DE102007051520A1

DE102007051520A1 - Komplexwertiger räumlicher Lichtmodulator

Info

Publication number: DE102007051520A1
Application number: DE102007051520A
Authority: DE
Inventors: Stephan Reichelt
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: WO2009053267A1; JP2011501211A; TWI410698B; JP5634265B2; US20100253995A1; TW200935118A; US8472103B2; DE102007051520B4

Abstract

In einem pixelierten räumlichen Lichtmodulator mit einem gitterbasierten Modulatorelement je Pixel sollen eine ortsabhängige reelle Amplitude und eine ortsabhängige Phase voneinander unabhängig zur komplexwertigen Modulation einer kohärenten Wellenfront einstellbar sein. Die Erfindung betrifft einen komplexwertigen räumlichen Lichtmodulator mit einem regulär aufgebauten Pixelarray, wobei jeder Pixel ein steuerbares reflektierendes Liniengitter aufweist. Die Modulation der Amplitude und Phase erfolgt voneinander unabhängig in jedem Modulatorelement durch Relativbewegungen des freitragenden Liniengitters gegenüber einer Basisplatte. Die Liniengitter sind derart aufgehängt und gelagert, dass durch eine Systemsteuerung gesteuert sowohl der Abstand zwischen Basisplatte und Liniengitter (normale Verstellung zur Amplitudenmodulation) als auch die laterale Verstellung des Liniengitters in der Gitterebene selbst (Phasenmodulation) verändert wird. Dadurch wird das reflektierte Licht voneinander unabhängig moduliert. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum komplexwertigen Modulieren einer Wellenfront. Der Lichtmodulator ist in Bereichen einsetzbar, die auf optischen Technologien basieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen räumlichen Lichtmodulator mit regulär angeordneten Pixeln, wobei jeder Pixel ein Modulatorelement in Form eines steuerbaren Liniengitters zur komplexwertigen Modulation einer Wellenfront aufweist, sowie ein Verfahren, mit dem die komplexwertige Modulation realisiert werden kann.
Räumliche Lichtmodulationseinrichtungen umfassen mindestens einen räumlichen Lichtmodulator (SLM), der in dieser Erfindung auf der Basis von MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ausgeführt ist.
MEMS-basierte SLM-Systeme sind in verschiedenen Ausführungsformen und unter verschiedenen Namen bekannt geworden. Bekannte Ausführungsbeispiele sind Spiegelarrays wie DMD (Digital Mirror Device), DM (Deformable Mirror), Mikro-Hubspiegelarrays (Piston Micro Mirror Array) und beugungsgitterbasierte Systeme wie GLV (Grating Light Valve), SOM (Spatial Optical Modulator) oder GEMS (Grating Electro Mechanical System). Räumliche Lichtmodulatoren werden in nahezu allen Bereichen eingesetzt, welche auf optischen Technologien basieren und bei denen variable bzw. adaptive optische Elemente vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Die Anwendungsfelder von räumlichen Lichtmodulatoren reichen von Display- und Projektionssystemen für den Verbrauchermarkt über Mikroskopie (Optische Pinzette, Phasenfilter, Digitale holographische Mikroskopie, in-vivo Bildgebung), Strahl- und Wellenfrontformung mittels dynamischer diffraktiver Elemente (Lasermaterialbearbeitung, Messtechnik, Fokuskontrolle), optische Messtechnik (Digitale Holographie, Streifenprojektion, Shack-Hartmann Sensor) bis hin zu Anwendungen in der maskenlosen Lithographie, in der ultra-schnellen Laserpulsmodulation (Dispersionskompensation) oder bei terrestrischen Teleskopen (dynamische Aberrationskorrektur).
In den MEMS-basierten SLM-Systemen wirkende Pixel sind beugungsgitterbasierte Modulatorelemente, die nach dem Prinzip der einstellbaren Beugungseffizienz in den reflektierten Ordnungen von Phasengittern arbeiten, wobei aus Effizienzgründen zumeist die ±1. Ordnungen verwendet werden.
Die Beugungseffizienz η eines diffraktiven Elementes ist allgemein als Quotient aus der Intensität der austretenden Wellenfront und der Intensität der einfallenden Wellenfront definiert. Die Beugung wird bei einem Phasengitter durch einen Phasenhub realisiert, der entweder binär oder kontinuierlich einstellbar ist. Die binäre Ansteuerung erfordert einen Pulsbetrieb, um über eine Pulsweitenmodulation den gewünschten Grauwert in der Amplitude einzustellen.
Es sind Ausführungsformen von beugungsgitterbasierten MEMS-SLM bekannt geworden, die zur Modulation entweder die Liniengitter insgesamt oder einzelne Stege der Liniengitter vertikal bewegen. Bekannten beugungsgitterbasierten Systemen ist gemeinsam, dass eine Amplitudenmodulation des gebeugten Wellenfeldes angestrebt wird. Die Phase des gebeugten Wellenfeldes kann nicht gezielt moduliert werden, da sie sich einerseits nicht entkoppelt von der Amplitudenmodulation verhält und andererseits nur sehr geringfügig variiert.
Dahingegen existieren Mikro-Hubspiegelarrays als räumliche Lichtmodulatoren, welche gezielt nur die Phase eines reflektierten Wellenfeldes modulieren. Die Phase wird moduliert, indem benachbarte Pixel einen Höhenversatz zueinander aufweisen, der zu einer relativen Phasenverschiebung des reflektierten Wellenfeldes führt.
Für viele Anwendungen ist entweder eine reine Amplituden-, reine Phasen- oder die beschriebene gekoppelte Amplituden- und Phasenmodulation einer Wellenfront ausreichend. Andererseits existieren zahlreiche Anwendungen, bei denen eine komplexwertige Modulation einer Wellenfront wesentlich ist. Unter komplexwertiger Modulation wird eine Einstellung komplexer Werte mit Real- und Imaginärteil, also hier von Amplitude und Phase, verstanden.
