Optische Kommunikation über weite Strecken

Fast Steering Mirrors (FSM) vereinen Bauteile wie Mechanik, Sensoren mit Elektronik sowie Aktuatoren in einem kleinen Gehäuse mit einer Masse von lediglich etwa 55 g und gutem Übertragungsverhalten. Hierunter versteht man bei FSM die Frequenz, mit der der Spiegel einer Sollbewegung zuverlässig folgen kann, bevor mechanische Moden, Verluste oder Phasenverzug die Bewegung limitieren.

Im Weltall treten neben Vakuum-Umgebungen auch Strahlung sowie extreme Temperaturunterschiede auf, die auf den FSM wirken. Auch starken Vibrationen und Schockbelastungen, beispielsweise beim Start von Raketen oder dem Aussetzen der Satelliten, müssen die FSM standhalten. Diese Bedingungen stellen hohe Anforderungen an die Elektronik und Mechanik. Neben der Sauberkeit im Allgemeinen liegt zudem ein besonderer Fokus auf der Partikelfreiheit (Foreign Object Debris, FOD). Zudem müssen Zinnauswüchse, sogenannte Zinn-Whisker, vermieden werden, da ihr Treiben in der Schwerelosigkeit zu Kurzschlüssen führen könnte.

Um die langfristige Funktion der empfindlichen Optiken in den Spiegeln nicht zu beeinträchtigen, sind insbesondere ausgasungsarme Materialien im Vakuum gefordert. Eine geringe Leistungsaufnahme und Abwärme sowie eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind bei der Verwendung in Satelliten Grundvoraussetzungen.

Das Funktionsprinzip

‚FSM3000‘ lenken Licht nahezu verlustfrei und bei geringer Eigenerwärmung um. Dafür sorgt der Spiegel, der bezüglich seines Durchmessers und des Oberflächenfehlers optimiert ist und bei 20 mm Durchmesser nur einen geringen Fehler aufweist. © Micro-Epsilon

Die gängigsten FSM lassen sich entweder über Piezoaktoren oder Elektromagneten steuern. Piezoaktoren sind präzise und schnell, weisen jedoch lediglich einen kleinen Stellweg auf. Micro-Epsilon setzt daher auf das elektromagnetische Antriebskonzept, das einen größeren Stellweg ermöglicht und die FSM robuster gegenüber rauen Bedingungen macht. Mit den Randbedingungen für Satellitenapplikationen ergab sich als Optimum ein maximaler nominaler Kippwinkel von ±1,5°. Dieser ist ausreichend, um große Bereiche des Alls nach anderen Satelliten schnell abzuscannen, aber klein genug, um Positionen sehr genau zu regeln. Größere Bewegungen werden zumeist von einem vergleichsweise langsamen Gimbal-System mit Teleskop-Optik bedient, das den FSM zur Feinsteuerung integriert.

Die Bewegung des Spiegels erfolgt bei der ‚FSM3000‘-Serie über vier Aktor-Spulen, von denen jeweils zwei in Serie eine Drehachse definieren, um einen Push-Pull-Betrieb zu ermöglichen. Werden die Spulen mit Strom gespeist, bildet sich ein Magnetfeld, das ein Drehmoment erzeugt und den Spiegel um seine Drehachse neigt (Tip/Tilt-Funktion). Hierbei erfolgt die Drehung verschleißfrei und synchron über einen zentralen Drehpunkt, das Rückstellen in den Nullpunkt erfolgt über Federelemente. Der Aktuator nimmt lediglich etwa 115 mW Leistung bei statischer Vollauslenkung auf. Für den dynamischen Dauerbetrieb empfiehlt Micro-Epsilon eine maximale Aktorleistung von 1 W. Hiermit lässt sich die nominale Verkippung von 1,5 ° dauerhaft bis 200 Hz und etwa ±0,06 ° bei 1,5 kHz erreichen. Zudem zeigt das Open-Loop-Diagramm keine störenden Moden unter 2 kHz bei einer Kipp-Resonanz um circa 75 Hz und ist somit sehr leicht zu regeln.

Den Kippwinkel des Spiegels bestimmt Micro-Epsilon über vier Wirbelstromsensoren. Sie eignen sich aufgrund ihrer hohen Bandbreite und Auflösung bei niedriger Leistungsaufnahme und kompakter Elektronik ideal für den Einsatz in FSM.

Die Fast Steering Mirror ‚FSM3000‘ kommen auch zur Bildstabilisierung zum Einsatz, wobei sie das Ausgleichen der Objektivbewegungen unterstützen, sodass jede Einzelaufnahme im Quasi-Stillstand erfolgen kann. © Micro-Epsilon

Anwender sehen am Positionsausgang der Sensoren pro Sensorachse ein analoges differenzielles Signal von maximal je ±5 V. Ohne Auslenkung liegen die beiden Positionsausgänge bei 0 V. Ist der Kippspiegel beispielsweise an der jeweiligen Sensorachse um 1,5 ° ausgelenkt, stehen in positiver und negativer Richtung nominal ±4 V an. Ein weiterer Sensor ermittelt zudem die Temperatur im FSM. Hieraus lässt sich der Kippwinkel mathematisch präzise und temperaturstabil ermitteln. Der Sollwert wird im Anschluss über einen nutzerseitigen Regelkreis durch Ansteuern der Aktoren umgesetzt und der Spiegel entsprechend positioniert.

