MEMS-Vector-Scanmodul met verhoogde vibratie- en schokbestendigheid voor ruimtevaarttoepassingen

De vectorscanners van het Fraunhofer IPMS zijn nu geschikt voor gebruik in de ruimte.

MEMS-Vector-scanningmodule met gedempte ophanging voor gebruik in de ruimte. © Fraunhofer IPMS / MEMS-Vector-scanningmodule met gedempte ophanging voor gebruik in de ruimte. © Fraunhofer IPMS

Galvanoscanners leveren tot nu toe betrouwbare diensten in de optische communicatie in de ruimte of bij aardobservatie via LIDAR. In de toekomst zouden deze systemen echter kunnen worden vervangen door kleinere en compactere systemen met MEMS-scanners. Het Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS heeft in het door het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderde project MiniLIDAR Scanmodule ontwikkeld, die nu ruimtebestendig zijn gemaakt. Deze worden voor het eerst gepresenteerd op LASER 2025, van 24 tot 27 juni 2025, in München (Fraunhofer-gemeenschapstand, stand nr. 415, in hal A2).

In veel toepassingen in de ruimte worden vectoriële spiegelactuatoren gebruikt om laserlicht af te buigen: voor het koppelen van ruimtevaartuigen aan het ruimtestation (rendezvous), bij de navigatie van autonome servicetrobots en zelfrijdende voertuigen, of in klein-satellieten voor dynamische objecttracking. Bij Fraunhofer IPMS is binnen het project MiniLiDAR nu een MEMS-vector-scanner modul klaar voor gebruik in de ruimte.

Het modul bestaat uit een hybride geïntegreerde 2D-MEMS-vector-scanner, die werkt door een elektromagnetische aandrijving. Het heeft een relatief grote spiegel met een diameter van 5 mm, die kardanisch is opgehangen. Hierdoor kan de scanner grote, quasi-statische 2D-afbuigingshoeken tot wel ±13° (mechanisch) bereiken rond een gemeenschappelijk pivotpunt. Dit maakt een groot scanveld van 52° x 52° (Field of View) mogelijk, met hoge positiedynamiek en optische resolutie, terwijl het optische systeem eenvoudig kan worden ontworpen.

Dr. Thilo Sandner, groepsleider Actieve Mikrooptische Componenten en Systemen bij Fraunhofer IPMS, is optimistisch: “Het nieuwe scanmodule kan door zijn gedempte ophanging nu ook een raketlancering zonder problemen doorstaan. Dankzij een doordacht ontwerp is het modul zeer klein in vergelijking met conventionele galvanometerscanners, bespaart het ruimte in het gehele optische systeem en verbruikt het ongeveer tien keer minder vermogen, wat ook leidt tot lagere systeemkosten. Door zijn solid-state-opbouw (zonder wrijvingsbevorderende mechanische lagers) is het langdurig stabiel en slijtagevrij.”

Bij het MiniLiDAR-project is de Jena-Optronik GmbH betrokken, met haar jarenlange ervaring in de ruimtevaart en systeemverantwoordelijk voor het gehele LIDAR-systeem. Fraunhofer IPMS heeft zijn unieke knowhow op het gebied van ontwerp van MEMS-scannerspiegels en -modules, tot en met geautomatiseerde, hoogprecisie microassemblage, ingebracht in het project. Zo is het gelukt om de benodigde robuustheid te bereiken voor een hoge schok- en vibratiebestendigheid.

Enkele industriële en projectpartners hebben al interesse getoond in het gebruik van dergelijke modules. Buiten de ruimte kunnen de scanmodules bijvoorbeeld ook worden ingezet voor medische diagnostiek en lasertherapie in de oogheelkunde. Door een dikkere spiegelplaat zijn de spiegels geschikt voor hoogreflecterende dielectrische spiegelcoatings met hoge vlakheid, zodat ze hogere laservermogens en pulsvloeistoffen kunnen weerstaan. Ze zijn nu bijvoorbeeld ook inzetbaar voor laser-markering. Verder kunnen scannerspiegels een belangrijke rol spelen in free space optical communication (FSO). De wetenschappers kijken uit naar verdere boeiende toepassingen, waarvoor ze de veelzijdige MEMS-scannerspiegels kunnen optimaliseren.