Anwendungsbeispiele für die eine komplexwertige Modulation wesentlich ist, sind holographische Display-Systeme, Anwendungen in der optischen Informationsverarbeitung und Datenspeicherung sowie die maskenlose Lithographie. Die Forderung nach einer komplexwertigen Modulation spiegelt sich auch in verschiedensten Dokumenten zu diesen Anwendungen wider.
Beispielsweise wurden Kodierungsmethoden entwickelt, mit denen auch mit reinen Phasen- oder Amplitudenhologrammen eine komplexe Amplitude eines Wellenfeldes gespeichert werden kann. Allerdings gehen diese Methoden auf Kosten von Effizienz, Auflösung oder Phasenrekonstruktionsgüte.
In den Dokumenten EP 0 477 566 B1 und US 7 227 687 B1 wird beschrieben, wie durch das Zusammenfassen von mehreren phasenschiebenden Subpixeln zu einem größeren Pixel ein komplexer Wert pro Pixel realisiert wird und damit komplexwertige räumliche Lichtmodulatoren aufgebaut werden können.
Aus der Patentschrift US 3 890 035 sind ferner Kombinationen von mehreren SLM bekannt geworden, bei denen die Modulation von Amplitude und Phase durch zwei hintereinander angeordnete SLM realisiert wird.
Es ist festzustellen, dass räumliche Lichtmodulatoren für die verschiedensten Technikgebiete mit folgenden Eigenschaften benötigt werden: eine große Pixelanzahl sowie eine kleine Pixelgröße (d. h. großes Space Bandwidth Product), hohe Modulationsgeschwindigkeit, hoher dynamischer Bereich, hohe Beugungseffizienz, analoge oder digitale Ansteuerung mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, hoher Füllfaktor, Anwendung in verschiedenen Spektralbereichen des Lichts und bei verschiedenen Leistungsdichten.
Aus der Theorie der beugungsbasierten Gittersysteme ist bekannt, dass bei der Modulation von Wellenfeldern in reflektiven gitterbasierten räumlichen Lichtmodulatoren bei einer relativen Änderung des Abstandes des Gitters zu einer Basis sowohl die Beugungseffizienz (Amplitudenquadrat) als auch in geringem Maße die Phase beeinflusst werden. Beide Größen sind jedoch miteinander gekoppelt, d. h. nicht unabhängig voneinander einstellbar.
Um die Phase der reflektierten Wellenfronten unabhängig von einer relativen Gitterverschiebung normal zur Modulatorebene einstellen zu können, ist ein weiterer Freiheitsgrad in der Bewegung der Gitter notwendig. Aus der interferometrischen Messtechnik ist bekannt, dass eine Verschiebung eines Liniengitters eine Phasenverschiebung in den Beugungsordnungen m ≠ 0 bewirkt. Wird ein Liniengitter parallel zu seinem Gittervektor und senkrecht zur einfallenden Wellenfront bewegt, wird die Phase der in m. Ordnung gebeugten Welle um m·2π mal der Anzahl der Gitterperioden p geschoben, die durch einen festgehaltenen Bezugspunkt wandern.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen raumlichen Lichtmodulators werden die wesentlichen theoretischen Grundlagen am Ende der Beschreibung detaillierter behandelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die komplexe Amplitude eines auf einen pixelierten Lichtmodulator einfallenden Wellenfeldes in jedem Pixel räumlich und zeitlich zu modulieren. Dabei sollen beide Komponenten der komplexen Amplitude, die ortsabhängige reelle Amplitude und die ortsabhängige Phase, unabhängig voneinander und vorzugsweise im jeweiligen gesamten Wertebereich (reelle Amplitude: 0 ≤ A ≤ 1 sowie Phase: 0 ≤ ϕ ≤ 2π) in jedem Pixel einstellbar sein. Ein derartiger räumlicher Lichtmodulator soll eine verbesserte Beugungseffizienz, Auflösung und/oder Phasenrekonstruktionsgüte realisieren.
Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen räumlichen Lichtmodulators (SLM) beruht auf den Gesetzmäßigkeiten der skalaren Beugungstheorie, speziell in der Anwendung auf Liniengitter.
Der SLM weist eine Vielzahl von Pixeln auf, welche regulär in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, und wird von einem Wellenfeld beleuchtet. Jeder Pixel des SLM enthält ein Modulatorelement in Form eines steuerbaren reflektierenden Liniengitters mit einer Gitterperiode p, dessen Lage erfindungsgemäß von einer Systemsteuerung gesteuert in zwei Richtungen voneinander unabhängig veränderbar ist. Speziell ist die Lage des Liniengitters einmal normal zur Ebene des Lichtmodulators und zum anderen lateral in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene, jedoch senkrecht zur Struktur des Liniengitters, voneinander unabhängig veränderbar, um eine Phasen- und eine Amplitudenmodulation des einfallenden Wellenfeldes auszuführen. Durch die Lageveränderungen wird erreicht, dass die mit der Amplitudenmodulation gekoppelte Phasenmodulation des einfallenden Wellenfeldes einen zusätzlichen Phasenwert erhält, der die resultierende Phasenverteilung ergibt.
Das Liniengitter eines Pixels besteht bekanntermaßen aus mehreren Gitterbändern oder aus einem Gitterband, das mehrere Gitterstege aufweisen kann.
