Mikrospiegelaktor

Grundidee und Aufbau

Ein Mikrospiegelaktor, englisch Digital Micromirror Device (DMD), ist ein mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht. Er gehört wegen seines miniaturisierten Aufbaus und seiner optomechatronischen Eigenschaften zu den MEMS beziehungsweise MOEMS. Besonders bekannt ist sein Einsatz zur Bildprojektion in Beamern, vor allem in DLP-Projektoren.

Mikrospiegelaktoren bestehen meist aus einer Matrix vieler Einzelelemente. Jedes Element ist eine verkippbare, spiegelnde Fläche mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern. Bei handelsüblichen DMD-Chips beträgt die Kantenlänge eines Mikrospiegels beispielsweise etwa 16 µm. Damit ist ein Spiegel schmaler als ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares. Jeder Mikrospiegel entspricht dabei einem Bildpunkt (Pixel).

Lichtsteuerung und Farbdarstellung

Die Spiegel werden in handelsüblichen Systemen durch elektrostatische Felder bewegt. Jeder einzelne Spiegel kann in seinem Winkel verstellt werden und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände. Er kann zwischen diesen Zuständen innerhalb einer Sekunde bis zu 5000-mal wechseln.

Dadurch kennt ein Pixel zunächst nur die Zustände „Licht“ oder „kein Licht“: Der Spiegel lenkt Licht entweder in die gewünschte Richtung oder von ihr weg. Helligkeitsstufen entstehen durch PWM: Der Spiegel wird mehr oder weniger oft hell geschaltet. Die Zeitanteile, in denen Licht zum Bild beiträgt, bestimmen somit die wahrgenommene Helligkeit.

Für Farben nutzen aufwendigere Geräte für jede der drei Grundfarben einen eigenen Mikrospiegel. Typische Heimkinogeräte zeigen dagegen die RGB-Farbauszüge nacheinander. Ein vor dem Spiegel rotierendes Farbrad färbt die jeweiligen Auszüge ein. Manche Zuschauer empfinden dabei Farbflackern und Regenbogenkanten im Bild als störend.

Mikroscanner und Flächenlichtmodulatoren

Es werden zwei Typen unterschieden:

• Mikroscanner (microscanner oder scanning micromirror) modulieren ein Strahlenbündel mit einem kontinuierlich bewegten Einzelspiegel. Das Licht kann streifend über eine Projektionsfläche geführt, also gescannt, werden. Anwendungen sind Projektionsdisplays, Barcodescanner, Endoskopie und Spektroskopie.

• Flächenlichtmodulatoren (spatial light modulator, SLM) arbeiten mit einer Spiegelmatrix. Die einzelnen Spiegel nehmen im Zeitverlauf diskrete Auslenkungen an. Dadurch werden Teilstrahlen abgelenkt oder es wird eine phasenschiebende Wirkung erzielt. Eine matrixförmige Anordnung kann das Licht einer starken Lichtquelle so ablenken, dass ein Bild projiziert wird.

Das DMD ist ein Beispiel für einen Flächenlichtmodulator und bildet die technologische Basis von Digital Light Processing (DLP). DLP ist eine Marke von Texas Instruments (TI) und wird unter anderem in digitalen Filmprojektoren in Kinos eingesetzt. Erste DMDs wurden 1987 bei TI von Larry Hornbeck und William Ed Nelson entwickelt.

Einsatzgebiete

Mikrospiegelaktoren werden seit längerem in DLP-Projektoren, darunter besonders leistungsfähigen Videoprojektoren, sowie in Rückprojektionsbildschirmen eingesetzt. Weitere Anwendungen sind 2D-Scanner-Spiegel, beispielsweise in Kassenautomaten, und Maskenbelichter für die Halbleiterfertigung.

In der Gebäudetechnik könnten Mikrospiegel künftig zwischen den Scheiben einer Isolierverglasung eingebaut werden. Elektrostatisch geschaltete Spiegel würden dann Stärke und Richtung der Beleuchtung im Raum beeinflussen. Kleine Prototypen funktionieren bereits im Labormaßstab; für einen kommerziellen Einsatz fehlt jedoch noch eine großskalierte Herstellungsmethode der Spiegel.

Auch die additive Fertigung nutzt DLP im industriellen Bereich. Das Verfahren arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Stereolithografie, verwendet als Lichtquelle jedoch einen DLP-Projektor. Im Selbstbau kann dafür auch ein handelsüblicher Beamer oder LCD-Bildschirm geeignet sein. Außerdem werden Mikrospiegelaktoren kommerziell in Mikroskopen der neurowissenschaftlichen Forschung eingesetzt, um die Aktivität von Nervenzellen durch Photostimulation optogenetisch zu kontrollieren.