MEMS-ektorový skenovací modul s zvýšenou odolností proti vibracím a nárazům pro vesmírné aplikace

Vektorové skenery Fraunhofer IPMS jsou nyní vhodné pro použití ve vesmíru.

MEMS modul pro vektorové skenování s tlumeným zavěšením pro provoz ve vesmíru. © Fraunhofer IPMS / MEMS modul pro vektorové skenování s tlumeným zavěšením pro provoz ve vesmíru. © Fraunhofer IPMS

Galvanoskanéry dosud poskytovaly spolehlivé služby v optické komunikaci ve vesmíru nebo při pozorování Země pomocí LIDARu. V budoucnu však mohou být tyto systémy nahrazeny menšími a kompaktnějšími systémy s MEMS skenovacími systémy. Fraunhoferův institut pro fotonické mikrosystémy IPMS vyvinul ve spolupráci s partnery v projektu MiniLIDAR Scanmodule, který je nyní odolný vůči vesmírným podmínkám. Tyto systémy budou poprvé představeny na LASER 2025, konané od 24. do 27. června 2025 v Mnichově (stánek Fraunhofer-Gemeinschaft, č. stánku 415, v hale A2).

V mnoha aplikacích ve vesmíru jsou potřeba vektorové zrcadlové aktivátory k odklonu laserového světla: pro připojení kosmických lodí ke stanici (rendezvous), při navigaci autonomních servisních robotů a samořídících vozidel nebo v malých satelitech pro dynamické sledování objektů. Fraunhofer IPMS nyní v rámci projektu MiniLiDAR připravil MEMS vektorový skenovací modul, který je připraven pro použití ve vesmíru.

Modul sestává z hybridně integrovaného 2D MEMS vektorového skenovacího systému, který funguje pomocí elektromagnetického pohonu. Má relativně velké zrcadlo s průměrem 5 mm, které je zavěšeno kardanovým mechanismem. Díky tomu může skener dosáhnout velkých, téměř statických 2D odklonových úhlů až do ±13° (mechanicky) kolem společného pivotního bodu. To umožňuje velké skenovací pole 52° x 52° (zorné pole) s vysokou dynamikou polohování a optickým rozlišením, zatímco optický systém může být jednodušší.

Dr. Thilo Sandner, vedoucí skupiny aktivních mikrooptických komponent a systémů v Fraunhofer IPMS, je optimistický: „Nový skenovací modul může díky své tlumené konstrukci nyní také bez problémů odolat startu rakety. Díky propracovanému designu je modul ve srovnání s konvenčními galvanometrickými skenery velmi malý, šetří místo v celém optickém systému a spotřebuje přibližně desetkrát méně energie, což také snižuje náklady na systém. Díky svému pevnému provedení (bez třecích mechanických ložisek) je dlouhodobě stabilní a bez opotřebení.“

Na projektu MiniLiDAR se podílí společnost Jena-Optronik GmbH se svými dlouholetými zkušenostmi v kosmickém průmyslu a je zodpovědná za celý LIDAR systém. Fraunhofer IPMS přinesl do projektu své jedinečné know-how v návrhu MEMS zrcadlových skenovacích systémů a modulů až po automatizovanou, vysoce přesnou mikromontáž. Díky tomu se podařilo dosáhnout potřebné odolnosti pro vysokou odolnost proti nárazům a vibracím.

První průmysloví a projektoví partneři již projevili zájem o použití takových modulů. Kromě vesmíru mohou být skenovací moduly například využity v lékařské diagnostice a laserové terapii v očním lékařství. Díky silnější zrcadlové desce jsou zrcadla vhodná pro vysoce reflexní dielektrické vrstvy s vysokou rovinatostí, takže odolávají vyšším laserovým výkonům a pulzní energii. Nyní jsou například použitelné i v laserové značení. Dále mohou skenovací zrcadla hrát důležitou roli v bezkontaktní optické komunikaci (FSO). Vědci se těší na další vzrušující aplikace, pro které mohou optimalizovat své všestranné MEMS skenovací zrcadla.