Die Gitterstege sind erfindungsgemäß freitragend über einer Basisplatte angeordnet, die sich in der Lichtmodulatorebene oder einer dazu parallelen Ebene befindet. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung können die Gitterstege mit einem Abstand zwischen benachbarten Gitterstegen ausgebildet sein. In einer zweiten Ausführungsform enthält das Liniengitter mehrere eng nebeneinander liegende Gitterstege. In beiden Ausführungsformen sind die Gitterstege bewegbar gelagert, um sich in der Gitterebene von einer Ausgangslage in eine Richtung senkrecht zur Struktur des Liniengitters bewegen zu können. Dabei können in einem Pixel einzelne Gitterstege oder alle Gitterstege gemeinsam bewegt werden. Die Vielzahl der Pixel wird durch elektrische Signale einer Systemsteuerung derart gesteuert, dass die Amplitude und die Phase der in jedem Pixel auf die Modulatorelemente fallenden Wellenfronten voneinander unabhängig moduliert werden.
Von der Systemsteuerung ausgehende Steuersignale veranlassen eine Vielzahl von Aktorelementen, die Lage der mit ihnen durch bewegliche Verbindungsmittel verbundenen Liniengitter relativ zur Basisplatte zu ändern. Die durch die Aktorelemente hervorgerufenen Veränderungen der Lage der Liniengitter relativ zur Basisplatte decken dabei vorteilhaft den gesamten Wertebereich der Amplituden- und Phasenwerte zwischen den einzelnen Pixeln ab.
Die Wirkung der Aktorelemente beruht vorzugsweise auf den Prinzipien der Elektrostatik, der Elektromagnetik oder des Piezoeffektes.
Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass die in der Lichtmodulatorebene erzeugte resultierende Amplituden- und Phasenverteilung für einen Schaltzustand des Lichtmodulators binär, N-stufig binär oder sägezahnförmig sein kann.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen komplexwertigen Lichtmodulator, dessen Pixel wahlweise im Amplitudenmodus, im Phasenmodus oder im komplexwertigen Modus betrieben werden, sowie mit mindestens einer Lichtquelle, einer Abbildungsoptik und einer Filtereinheit. Unerwünschte Beugungsordnungen werden durch die vorgesehene Filtereinheit ausgeblendet. Im gitterbasierten SLM wird vorzugsweise nur eine Beugungsordnung des modulierten Wellenfeldes genutzt.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Modulation eines Wellenfeldes gelöst, das auf einen räumlichen Lichtmodulator mit regulär angeordneten reflektierenden Pixeln einfällt, wobei jeder Pixel ein reflektierendes Modulatorelement in Form eines steuerbaren Liniengitters mit einer Gitterperiode p aufweist. Bei dem Verfahren steuert eine Systemsteuerung eine Lageveränderung des Liniengitters normal zur Ebene des Lichtmodulators und lateral in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene, jedoch senkrecht zur Struktur des Liniengitters, voneinander unabhängig, wobei eine mit einer durchzuführenden Amplitudenmodulation gekoppelte Phasenmodulation des einfallenden Wellenfeldes einen zusätzlichen Phasenwert erhält.
Die Verfahrensschritte der Lageveränderung des Liniengitters voneinander unabhängig werden lateral in einer Ebene parallel zur Ebene des Lichtmodulators, jedoch senkrecht zur Struktur des Liniengitters, zur Phasenänderung der reflektierten Wellenfront und normal zur Ebene des Lichtmodulators zur Amplitudenänderung der Wellenfront durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird der Wert der zusätzlichen Phasenmodulation entweder durch eine Modellrechnung von einer Recheneinheit ermittelt, die in die Systemsteuerung integriert ist. Eine andere Möglichkeit der Ermittlung des zusätzlichen Phasenwertes benutzt eine Kalibrationsmessung, deren Werte in einem Speichermittel gespeichert werden und von einer Recheneinheit abgerufen werden.
Eine weitere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Systemsteuerung durch die Bewegung von Gitterbändern in normaler Richtung ein gestuftes Phasenprofil realisiert, indem N Gitterbänder pro Gitterperiode p zueinander mit einem Abstand Δt/N in einem Liniengitter versetzt bewegt werden.
Der SLM kann auch derart abgesteuert werden, dass in unterschiedlichen Pixeln des Arrays unterschiedliche Gitterperioden realisiert werden. Dadurch erreicht man unterschiedliche Austrittswinkel des gebeugten Wellenfeldes. Beispielsweise kann der SLM in verschiedene Pixelbereiche aufgeteilt werden, die jeweils ein anderes vorgegebenes Wellenfeld rekonstruieren. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen SLM auch ein räumliches Multiplexing von sich unterscheidenden Wellenfeldern zeitgleich realisiert werden.
Der erfindungsgemäße komplexe räumliche Lichtmodulator wird nachfolgend näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
1 einen erfindungsgemäßen komplexen Lichtmodulator mit einer Anzahl von Pixeln in einer 2D-Anordnung sowie eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen Pixels,
2a, b einen funktionellen Aufbau eines gitterbasierten Pixels des erfindungsgemäßen komplexen Lichtmodulators in zwei Ausgestaltungsbeispielen in perspektivischen Ansichten,
3a, b, c eine Ausführungsform eines Pixels gemäß 2a in drei verschiedenen Schaltzuständen in Seitenansichten,
4a, b, c eine weitere Ausführungsform eines Pixels gemäß 2b in drei verschiedenen Schaltzuständen in Seitenansichten,
5a, b, c eine weitere Ausführungsform eines Pixels in drei verschiedenen Schaltzuständen in Seitenansichten,
6a, b, c eine weitere Ausführungsform eines Pixels in drei verschiedenen Schaltzuständen in Seitenansichten,
7 in eindimensionalen grafischen Darstellungen die Beugungseffizienz η (in Beziehung zur Amplitude stehend) sowie die resultierenden Phasenbeiträge Ψ und Φ bei einer Verstellung des Liniengitters in normaler und lateraler Richtung über mehrere Perioden,
8 in zweidimensionalen grafischen Darstellungen die Beugungseffizienz η sowie den resultierenden ortsabhängigen Gesamt-Phasenbeitrag ϕ bei einer Verstellung des Liniengitters in normaler und lateraler Richtung über mehrere Perioden,
9 in eindimensionalen grafischen Darstellungen die Beugungseffizienz η sowie die resultierenden Phasenbeiträge Ψ und Φ bei einer Verstellung des Liniengitters in normaler und lateraler Richtung über eine Periode,
10 in zweidimensionalen grafischen Darstellungen die Beugungseffizienz η sowie den resultierenden ortsabhängigen Gesamt-Phasenbeitrag ϕ bei einer Verstellung des Liniengitters in normaler und lateraler Richtung über eine Periode,
11 die Operationskurve des erfindungsgemäßen komplexwertigen Lichtmodulators,
12a, b die Operationskurven für eine reine normale (a) oder reine laterale (b) Verstellung eines Liniengitters, wobei (a) den Stand der Technik darstellt, und
13 ein Flussdiagramm zur Einstellung eines Pixelwertes im komplexen Lichtmodulator für unterschiedliche Modulationsarten einfallender Wellenfronten.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen erfindungsgemäßen Lichtmodulator (SLM), für den stellvertretend nur jeweils ein Pixel näher beschrieben wird. Der Klarheit halber werden Details von diffraktiven bzw. gitterbasierten SLM, welche weitgehend bekannt und insbesondere nicht relevant für die vorliegende Erfindung sind, von der folgenden Beschreibung ausgespart.
