Subfeld-Adressierung ringförmiger MEMS Shutter-Arrays mit polygonalen Strukturen - Argus

Abstract

Im Rahmen des vorliegenden DFG-Projektes wurde ein innovatives optisches MEMS-Bauelement, im Folgenden als Ringshutter bezeichnet, entworfen und untersucht. Der Ringshutter dient zur räumlichen Modulation von Licht in ringabschnittsförmigen Bereichen; die kleinsten modulierbaren Einheiten werden als Subfelder bezeichnet. Der Proof-of-Concept (PoC) Demonstrator basiert auf der Anordnung von über 3500 mikroskopischen MEMS-Shutter-Elementen in 13 Subfeldern auf einer Kreisfläche mit einem Gesamtdurchmesser von 18 mm. Ein einzelner MEMS-Shutter kann zwei Zustände einnehmen: den initial geöffneten (Licht kann ungehindert transmittieren) und den selektiv geschlossenen (Licht wird geblockt – keine Transmission), der über elektrostatische Anziehung durch Anlegen einer Ansteuerspannung ober-halb der Schwelle (engl. Threshold) innerhalb des gewählten Subfeldes erreicht wird. Die Ansteuerung erfolgt über eine Passiv-Matrix-Schaltung mit 5 + 3 = 8 Elektroden und wird als Subfeld-Adressierung bezeichnet. Das Projekt umfasste Design, Fabrikation und Charakterisierung des Bauteils. Dabei wurde auf den großen Erfahrungsschatz der Forschungsgruppe des Antragstellers im Bereich der optischen MEMS-Technologie zurückgegriffen, die bereits für die Anwendungsgebiete Smart Glass und Laserschutzbrillen intensiv untersucht wurde. Vor diesem Hintergrund kann der Ringshutter als logische Erweiterung der Technologie zur Erschließung neuer Anwendungsbereiche betrachtet werden. Eine zentrale Herausforderung war erstmals die Abkehr von rechteckbasierten Geometrien zur effizienten Parkettierung der aktiven Ringfläche. Zur zeitoptimierten Erstellung der Layouts wurde im Rahmen einer Master- und anschließenden Doktorarbeit ein Algorithmus entwickelt, der den Entwurf polygonaler, gebogener und Freiform-Geometrien sowie deren Anordnung in einem ringförmigen Array automatisiert. Ergebnisse zu Design, Fertigung und Charakterisierung wurden in einem preisgekrönten Konferenzbeitrag sowie drei weiteren Veröffentlichungen in anerkannten, peer-reviewten Fachzeitschriften präsentiert. Als federführende Anwendung zur Demonstration des PoC wurde der Ringshutter in Kooperation innerhalb der Universität Kassel in den Beleuchtungsstrahlengang eines Linnik-Interferometers integriert, um das Signal-Rausch-Verhältnis beim Scannen von Testoberflächen mit steilen Kanten zu verbessern. Die vorläufigen Ergebnisse dieser innovativen Messmethode zeigen bereits deutliche Vorteile gegenüber den bisher verwendeten statischen Blenden. Ein kürzlich bewilligtes DFG-Kooperationsprojekt zielt darauf ab, diese Anwendung systematisch zu untersuchen und den Messvorteil durch Optimierung von Ringshutter-Design und -Herstellung zu maximieren. Neben dem Einsatz im Beleuchtungsstrahlengang optischer Aufbauten sollen auch Anwendungen in der Bildgebung, etwa in der Endoskopie, erschlossen werden. Der Ringshutter vereint Kompaktheit, schnelle Reaktion im zweistelligen Mikrosekundenbereich und spektral neutrale Lichtabschwächung in Subfeldern mit hoher Flexibilität, da das Layout durch den Algorithmus sofort an den Einsatzbereich angepasst werden kann und die industrienahe Fertigung auf Standard-wafer-level-MEMS-Prozessen basiert. Within the framework of the present DFG project, an innovative optical MEMS device, hereafter referred to as the Ring Shutter, was designed and investigated. The Ring Shutter serves for the spatial modulation of light in ring-segment regions; the smallest addressable modulating units are referred to as subfields. The proof-of-concept (PoC) lab demonstrator is based on the arrangement of more than 3,500 microscopic MEMS shutter elements in 13 subfields distributed over a circular area with a total diameter of 18 mm. Each individual MEMS shutter can reveal two states: the initial open state (light is transmitted through the device without obstruction) and the closed state (light is blocked by the shutter – no transmission). The latter is achieved by electrostatic actuation when a driving voltage above the threshold is applied within the selected subfield. Addressing of the elements is realized by a passive-matrix scheme with 5+3 = 8 electrodes, a concept referred to as subfield addressing. The project encompassed the design, fabrication, and characterization of the device. It is based on the expertise of the applicant’s research group in optical MEMS technology, previously explored in depth for applications such as smart glass and laser safety goggles. The Ring Shutter can be regarded as a logical extension of the technology toward novel fields of application. Within this project, the design and validation of the device posed particular challenges, since for the first time the geometry departed from a rectangular layout toward an arrangement of more than a thousand MEMS elements in a ring geometry, in order to achieve the most efficient tiling of the active ring area. To enable time-efficient layout generation, a dedicated algorithm was developed in the course of a Master thesis and a subsequent doctoral research. This algorithm automates the creation of polygonal, curved, and even free-form shutter geometries as well as their placement within a ring-shaped array. Results of the fabrication and characterization were disseminated in a prize-winning conference contribution and in three additional peer-reviewed journal publications. As a leading application for the successful demonstration of the PoC, the Ring Shutter was implemented, within the framework of an intra-university collaboration, into the illumination path of a Linnik interferometer. There, it replaced static ring apertures to improve the signal-to-noise ratio when scanning test surfaces with steep edges. Preliminary measurement results already confirmed the advantages of using the Ring Shutter compared with static apertures as well as with comparable implementations based on micro-iris or SLM technology. The goal of a recently granted DFG cooperation project is to systematically investigate this application and to maximize the measurement benefit by optimizing the Ring Shutter design and fabrication. Beyond its use in illumination paths of optical setups, application fields in imaging—such as endoscopy—are also to be explored. The Ring Shutter combines compactness, fast response in the microsecond range, and spectrally neutral attenuation in subfields with scalability and flexibility, since the layout can be adapted to a given application by means of the algorithm, while fabrication relies on industry-compatible, standard wafer-level MEMS processes.