseñar generadores de patrones que produzcan imágenes en escala de grises de 8 bits a una velocidad de 5 gigapíxeles por segundo, aunque hay que trabajar mucho para llegar hasta ahí y sortear las deficiencias de estos dispositivos. Sin embargo, la fuerza del DMD no está en su superficie óptica, por impresionante que parezca, sino en su placa base CMOS. Este recurso digital permite al DMD compensar muchas de sus imperfecciones ópticas. Sin embargo, éste es un tema que debería tratarse en una charla técnica posterior, en la que se abordará la relación entre las pérdidas difractivas y la calidad de imagen.

¿Cuáles son estas deficiencias? El comprador ocasional de SLM puede centrarse inicialmente en propiedades tangibles (externas) como el tamaño, la velocidad del bus y el número de píxeles, que no dicen nada sobre la calidad de la imagen. Una propiedad de la que no se habla lo suficiente es la planitud óptica, a corto o largo alcance.

Calidad de imagen - Calidad de superficie

Un dispositivo que posea la propiedad mencionada es el Fraunhofer IPMS Modulador espacial de luz basado en MEMS. En el campo de la generación de patrones de alta calidad, es una práctica común escribir la misma porción de una máscara varias veces, utilizando diferentes segmentos del modulador para reducir diversos problemas de imagen mediante el promediado. Sin embargo, este método puede resultar bastante caro, ya que los errores de imagen se reducen con la raíz cuadrada del número de imágenes utilizadas para promediar. Por lo tanto, la calidad de la imagen antes de promediar es de gran importancia.

Los moduladores espaciales de luz basados en MEMS Fraunhofer IPMS se desarrollaron en colaboración con Micronic a principios de la década de 2000. Estos moduladores ofrecen una excelente microplanaridad, imprescindible para evitar que el moteado (o el moteado parcialmente desarrollado) genere rugosidad en los bordes de las líneas. Con la iluminación y la estrategia de escala de grises adecuadas, las propiedades de imagen que ofrecen estos moduladores son indistinguibles de las de las fotomáscaras.

Hay que tener en cuenta que, aunque estos moduladores ofrecen una excelente microplanaridad, el moteado parcialmente desarrollado aún puede verse potenciado por la óptica de proyección. Dado que se trata de una charla técnica sobre SLM, dejaremos esos detalles para otra ocasión, pero los interesados en diseñar sistemas ópticos basados en estos moduladores pueden ponerse en contacto conmigo a través de la dirección de correo electrónico página de contacto o por correo electrónico a [email protected]

Los dispositivos MEMS de aluminio de una sola capa iniciales adolecían de limitaciones mecánicas, que se superaron con el desarrollo de una estructura MEMS de dos capas que resolvía todos los problemas mecánicos al tiempo que conservaba las propiedades ópticas. Por desgracia, la industria optó por la tecnología de haz electrónico, creyendo que los sistemas multihaz resolverían los problemas de tiempo de escritura, lo que provocó la desaparición de la producción de grabadores de máscaras ópticas de gama alta. Sin embargo, a medida que se desvanecían las esperanzas en los escritores de máscaras e-beam de alta capacidad y aumentaba el volumen de nodos de máscaras aptos para este tipo de generadores de patrones, podría estar surgiendo otra oportunidad para esta tecnología.

Micronic y ASML también desarrollaron un dispositivo de espejo escalonado que podía escribir el equivalente de una máscara de cambio de fase alternante. Ambos dispositivos permitían calibrar individualmente cada uno de los millones de espejos basculantes hasta el límite teórico establecido únicamente por la planitud óptica de los dispositivos.

El láser de excímero es la opción preferida para este modulador debido a su etendencia adecuada y a la corta duración de sus impulsos, que permiten una exposición precisa de la imagen en una pieza de trabajo en movimiento. Sin embargo, su elevado coste operativo -hasta 100 euros por máscara de 15 cm a altas resoluciones- limita su aplicación más generalizada. Aunque los láseres monomodo de estado sólido presentan soluciones alternativas, aún deben superarse retos de ingeniería antes de que puedan adoptarse de forma generalizada.

Dado el éxito de la industria con el estampado múltiple y la corrección óptica de proximidad, es posible lograr 50 nm o incluso menos en la máscara, lo que representa un aumento de 4x con respecto a la oblea. Esta tecnología puede escribir un número considerable de máscaras, pero para el OPC, el cambio de fase y la magia de máscaras pixeladas, los MEMS deben ser ópticamente planos y estar correctamente calibrados.

Modelado de sistemas basados en SLM

Independientemente de la tecnología de moduladores espaciales de luz que cumpla los requisitos externos, el fabricante no sabe cómo funciona en un sistema concreto porque, en general, no se dedica a ello. Sin embargo, el modelado de óptica física captará fácilmente sus propiedades y su eficacia puede predecirse mediante simulaciones.

Hay muchos aspectos de las SLM y de su comportamiento en cualquier configuración óptica que pueden y deben tratarse en el contexto del sistema óptico en el que funcionan. La técnica preferida para hacerlo, aquí en Senslogic, es utilizar el Método de muestreo por hipercubos latinos. Aquí podemos entender cómo las imperfecciones del modulador conectan con los requisitos del sistema óptico y dejar que las matemáticas y la descomposición de valores singulares resuelvan los verdaderos grados de libertad.

Es bastante común que, una vez que el polvo se ha asentado, y las matemáticas se han hecho, que el sistema óptico que parecía tan intrincado, resulta ser mucho menos una vez que se describe utilizando las variables adecuadas.

¿Quiere saber más?

Quienes deseen profundizar en el tema de los SLM pueden consultar la página Cómo: Moduladores espaciales de luz donde encontrará un resumen de los distintos tipos y algunos detalles sobre matemáticas útiles. Si eso no es suficiente, no dude en ponerse en contacto conmigo en [email protected]o incluso programar una videollamada. Siempre encantado de ayudarle.