Um die Eigenschaften eines gitterbasierten räumlichen Lichtmodulators zu nutzen, muss die Amplituden- und Phasenverteilung in der Ebene des Lichtmodulators jeweils als binäre, N-stufig binäre oder sägezahnförmige Verteilung realisiert werden. Das vorhandene Gitter wird mit einer kohärenten Wellenfront vorzugsweise in Normalenrichtung beleuchtet, wobei die einfallende Welle eine Amplitude und Phase aufweist.
Der komplexe räumliche SLM der Erfindung besteht aus einem Array mit einer Vielzahl von regulär angeordneten reflektiven Pixeln. Das Array von Pixeln kann als ein- oder zweidimensionales Array realisiert werden.
In 1 ist in Draufsicht ein zweidimensionales Pixelarray des genannten SLM zu sehen. Der Pfeil zeigt einen daraus vergrößert dargestellten gitterbasierten Pixel als Einzelheit. Der Darstellung des Pixels ist zu entnehmen, dass nicht näher bezeichnete Aktorelemente ein bewegliches Verbindungsmittel seitlich kontaktieren können. Das Verbindungsmittel kann z. B. ein Rahmen mit kammförmig ausgebildeten Seitenteilen sein, mit dem Gitterstege oder Gitterbänder eines Liniengitters beweglich verbunden sind. Die laterale Ausdehnung eines Pixels liegt im Bereich von typischerweise einigen Mikrometern bis wenigen Hundert Mikrometern.
Die 2a und 2b zeigen zwei prinzipielle erfindungsgemäße Ausgestaltungsbeispiele jeweils eines Pixels in perspektivischen Ansichten. Jeder Pixel enthält ein als koplanares Liniengitter ausgebildetes Modulatorelement, das über eine nicht dargestellte Systemsteuerung ansteuerbar ist.
Das Liniengitter in 2a enthält parallel zueinander verlaufende bewegbare Gitterstege oder Gitterbänder, welche von dazwischen liegenden so genannten Gitterfurchen lateral getrennt sind. Die Gitterbänder haben einen Abstand, der einer Gitterperiode p des Liniengitters entspricht. Sie sind freitragend mit einem Abstand t₀ über einer Basisplatte angeordnet, wobei t₀ die Ausgangslage für die zu vollziehende Bewegung angibt. Jedem Pixel des Lichtmodulators kann eine separate Basisplatte zugeordnet werden. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann aber auch die Basisplatte ein gemeinsames Grundelement für alle Pixel sein. Der für die Modulation der einfallenden Wellenfelder zu erzeugende laterale Verstellweg parallel zur Ebene der Basisplatte und gleichzeitig parallel zum Gittervektor der Liniengitter ist mit Δx angegeben, der Verstellweg normal zur Ebene der Basisplatte mit Δt. Beide Verstellwege sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet.
In der folgenden Beschreibung wird für diese beiden Verstellwege verkürzend der Begriff „laterale Verstellung" und „normale Verstellung" bzw. nur „lateral" und „normal" verwendet.
Weiterhin sind durch einen Pfeil in Richtung Liniengitter die Einfallsrichtung der kohärenten, zu modulierenden Wellenfelder und durch entgegengesetzt gerichtete Pfeile die Richtungen der 0. sowie der ausgewählten ±1. Beugungsordnungen der reflektierten modulierten Wellenfelder gekennzeichnet.
Die Gitterbänder sind entweder aus selbst reflektierendem Material gefertigt oder reflektierend beschichtet. Die Basisplatte ist je nach Ausgestaltungsbeispiel auch entweder aus selbst reflektierendem Material gefertigt bzw. reflektierend beschichtet oder absorbierend bzw. absorbierend beschichtet.
Am oberen und unteren Rand des Pixels sind die Gitterbänder über ein nicht dargestelltes Verbindungsmittel, z. B. einen bewegbaren Rahmen, miteinander verbunden. Am Rahmen können ein oder mehrere ansteuerbare Aktoren angebracht sein, welche die lateralen (in-plane) Verstellungen der Liniengitter gewährleisten. Zusätzlich können an diesem Rahmen andere ansteuerbare Aktoren angebracht sein, welche die normalen (piston-like, out-of-plane) Verstellungen der Liniengitter realisieren. Die letztgenannten Bewegungen sind Hubbewegungen. Prinzipiell werden die Aktoren durch Steuersignale der nicht dargestellten Systemsteuerung angesteuert.
