Lamosafe

Es gibt viele Untersuchungen von verschiedenen Gruppen, die sich seit Jahrzehnten mit Mikro-Shutter-Arrays beschäftigen. Nachdem das Team der Universität Kassel lange Zeit an MEMS-Mikrospiegelarrays für intelligente Fenster in Gebäuden gearbeitet hat, ist es nun auch in das Gebiet der Mikroshutterarrays eingestiegen, und zwar mit einem Konzept für einen effektiven schnellen Augenschutz, insbesondere eine aktive Laserschutzbrille. Für unsere in diesem Abschnitt vorgestellten MEMS-Mikroshutter-Arrays gilt eine minimale Transmissivität Tmin von 0,01% und neuerdings eine maximale Transmissivität Tmax von 77%, einschließlich des Glassubstrats mit der transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO). Dies ergibt einen Modulationskontrast von Tmax/Tmin= 7700 zwischen offenem und geschlossenem Zustand. 

Tabelle 1. Vergleich verschiedener MEMS-Verschlusstechnologien: Materialien, Größe eines einzelnen Verschlusselements, experimentelle Charakterisierungsergebnisse und mögliche Anwendungen.

Die aktiven Laserschutzbrillen sind für den Schutz vor terroristischen Laserangriffen auf Piloten, Straßenbahn- und Busfahrer, Polizisten und Sicherheitspersonal konzipiert. Eine wichtige Anwendung ist der Schutz der Gesundheit des menschlichen Auges vor Lasereinschlägen im Straßenverkehr. Es ist sehr wichtig, einen Beitrag zur Lösung dieses immer noch wachsenden Problems zu leisten, das seit mehr als einem Jahrzehnt besteht und immer noch nicht zufriedenstellend gelöst ist. Ziel ist es, dieses Problem durch aktive Laserschutzbrillen zu lösen, indem ein ultraschnelles Schließen der MEMS-Shutter erreicht wird, nachdem Photodioden die Laserstrahlung erkannt haben.
Passive Laserschutzbrillen sind weitaus weniger leistungsfähig als aktive Brillen. Eine erste Art sind die auf dem Markt befindlichen photochromen Brillen, die die Geschwindigkeitsanforderungen nicht erfüllen und hinsichtlich der Transmission nicht ausreichend sind. Zum anderen sind konventionelle passive Laserschutzbrillen auf dem Markt, die auf optischer Filtertechnik beruhen. Jede dieser Schutzbrillen kann nur einen oder wenige bestimmte Wellenlängenbereiche absorbieren. Die durchgelassenen Spektren werden passiv durch den Filter selbst ausgewählt, was zu einem färbenden Effekt führt, wenn er für sichtbare Laserwellenlängen ausgelegt ist, da einige Wellenlängenbereiche vom weißen Spektrum abgezogen werden.  Ein weiterer Schwachpunkt der passiven Laserschutzbrillen, die alle über Beschichtungen verfügen, ist, dass ein einziger Kratzer, der durch die Beschichtung geht, den Schutz zerstört.

Wichtig ist, welche Anwendung in Betracht gezogen wird. So darf z. B. für alle Verkehrsanwendungen (Piloten im Cockpit, Bus- und Straßenbahnfahrer) kein passiver Laserschutz verwendet werden. Die Gründe dafür sind, dass passive Laserschutzbrillen (i) eine inakzeptabel niedrige Transmission bei Nacht haben, wenn die meisten Angriffe stattfinden, und (ii) der Pilot nicht die richtige Farbe von Displays oder Anzeige-LEDs sehen kann oder wichtige Details gar nicht sieht. Jeder einzelne Frequenzbereich, der von der passiven Laserschutzbrille blockiert werden soll, macht die mehrschichtige Beschichtung komplexer und weniger durchlässig. Angriffe auf Piloten durch Schichten wurden für Grün (532 nm), Rot (640 und 650 nm), Blau (405 nm) und andere berichtet. Ausgehend von Grün und unter Hinzunahme all dieser zu unterdrückenden Farben nimmt die Gesamtdurchlässigkeit deutlich ab (bis zu 35 %) und verändert die Farberkennung sehr negativ. Daher darf die passive Laserschutzbrille nicht im Straßenverkehr und schon gar nicht bei Nacht eingesetzt werden. Dies hat uns dazu motiviert, MEMS-Microshutter-Arrays für Laserschutzbrillen mit geeigneter Sensor- und Steuerungstechnologie zu entwickeln, die in der Lage sind, Laserlicht jeder Wellenlänge zu blockieren, das die festgelegten Augensicherheitsstufen überschreitet. Die aktive Lasertechnologie ermöglicht es, nicht nur die beiden oben genannten Probleme zu lösen, sondern auch die Sicherheit und Gesundheit hoch zu halten, ohne sie zu beeinträchtigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die MEMS-Microshutter-Array-Brille farbneutral ist, eine viel höhere Transmission hat und im geschlossenen Zustand eine viel höhere optische Dichte (OD) aufweist. 

