10. Juni 2025. Galvanoscanner leisten bisher zuverlässige Dienste in der optischen Kommunikation im Weltraum oder bei der Erdbeobachtung via LIDAR. Künftig könnten diese Systeme jedoch durch kleinere und kompaktere Systeme mit MEMS-Scannern ersetzt werden. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat mit Partnern im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt MiniLIDAR Scanmodule entwickelt, die nun weltraumfest gemacht wurden.
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In vielen Anwendungen im Weltall werden vektorielle Spiegelaktoren zur Ablenkung von Laserlicht benötigt: zur Ankopplung von Raumfahrzeugen an die Raumstation (Rendezvous), bei der Navigation autonomer Serviceroboter und selbstfahrender Fahrzeuge oder in Kleinsatelliten zum dynamischen Objekttracking. Am Fraunhofer IPMS wurde nun innerhalb des Projektes MiniLiDAR ein MEMS-Vektorscanmodul einsatzbereit für den Weltraum gemacht.
Das Modul besteht aus einem hybrid integrierten 2D-MEMS-Vektorscanner, der durch einen elektromagnetischen Antrieb funktioniert. Es hat einen verhältnismäßig großen Spiegel mit einem Durchmesser von 5 mm, der kardanisch aufgehängt ist. Dadurch kann der Scanner große, quasi-statische 2D-Ablenkwinkel von bis zu ±13° (mechanisch) um einen gemeinsamen Pivot-Punkt erreichen. Dies ermöglicht ein großes Scanfeld von 52° x 52° (Field of View) mit hoher Positionierdynamik und optischer Auflösung, während das optische System einfach gestaltet werden kann.
Dr. Thilo Sandner, Gruppenleiter Aktive Mikrooptische Komponenten und Systeme am Fraunhofer IPMS, ist optimistisch: „Das neue Scanmodul kann durch seine gedämpfte Aufhängung jetzt auch einen Raketenstart schadlos überstehen. Durch ein ausgeklügeltes Design ist das Modul im Vergleich zu konventionellen Galvanometerscannern sehr klein, spart somit Platz im gesamten optischen System und verbraucht ungefähr zehnmal weniger Leistung, was auch zu geringeren Systemkosten führt. Durch seinen Solid-State-Aufbau (ohne reibungsbehaftete mechanische Lager) ist es langzeitstabil und verschleißfrei.“
Am Projekt MiniLiDAR ist die Jena-Optronik GmbH mit ihrer langjährigen Raumfahrterfahrung beteiligt und systemverantwortlich für das gesamte LIDAR-System. Das Fraunhofer IPMS hat sein einzigartiges Know-how im Design von MEMS-Scannerspiegeln und -modulen bis hin zur automatisierten, hochpräzisen Mikromontage in das Projekt eingebracht. So ist es gelungen, die nötige Robustheit für eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit zu erreichen.
Erste Industrie- und Projektpartner haben bereits Interesse gezeigt, solche Module einzusetzen. Außer im Weltraum können die Scanmodule bspw. auch zur medizinischen Diagnostik sowie Lasertherapie in der Augenheilkunde eingesetzt werden. Durch eine dickere Spiegelplatte sind die Spiegel gut für hochreflektierende dielektrische Verspiegelungen mit hoher Planarität geeignet, so dass sie höheren Laserleistungen und Pulsenergien standhalten. Sie sind nun so auch bspw. in der Lasermarkierung einsetzbar. Weiterhin können Scannerspiegel in der Free space optical Communication (FSO) eine wichtige Rolle spielen. Die Wissenschaftler freuen sich auf weitere spannende Anwendungen, für die sie die vielseitigen MEMS-Scannerspiegel optimieren können.
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Foto: Fraunhofer IPMS