Für die gesteuerten Bewegungen der Gitterbänder können Aktoren eingesetzt werden, die beispielsweise nach den Wirkprinzipien der Elektrostatik, der Elektromagnetik oder des Piezoeffektes arbeiten. Eine laterale Bewegung kann beispielsweise elektrostatisch mittels eines so genannten kammförmigen (comb-drive) Aktors realisiert werden, der gleichzeitig mehrere Gitterbänder aufnehmen und bewegen kann. Eine Hubbewegung kann ebenso elektrostatisch, z. B. mittels so genannter Feder-(bimorph-flexure) oder Hebel-(bimorph-cantilever)Aktoren erzeugt werden.
Um alle auftretenden Amplituden- und Phasenwerte unabhängig voneinander im komplexwertigen Lichtmodulator einstellen zu können, ist ein normaler Mindestverstellweg von Δt = λ/4 der vorgesehenen Wellenlänge sowie ein lateraler Mindestverstellweg von Δx = p der Gitterbänder erforderlich. Aufgrund der Reflexion der Wellenfronten an der Basisplatte in den Gitterfurchen wird der geometrische Weg zweimal durchlaufen, so dass eine effektive Phasendifferenz φ bei einem Abstand t = λ/4 dem Wert von π entspricht. Bei dieser Phasendifferenz φ wird die maximale Beugungseffizienz η bei Phasengittern bzw. hier der Gitterbänder erreicht. Das in 2a dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines komplexwertigen Lichtmodulators (C-SLM) kann vorteilhaft verwendet werden, wenn der Initialabstand t₀ der Gitterbänder einem Vielfachen von λ/4 entspricht. Aufgrund einer Mindestdicke der Gitterstege, die durch Bänder realisiert werden können, sowie vorgegebener geometrischer und technologischer Randbedingungen wird dies die bevorzugte Realisierung eines C-SLM sein.
Dieser C-SLM gestattet es, dass sich die in den Pixeln angeordneten Modulatorelemente lateral und normal voneinander entkoppelt über einen kleinen Bereich verstellen lassen und dadurch einfallende Wellenfelder in Amplitude und Phase voneinander unabhängig modulieren lassen.
In einem zweiten Ausgestaltungsbeispiel entsprechend 2b wird das Liniengitter eines Pixels aus parallel mit sehr geringem Abstand nebeneinander liegenden Gitterstegen gebildet. Sie sind freitragend über einer Basisplatte als Gitterbänder angeordnet, von denen sich z. B. jedes zweite Gitterband normal verstellen lässt. Die einzelnen Gitterbänder liegen so dicht beieinander, dass sie sich gerade noch ohne wechselseitige Beeinflussung normal verstellen lassen. Vorteilhafterweise hat bei dieser Ausführungsform die Basisplatte für das Licht einer vorgegebenen Wellenlänge eine absorbierende Eigenschaft, um den Einfluss des durch den sehr geringen Abstand hindurch tretenden Lichtes effektiv zu unterdrücken. Die Gitterbänder selbst sind wieder reflektierend ausgebildet. Die zweite Ausgestaltung eines Lichtmodulators wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der C-SLM in einer geringen Ordnung der effektiven Phasendifferenz φ betrieben werden soll, d. h. wenn der Abstand der Gitterbänder zur Basisplatte beispielsweise Werte zwischen 0 und λ/4 annehmen soll.
In einer weiteren Ansteuerungsform des zweiten Ausgestaltungsbeispiels können mehrere nebeneinander liegende Gitterbänder gemeinsam normal bewegt werden, um so entweder andere effektive Gitterperioden p oder andere effektive Tastverhältnisse der Liniengitter eines Pixels zu realisieren.
In den 3a bis 3c ist eine Ausführungsform eines Pixels gemäß 2a in drei verschiedenen Schaltzuständen jeweils in Seitenansichten dargestellt. Über einer Basisplatte sind jeweils einzelne parallele Gitterstege, getrennt durch eine Gitterfurche zwischen zwei benachbarten Gitterstegen, mit einer Gitterperiode p zu sehen. Sowohl die Basisplatte als auch die Gitterstege sind reflektierend ausgebildet.
3a zeigt einen Pixel des C-SLM in seinem Initialzustand. Das kann nach Wahl des Initialabstands t₀ zwischen den freitragenden Gitterstegen und der Basisplatte entweder einem deaktivierten (OFF-)Schaltzustand – dunkler Pixel bei t = nλ/4 – oder einem aktivierten (ON-)Schaltzustand – heller Pixel bei t = (n + 1)λ/4 – mit n = 0, 2, 4, ... entsprechen. Die lateralen und normalen Verstellrichtungen Δx und Δt sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet.
In 3b sind die Gitterstege des Pixels um den Verstellweg Δt in Richtung Basisplatte bewegt worden. Die Ausgangslage bzw. der Initialabstand t₀ ist gestrichelt dargestellt. Der mit dieser Bewegung verbundene Schaltzustand wird auch mit SLM aus dem Stand der Technik realisiert und erlaubt es, die Beugungseffizienz η gezielt zu manipulieren. Mit dieser normalen Verstellung der Gitterstege ist ebenfalls, wie eingangs beschrieben, eine kleine Phasenverschiebung verbunden. Diese bewirkt aber eine an die Amplitudenmodulation gekoppelte marginale Phasenmodulation der einfallenden Wellenfronten. Durch eine zusätzliche laterale Verstellung Δx der Gitterstege kann dann unabhängig von der bereits ausgeführten normalen Verstellung Δt der ortsabhängige Phasenwert pro Pixel eingestellt werden. Dies ist in 3c zu sehen. Die laterale Verstellung aller Gitterstege erfolgt hier gemeinsam und kann z. B. durch kammförmige Aktorelemente ausgeführt werden, die von der Systemsteuerung durch entsprechende Steuersignale gesteuert werden.