Unsere metallischen MEMS-Microshutter-Arrays in der Laserschutzbrille befinden sich normalerweise in einem vollständig geöffneten Zustand und sollen sich auf Anforderung mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit schließen. Die Anordnung dieser Shutter in einem Array, das über ein Gitter verbunden ist, ermöglicht es den Shuttern, sich synchron mit den benachbarten Shuttern zu bewegen. Die Mikroshutter-Arrays in Laserschutzbrillen ermöglichen es, dass das Licht die Brille durchdringt und im normalen offenen Zustand die menschlichen Augen erreicht. Im Falle eines Laserangriffs schließen sie sich schnell und blockieren das einfallende Licht aller Wellenlängen im geschlossenen Zustand vollständig, da Laserlicht schwere Augenschäden verursachen kann. Die Shutter öffnen sich wieder, nachdem die Laserstrahlung abgeklungen ist, und ermöglichen die freie Sicht auf die Augen.
Im Standardzustand sind die Mikroblenden geöffnet und stehen senkrecht auf dem Substrat, wie in Abbildung 1 gezeigt, die aus drei Blickwinkeln aufgenommen wurde. Der rote Pfeil in Abbildung 1 (b) zeigt in die Längsrichtung des Ankers eines Shutters, der gleichzeitig das Kontaktgitter darstellt.

Abbildung 2 zeigt die angelegte elektrostatische Auslösespannung (blau) und die durch das Mikroverschluß-Array übertragene Lichtintensität (orange) als Funktion der Zeit. Die Messung zeigt die höchste bisher gemessene Schließgeschwindigkeit unserer Mikroshutter-Arrays. In diesem Fall sind die Abmessungen eines einzelnen Mikroshutters 2000 µm × 40 µm (Lx und Ly) und das Schrittspannungsprofil wechselt von 0 V auf 80 V. Unsere Simulationen haben gezeigt, dass sich die Schaltzeit verringert, wenn die Abmessungen des Mikroshutters (Ly) senkrecht zum Scharnier verringert werden. Die Höhe der Ansteuerspannung wirkt sich jedoch auch auf die Schließzeit der Mikroshutter-Arrays aus. Sehr niedrige Ansteuerspannungen und schnelles Schließen können nicht gleichzeitig erreicht werden. Es muss ein Kompromiss gefunden werden: Die Shutter können entweder auf ultraschnelles Schließen optimiert werden, wobei nur hohe Spannungen akzeptiert werden, oder sie können auf niedrige Betätigungsspannungen optimiert werden, wobei ein langsameres Schließen toleriert wird.
Für unsere Mikroshutter-Arrays für Laserschutzbrillen wurden verschiedene Dimensionen erforscht, um den Kompromiss zwischen Schaltzeit und Betätigungsspannung zu ermitteln - die beste Lösung wird derzeit noch untersucht.

Microshutter-Arrays bestehen aus Tausenden von Microshuttern in einem speziellen Format. Mit hohem Kontrast und hoher Schließgeschwindigkeit bieten Microshutter-Arrays eine vielversprechende Lösung für Sicherheitsanwendungen. Abhängig von der detektierenden Photodiode können Microshutter-Arrays für alle Wellenlängen oder das benötigte Spektrum als Laserschutzbrille eingesetzt werden. Der größte Vorteil von Microshutter-Arrays für Laserschutzbrillen ist, dass die metallischen Lamellen Laser aller Wellenlängen reflektieren und farbneutral sind.

Abbildung 1. REM-Schliffbilder (a) perspektivische Draufsicht auf die Mikroverschlüsse im geöffneten Zustand nach dem Abheben und Trocknen, (b) perspektivische Seitenansicht der stehenden flachen Verschlüsse, der rote Pfeil zeigt den Anker (Stützpfosten), d. h. das Verbindungsgitter. Der Pfeil zeigt in die Längsrichtung der Verankerung. (c) Perspektivische Draufsicht des Mikroverschlusses mit Blick auf die Klinge und das Gitter.

Abbildung 2. Lichtintensität, die durch das Mikroverschluss-Array übertragen wird, als Funktion der Zeit (orangefarbenes Profil und rechte Ordinate). Die angelegte elektrostatische Betätigungsspannung ist ebenfalls als Funktion der Zeit dargestellt (blaues Profil und linke Ordinate). Für ein Mikroshutter-Array mit den Abmessungen 2000 µm × 40 µm eines einzelnen Spiegels wurde eine Schließzeit von unter 1µs gemessen.