Moduł skanera MEMS-Vektor z zwiększoną odpornością na wibracje i wstrząsy do zastosowań kosmicznych

Skanery wektorowe Fraunhofer IPMS są teraz przystosowane do użytku w przestrzeni kosmicznej.

MEMS-moduł skanowania wektorowego z tłumionym zawieszeniem do pracy w przestrzeni kosmicznej. © Fraunhofer IPMS / MEMS moduł skanowania wektorowego z tłumionym zawieszeniem do pracy w przestrzeni kosmicznej. © Fraunhofer IPMS

Galvanoscanner dotychczas zapewniały niezawodne usługi w komunikacji optycznej w przestrzeni kosmicznej lub podczas obserwacji Ziemi za pomocą LIDAR. W przyszłości te systemy mogą jednak zostać zastąpione przez mniejsze i bardziej kompaktowe systemy z MEMS-Scannerami. Instytut Fraunhofer for Photonic Microsystems IPMS we współpracy z partnerami w projekcie MiniLIDAR Scanmodule, finansowanym przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Klimatu (BMWK), opracował moduły skanujące, które teraz zostały przystosowane do użytku w przestrzeni kosmicznej. Po raz pierwszy zostaną one zaprezentowane na LASER 2025, w dniach od 24 do 27 czerwca 2025 roku w Monachium (Stoisko wspólne Fraunhofer, stoisko nr 415, hala A2).

W wielu zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej potrzebne są wektorowe lustra skanujące do odchylania światła laserowego: do podłączenia statków kosmicznych do stacji kosmicznej (lądowanie), w nawigacji autonomicznych robotów serwisowych i pojazdów autonomicznych czy w małych satelitach do dynamicznego śledzenia obiektów. W ramach projektu MiniLiDAR w IPMS Fraunhofer przygotowano gotowy do użytku w przestrzeni kosmicznej MEMS-Module skanujące wektorowe.

Moduł składa się z hybrydowego zintegrowanego 2D-MEMS-Scannera wektorowego, który działa na zasadzie elektromagnetycznego napędu. Posiada stosunkowo duże lustro o średnicy 5 mm, zawieszone na kardanowym układzie. Dzięki temu skaner może osiągnąć duże, niemal statyczne kąty odchylania 2D do ±13° (mechanicznie) wokół wspólnego punktu obrotu. Umożliwia to szerokie pole widzenia 52° x 52° (Field of View) z wysoką dynamiką pozycjonowania i rozdzielczością optyczną, przy jednoczesnym prostym układzie optycznym.

Dr Thilo Sandner, kierownik grupy aktywnych mikrooptycznych komponentów i systemów w IPMS Fraunhofer, jest optymistyczny: „Nowy moduł skanujący dzięki tłumionej zawieszeniu może teraz wytrzymać nawet start rakiety bez uszkodzeń. Dzięki przemyślanemu projektowi jest on znacznie mniejszy w porównaniu do konwencjonalnych skanerów galvanometrycznych, co oszczędza miejsce w całym systemie optycznym i zużywa około dziesięciokrotnie mniej energii, co przekłada się na niższe koszty systemu. Ze względu na swoją konstrukcję typu Solid-State (bez tarcia mechanicznych łożysk) jest stabilny w długim okresie i bez zużycia.”

W projekcie MiniLiDAR bierze udział firma Jena-Optronik GmbH, posiadająca wieloletnie doświadczenie w dziedzinie technologii kosmicznych, odpowiedzialna za cały system LIDAR. Fraunhofer IPMS wniósł do projektu swoją unikalną wiedzę w zakresie projektowania MEMS-ów luster skanujących i modułów, aż po zautomatyzowany, wysokoprecyzyjny montaż mikro. Udało się w ten sposób osiągnąć wymaganą odporność na wysokie wstrząsy i drgania.

Pierwsze firmy przemysłowe i partnerzy projektowi już wyrazili zainteresowanie wykorzystaniem takich modułów. Oprócz zastosowań w przestrzeni kosmicznej, moduły skanujące mogą być również używane w diagnostyce medycznej oraz w laseroterapii okulistycznej. Dzięki grubszej płytce lustra lustra te nadają się do wysokorefleksyjnych dielektrycznych powłok lusterek, które mogą wytrzymać wyższe moce laserowe i energię impulsów. Obecnie mogą być one również wykorzystywane np. w znakowaniu laserowym. Ponadto lustra skanujące mogą odgrywać ważną rolę w bezprzewodowej komunikacji optycznej (FSO). Naukowcy czekają na kolejne ciekawe zastosowania, dla których będą mogli optymalizować wszechstronne MEMS-owe lustra skanujące.