Die 4a bis 4c zeigen die Seitenansichten eines Pixels des zweiten Ausgestaltungsbeispiels gemäß 2b in drei verschiedenen Schaltzuständen. Über einer Basisplatte sind in 4a jeweils parallele, eng aneinander liegende reflektive Gitterstege mit einer wirksamen Gitterperiode p zu sehen. Mit einem Initialabstand t₀ wirken die freitragend angeordneten Gitterstege wie eine gewöhnliche Spiegelfläche. Die Gitterstege sind hier als Gitterbänder ausgebildet. Über nicht dargestellte, angesteuerte Aktoren ist entsprechend dem Schaltzustand in 4b jedes zweite Gitterband aktiviert und gegenüber dem Initialabstand t₀ um den Verstellweg Δt in normaler Richtung bewegt worden. Jedes zweite Gitterband gehört damit einer Ebene an, die parallel zur Basisplatte und damit zur Ebene des Lichtmodulators liegt.
Entsprechend 4c werden die Gitterbänder lateral in ihrer jeweiligen Ebene und senkrecht zur Struktur des Liniengitters noch um den Verstellweg Δx bewegt.
Durch dieses wechselseitige Verstellen jedes zweiten Gitterbandes sowohl lateral als auch normal wird ein diffraktiv wirkender Pixel realisiert, der die einfallenden Wellenfronten voneinander unabhängig in Amplitude und Phase moduliert. Der Verstellweg Δt in jedem Pixel definiert, wie die gebeugten Intensitäten auf die einzelnen Beugungsordnungen verteilt werden.
Es können in einer weiteren Ausführungsform ebenso mehrere nebeneinander liegende Gitterbänder gemeinsam normal bewegt werden, um so andere effektive Gitterperioden p oder andere effektive Tastverhältnisse der Liniengitter im Pixel zu realisieren. Dies führt entweder zu anderen vorgegebenen Beugungswinkeln oder zu anderen resultierenden Beugungseffizienzen, was vorteilhaft zur Modulation genutzt werden kann.
Die 5a bis 5c zeigen die Seitenansichten eines Pixels eines dritten Ausgestaltungsbeispiels in drei verschiedenen Schaltzuständen.
Über einer Basisplatte sind jeweils parallele, eng aneinander liegende reflektive Gitterbänder mit einer wirksamen Gitterperiode p in 5a zu sehen.
Vorteilhafterweise hat wiederum die Basisplatte für das Licht einer vorgegebenen Wellenlänge eine absorbierende Eigenschaft, während die Gitterbänder selbst wieder reflektierend ausgebildet sind. Eine Gitterperiode p wird aus N nebeneinander liegenden Gitterbändern gebildet. Mit einem Initialabstand t₀ wirken die freitragend angeordneten Gitterbänder wie eine gewöhnliche Spiegelfläche. Die Gitterbänder sind hier sehr schmal ausgebildet.
Über nicht dargestellte, angesteuerte Aktoren ist entsprechend dem Schaltzustand jedes Gitterband getrennt voneinander ansteuerbar.
In 5b sind alle Gitterbänder, außer dem ersten Gitterband einer Periode, normal bewegt worden. Sie liegen in Ebenen, die parallel zueinander und parallel zur Basisplatte verlaufen. Die Bewegung in Normalenrichtung ist dabei derart erfolgt, dass mittels der N = 4 Gitterbänder 4 verschiedene Phasenstufen innerhalb einer Gitterperiode p eingestellt wurden. Bei einer zu erzielenden Beugungseffizienz η entspricht der Abstand zwischen dem höchst- und tiefstgelegenen Gitterband dem Verstellweg Δt. Die einzelnen Gitterbänder einer Gitterperiode p werden bevorzugt derart normal bewegt, dass sie untereinander einen Abstand Δt/N aufweisen. Auf diese Weise wird ein gestuftes Phasenprofil realisiert und eine höhere Beugungseffizienz pro Pixel erreicht. Eine maximale Beugungseffizienz η wird erreicht, wenn der Verstellweg Δt so gewählt wird, dass ein so genannter Blaze-Winkel γ angenähert wird. Der Blaze-Winkel ergibt sich aus der Forderung γ = –α_m/2. Er ist weiterhin von der verwendeten Wellenlänge λ und der Beugungsordnung m abhängig. Diese Art von Gittern wird als N-stufig binär bezeichnet. Die Einstellung des gewünschten Amplitudenwertes pro Beugungsordnung wird über einen durch den Verstellweg Δt und die Gitterperiode p vorgegebenen Winkel ε realisiert, der für eine maximale Beugungseffizienz dem Blaze-Winkel γ entspricht.
Entsprechend 5c werden die Gitterbänder lateral in ihrer jeweiligen Ebene noch um den Verstellweg Δx bewegt. Die laterale Verstellung kann alternativ so erfolgen, dass anstelle der gemeinsamen Verschiebung aller Gitterbänder um Δx die Gitterbänder einzeln in ihrer Höhe derart verstellt werden, dass der Phasensprung von einer Periode p zur nächsten an einem benachbarten Gitterband erfolgt.
Dadurch wandert das N-stufig binäre Liniengitter lateral über der Basisplatte. Die Diskretisierung in lateraler Richtung beträgt in diesem Fall N = 4, die Diskretisierungsschrittweite ist p/N. Mit diesem dritten Ausgestaltungsbeispiel können nicht nur die bevorzugten geblazten bzw. sägezahnförmigen Phasenprofile durch einzelne Stufen angenähert werden, sondern es sind beliebige andere Phasenprofile einstellbar. Als ein weiteres Beispiel hierfür sei ein kosinusförmiges Phasenprofil genannt.
Die 6a bis 6c zeigen die Seitenansichten eines Pixels eines vierten Ausgestaltungsbeispiels in drei verschiedenen Schaltzuständen.
