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MEMS-Spiegel plus Advanced Packaging

»LBS macht das Rennen um die AR-Brillen!«

11. April 2023, 9:30 Uhr | Heinz Arnold

So wird der Lichtstrahl in den Waveguide der Brille eingekoppelt.

OQmented setzt wie TriLite auf die LBS-Technik und sieht seine Stärken in den MEMS-Spiegeln und in einer speziellen Wafer-Level-Fertigungstechnik – was beides zu kostengünstigen Displays für Consumer-AR-Brillen führt.

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Nach meiner Überzeugung bilden auf MEMS-Spiegel basierende Laser-Beam-Scanning-Module die idealen Projektions-Displays für AR-Brillen«, erklärt Ulrich Hofmann, Co-CEO und Mitgründer von OQmented. Er begann 1994 am Fraunhofer ISIT mit der Entwicklung von MEMS-Spiegeln, kennt die Technologie also von der Pike auf.

»Es kommt darauf an, die MEMS-Technik, so gut sie ist, nicht isoliert zu betrachten, sondern sie abgestimmt auf die Treiber-Elektronik und die Optik zu entwickeln und gleichzeitig auf die Fertigungstechnik zu achten – denn die MEMS-Spiegel und das gesamte LBS-Modul müssen sehr kosteneffektiv produziert werden«, erklärt Ulrich Hofmann. Denn AR-Brillen dürfen als Gebrauchsgüter eine bestimmte Preisschwelle nicht überschreiten. Nur so können sie entsprechend der heutigen Vision einmal in die Stückzahlbereiche von Smartphones vorstoßen.

2018 sahen Hofmann und sein Mitstreiter Thomas von Wantoch ihre Chance gekommen; sie verfügten über die erforderlichen Technologien, um eine eigene Firma aus dem Fraunhofer ISIT auszugründen. Das Ziel: LBS-Module, unter anderem für den Einsatz in AR-Brillen, auf den Markt zu bringen. »Es kommt dabei nicht nur darauf an, spezielle Techniken besonders gut zu beherrschen, sondern auf das optimierte Zusammenspiel der ganz unterschiedlichen optischen, elektronischen und mechanischen Elemente, die erforderlich sind, um ein LBS-Modul aufzubauen.«

Selbstverständlich legt OQmented besonderes Gewicht auf das Herz des Systems, die MEMS-Spiegel. Sie wären aber ohne die entsprechende Steuerelektronik sowie die Treiber wenig Wert. »Deshalb entwickeln wir sogar unsere ASICs und Treiber selbst«, so Hofmann. Ergebnis ist ein System, das nur einen einzigen Spiegel für die Auslenkung in x- und y-Richtung erfordert statt die komplexeren Zwei-Chip-Ansätze der Konkurrenz. Weil alles aufeinander abgestimmt sei, reduziere sich die Fläche für die Aktorik der Spiegel entscheidend. Dabei schreibt der Laserstrahl das Bild nicht wie in herkömmlichen Displays üblich Zeile für Zeile, sondern verfolgt Lissajous-Figuren.

Das hat mehrere Vorteile: Das Bild wird viel schneller aufgebaut, als es über den Aufbau Zeile für Zeile möglich wäre, was eine genauere Darstellung schnell bewegter Objekte erlaubt. Und das System kommt mit einer vergleichsweise geringen Energieaufnahme aus. Außerdem beschäftigt sich OQmented auch mit der Entwicklung der optischen Komponenten, die für das LBS-Modul erforderlich sind, und bietet seinen Kunden vollständige Projektoren, sogenannte Light-Engines, an.

Als einen wesentlichen Faktor sieht Hofmann die Wafer-Level-Vacuum-Packaging-Technik an, die er seit 2007 am Fraunhofer ISIT mitentwickelt hat und die heute einen wesentlichen Differenzierungsfaktor zum Wettbewerb darstelle. Denn damit lassen sich viele Mini-Projektoren parallel auf einem Wafer fertigen, was zu einer sehr kosteneffektiven Produktion in hohen Stückzahlen führt – wie aus der IC- und Wafer-Level-Packaging-Fertigung bekannt.

Dazu kommt noch ein weiterer Vorteil: »Wir stellen ein Vakuum her und verkapseln die MEMS hermetisch, das ist sauber, verlängert die Lebensdauer entscheidend und erhöht die optisch erreichbare Auflösung um das Zehnfache.« Denn wenn – wie in anderen Technologien – Luft die MEMS-Spiegel umgibt, degradiert wegen der dort vorhandenen Feuchte das Silizium, die Federn der Spiegel können brechen: Je höher die Luftfeuchte, desto geringer die Lebensdauer.

Außerdem können die Spiegel im Vakuum gegenüber Luft einen zehnmal größeren Scan-Winkel erreichen, »was enorm viel Energie spart und somit die AR-Brillen-Nutzungsdauer bis zum erforderlichen nächsten Aufladen des AR-Brillen-Akkus zu verlängern hilft«, so Hofmann. Dazu wird auf den Wafer mit den MEMS-Spiegeln ein zweiter Glaswafer gebondet; jedes LBS-Modul schützen kleine Glaskuppeln, die auf den ersten Blick an Linsen erinnern, aber keinerlei optische Funktion haben. »Wir können eine hundertmal so große Fläche abscannen, als wenn Luft die MEMS-Spiegel umgäbe, deshalb kommen wir mit wenigen Milliwatt Leistungsaufnahme aus, das macht unsere Technologie einzigartig«, freut sich Hofmann.