Leicht zu integrieren

Der Spiegel ist bezüglich seines Durchmessers und des Oberflächenfehlers optimiert. Bei einem Durchmesser von 20 mm weist er minimierte Montagetoleranzen auf, die sich auch bei Temperaturschwankungen kaum ändern. Je nach geforderter Wellenlänge des Lichts beziehungsweise Lasers bietet Micro-Epsilon verschiedene Beschichtungen an, als Standard für 1550 nm mit > 99,3 Prozent Reflektivität. Da bei der Herstellung auf die Vermeidung von Kratzern und Digs geachtet wird, um unnötiges Streulicht zu vermeiden, ist sichergestellt, dass der gelenkte Laserstrahl nicht verzerrt oder streut und nicht zu viel Leistung am Spiegel in Wärme umgesetzt wird. Laserleistungen bis 40 W sind möglich.

Der Kippwinkel, der für das Regeln des Signals benötigt wird, lässt sich aus den Ausgangssignalen einfach berechnen. Für jeden FSM3000 werden die benötigten Koeffizienten bei der Produktion spezifisch ermittelt und dem Nutzer zur einfachen Einbindung über Protokolle wie XML oder JSON bereitgestellt.

Anwendungsfelder

Neben der optischen Kommunikation lassen sich mit den Systemen hochauflösende Positionierungen mit einer geforderten Auflösung von <0,3 µrad beziehungsweise 1,72 × 10^-5 ° durchführen.

Die Serie eignet sich als Basis für OEM-Applikationen in großen Stückzahlen. Typische OEM-Anpassungen umfassen beispielsweise den Spiegeldurchmesser oder die -beschichtung, Formfaktoren der Sensorelektronik oder des mechanischen Interfaces, die Wahl zwischen verbleitem und unverbleitem Lot sowie Leiterplattenschutzlack oder auch das Entwickeln der Regelungs- und Leistungselektronik.

Beim sogenannten Dicing löst ein Laser einzelne Chips aus einem Verbund heraus. Das Ausschneiden der feinen Chip-Kontur erfolgt aufgrund der hohen Kippfrequenz und Präzision mithilfe des ‚FSM3000‘. © Micro-Epsilon

Neben den kompletten Kippspiegel-Systemen bietet das Unternehmen spezielle Sensorsysteme zum präzisen Messen der Spiegelverkippung an. Diese Systeme nutzen vier Wirbel-stromsensoren mit optimierter Auflösung und Grenzfrequenz. Die Vierkanal-Sensorsysteme werden direkt integriert – entweder als Stand-alone-Version oder in bestehende FSM-Systeme – und kommen besonders bei großen Spiegeln oder speziellen Positionierungsanforderungen zum Einsatz.

Einsatz in der Satellitenkommunikation

Satellitenbasierte Datenübertragungen erfolgen heute per Funk oder mittels Laser. Eine Mechanik übernimmt das Nachführen des Laserstrahls, um ihn präzise auf das Ziel auszurichten. Im Strahlengang des Satelliten sitzt der FSM3000 im Zentrum des Laser Communication Terminals und hilft bei der Suche nach benachbarten Satelliten oder hält den Kontakt aufrecht, indem er kleinste Abweichungen der Ausrichtung im Mikroradiant-Bereich korrigiert. Er gleicht damit Vibrationen, Turbulenzen und Bewegungen in Echtzeit aus. Hierdurch bleibt der Laserstrahl immer stabil auf den Kommunikationspartner ausgerichtet und kann Datenraten im Gigabit-Bereich über tausende Kilometer übertragen.

Laserbearbeitung in Halbleiterproduktionen

Auch in der Elektronikproduktion kommen Fast Steering Mirrors zum Einsatz, um beispielsweise einen Laserstrahl zum Vereinzeln von gerade produzierten Halbleiter-ICs umzulenken. Beim sogenannten ‚Dicing‘ löst dabei ein Laser die einzelnen Chips aus einem Verbund heraus. Hier unterstützt der FSM3000 das Ausschneiden der feinen Chip-Kontur mit seiner hohen Kippfrequenz und Präzision. Das schnelle Reagieren des FSM kompensiert Vibrationen, Ungenauigkeiten im Handling oder kleine Abweichungen im Wafer. Hierdurch erreicht man ein hochpräzises, sauberes Trennen der Chips ohne Schäden und maximiert die Prozessgeschwindigkeit der Halbleiterproduktion.

Bildstabilisierung

Markus Behringer ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik. © Micro-Epsilon

Ein weiterer Anwendungsfall ist die industrielle Bildstabilisierung. Zur schnellen Bildgebung müssen Objektive während der Bewegung möglichst stabil bleiben, um scharfe Bilder zu erzeugen. Fast Steering Mirrors unterstützen das Ausgleichen der Objektivbewegungen, sodass jede Einzelaufnahme im Quasi-Stillstand erfolgen kann. Der FSM sitzt dabei im Strahlengang der Optik und kann den Spiegel mikro- bis milliradiantgenau kippen. Sensoren erfassen die aktuellen Bewegungen der Kamera oder des Bildes, der FSM3000 reagiert blitzschnell auf die Abweichungen und korrigiert den Strahl oder das Bildfeld. So bleiben die aufgenommenen Bilder ruhig und scharf, selbst wenn sich das System bewegt. 

Redaktion: Inka Krischke