Über einer Basisplatte sind jeweils parallele, eng aneinander liegende reflektive Gitterbänder mit einer wirksamen Gitterperiode p in 6a zu sehen. Die Basisplatte hat für das Licht einer vorgegebenen Wellenlänge eine absorbierende Eigenschaft, während die Gitterbänder selbst wieder reflektierend ausgebildet sind.
Der Phasenhub Δt wird über eine Rotationsbewegung der einzelnen Gitterbänder um ihre Achse eingestellt, wie in 6b zu sehen ist. Die maximale Beugungseffizienz wird erreicht, wenn der Winkel ε dem Blaze-Winkel entspricht.
Diese Art von Liniengittern wird als geblaztes oder sägezahnförmiges Gitter bezeichnet. Es zeichnet sich durch eine hohe Beugungseffizienz in der gewünschten Beugungsordnung aus. Entsprechend 6c werden die Gitterbänder lateral in ihrer jeweiligen Ebene noch um den Verstellweg Δx bewegt, um die zusätzliche Phasenverschiebung zu realisieren.
Die 7 zeigt die Ergebnisse einer Modulation einer einfallenden Wellenfront in eindimensionaler grafischer Darstellung am Beispiel eines ideal reflektierenden zweistufig binären Liniengitters für eine vorgegebene Wellenlänge λ = 633 nm. In der oberen Grafik ist die Beugungseffizienz η (in Beziehung zur Amplitude stehend) und darunter sind die aus der normalen und lateralen Verstellung resultierenden Phasenbeiträge Ψ und Φ dargestellt. Die Verstellungen der Liniengitter in normaler und lateraler Richtung erfolgen hier über mehrere Perioden der jeweiligen Verstellwege. Der Modellrechnung wurde ein ideal reflektierendes Phasengitter (A₀ = A₁ = 1) mit der Gitterperiode p = 2 μm zugrunde gelegt. Für die Modellrechnung muss im Falle von metallischen oder halbmetallischen Materialien insbesondere auch der komplexe Brechungsindex für die reflektierende Oberfläche der Gitterbänder und der Basisplatte bekannt sein.
Anhand der Modellrechnung oder einer Kalibrationsmessung kann der zusätzliche Phasenwert, der mit dem aus der Amplitudenmodulation gekoppelten Phasenwert den benötigten bzw. vorgegebenen ortsabhängigen Phasenwert der komplexen Amplitude bildet, ermittelt werden.
In der 8 werden in zweidimensionaler Darstellung beispielhaft die Beugungseffizienz η und darunter der aus normaler und lateraler Verstellung resultierende ortsabhängige Gesamt-Phasenbeitrag = Ψ + Φ eines ideal reflektierenden zweistufig binären Liniengitters (als Phasengitter ausgelegt) gezeigt, wenn die Verstellungen Δt und Δx über mehrere Perioden in normaler und vertikaler Richtung erfolgen. Die Beugungseffizienz η ist hier eine unnormierte, theoretische Größe. Das Berechnungsmodell entspricht mit seinen Werten denen von 7.
In 9 sind analog zu 7 die Ergebnisse einer Modulation einer einfallenden Wellenfront in eindimensionaler grafischer Darstellung am Beispiel eines ideal reflektierenden zweistufig binären Liniengitters für eine vorgegebene Wellenlänge λ = 633 nm dargestellt. In der oberen Grafik ist die Beugungseffizienz η (in Beziehung zur Amplitude stehend) und darunter sind die aus der normalen und lateralen Verstellung resultierenden Phasenbeiträge Ψ und Φ zu sehen. Die Verstellungen der Liniengitter in normaler und lateraler Richtung erfolgen hier aber nur über eine Periode. Der Modellrechnung wurde ein ideal reflektierendes Phasengitter (A₀ = A₁ = 1) mit der Gitterperiode p = 2 μm zugrunde gelegt. Das Berechnungsmodell entspricht mit seinen Werten denen von 7. Die normale Verstellung erstreckt sich hier über einen Bereich von (nλ/4) ≤ t ≤ (n + 1)λ/4.
In 10 werden analog zu 8 in zweidimensionaler Darstellung beispielhaft die Beugungseffizienz η und darunter der aus normaler und lateraler Verstellung resultierende ortsabhängige Gesamt-Phasenbeitrag ϕ = Ψ + Φ eines ideal reflektierenden zweistufig binären Liniengitters (als Phasengitter ausgelegt) gezeigt. Die Verstellungen Δt und Δx erfolgen hier aber nur über eine Periode in normaler und vertikaler Richtung. Die Beugungseffizienz η ist hier eine unnormierte, theoretische Größe. Das Berechnungsmodell entspricht mit seinen Werten wieder denen von 7.
Die 11 zeigt die Operationskurve des erfindungsgemäßen komplexwertigen räumlichen Lichtmodulators. Jeder Punkt dieser Operationskurve, vom Mittelpunkt bis zum äußeren Rand, entspricht dem Endpunkt eines resultierenden Zeigers (Phasors) in der komplexen Ebene der Real- und Imaginärteile komplexer Amplituden, die mit dem C-SLM in dieser Ebene erfindungsgemäß realisierbar sind. Bei einer digitalen Ansteuerung ist die Punktedichte von der Diskretisierungsschrittweite in lateraler und normaler Richtung abhängig, die in diesem Beispiel 6 bit in jede Richtung der Verstellung beträgt.
In den 12a und 12b sind beispielhaft die Operationskurven der Modulation von Wellenfronten für eine reine normale (a) und eine reine laterale (b) Verstellung eines gitterbasierten Lichtmodulators dargestellt. Die Lösung in 12a entspricht dem Stand der Technik für eine reine Amplitudenmodulation oder eine gekoppelte Amplituden- und Phasenmodulation. Die Operationskurve nach 12b wird erzeugt, wenn eine reine laterale Verschiebung der Liniengitter im Lichtmodulator, wie z. B. bei der reinen Phasenmodulation, vorgenommen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen C-SLM können verschiedene Modulationsarten einfallender Wellenfelder realisiert werden. Dies ist in einem Flussdiagramm in 13 dargestellt. Entsprechend einer Vorgabe der Systemsteuerung kann jedes Modulatorelement in jedem Pixel mit einem Wert entweder für eine Amplituden- oder eine Phasenmodulation oder für eine komplexwertige Modulation adressiert werden. Bevorzugt ist jedoch im Sinn der Erfindung die Nutzung im komplexwertigen Modus vorgesehen.
Nach dem Festlegen der Modulationsart werden entsprechend der Vorgabe entweder Amplituden- oder Phasenwerte oder gemeinsam Amplituden- und Phasenwerte zur Modulation ausgewählt, die z. B. in einer Look-up-Tabelle gespeichert sein können.
Entsprechend diesen Werten werden die erforderlichen normalen oder/und lateralen Verstellwege Δt und Δx der Gitterstege bzw. der Gitterbänder in jedem Pixel von der Systemsteuerung ermittelt. Diese Werte können ebenfalls in der Look-up-Tabelle gespeichert sein.
Von der Systemsteuerung werden entsprechend diesen Verstellwegen Steuersignale generiert, welche die vorgesehenen Aktoren an jedem Pixel so steuern, dass die ermittelten Verstellungen der Gitterstege bzw. Gitterbänder vorgenommen werden. Kohärente Wellenfronten, die auf diese eingestellten Liniengitter fallen, erhalten die vorgesehene Modulation in Phase und/oder Amplitude.
In weiterer Ausbildung der Erfindung können die Verstellwege Δx und Δt der Gitterstege bzw. der Gitterbänder in Abhängigkeit von bevorzugten Wellenlängen λ und der bevorzugten Modulationsart in der Look-up-Tabelle gespeichert sein.
In einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die mindestens eine kohärente Lichtquelle umfasst, kann der komplexwertige SLM in einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel mit wenigstens einer Abbildungsoptik und wenigstens einer Filtereinheit kombiniert werden. Durch die Filtereinheit wird erreicht, dass unerwünschte Beugungsordnungen blockiert werden und nur die vorgesehene modulierte Beugungsordnung hindurchgelassen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein komplexwertiger räumlicher Lichtmodulator (C-SLM) zur kontinuierlichen und voneinander unabhängigen räumlichen Modulation von sowohl der Phase als auch der Amplitude einer auf den C-SLM auftreffenden Wellenfront einer vorgegebenen Wellenlänge kohärenten Lichts geschaffen. Neben einer vollständigen komplexwertigen Modulation kann der erfindungsgemäße C-SLM auch zur reinen Phasenmodulation (phase-only modulation) oder nur für eine Amplitudenmodulation (amplitude-mostly modulation) verwendet werden.
Die Herstellung des C-SLM erfolgt mittels Technologien der Mikrosystemtechnik bzw. MEMS-Fabrikationstechniken, wie Lithographie, Thin-Film Deposition und Doping, Etching, Bonding sowie Bulk Micromachining oder Surface Micromachining.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen kurz einige Begriffe aus den theoretischen Grundlagen für Beugungsgitter dargelegt werden.
Für den allgemeinen Fall eines Liniengitters mit der Gitterperiode p, welches unter dem Winkel α_i beleuchtet wird, lautet die Gittergleichung ±sinαm – sinαi = mλp (1)
Aus dieser leiten sich die Beugungswinkel α_m des in m-ter Ordnung gebeugten Lichtes der Wellenlänge λ ab. Die Winkel beziehen sich auf die Normale des jeweiligen Trägersubstrates. Die Gittergleichung gilt sowohl für Reflexions- (Vorzeichen negativ) als auch für Transmissiongitter (Vorzeichen positiv), wenn sich das Licht von links kommend ausbreitet. Entsprechend ihrem Einsatz unterscheidet man Reflexions- bzw. Transmissionsgitter, entsprechend ihrer Ausführung Amplituden- bzw. Phasengitter.
Die Orientierung des Gitters im Raum wird durch den Gittervektor definiert. Seine Richtung verläuft in Richtung des Gradienten der Phasenfunktion.
Die Gitterperiode p der angeordneten Gitterstege ist der reziproke Wert der Ortsfrequenz v p(x, y) = 1v(x, y) (2)und die Ortsfrequenz v eines Beugungsgitters entspricht der Anzahl der Gitterperioden p pro Millimeter (Gitterlinienpaare pro Millimeter).
Weitere charakteristische Eigenschaften eines Beugungsgitters sind dessen Tastverhältnis und dessen Aspektverhältnis. Als Tastverhältnis wird der Quotient aus Stegbreite b und Gitterperiode p bezeichnet, während das Aspektverhältnis das Verhältnis zwischen Strukturtiefe t und Gitterperiode p der Gitterstege angibt.
Die skalare Betrachtung der Beugungseffekte kann mit hinreichender Genauigkeit verwendet werden, wenn die Gitterperiode p um ein Vielfaches größer ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes und nur die Fernfeldeffekte der Beugungserscheinungen interessieren. Bei räumlichen Lichtmodulatoren sind die Rekonstruktionseigenschaften im Fernfeld ausschlaggebend. Nach der Fraunhoferschen Näherung entspricht das im Fernfeld beobachtete Beugungsbild der Fourier-Transformierten des Feldes unmittelbar nach der beugenden Struktur. Daraus lassen sich die Beugungseffizienz η und die Phase Ψ des resultierenden Fernfeldes ableiten.
Im Folgenden wird die Beugungseffizienz η und die Phase Ψ am Beispiel von zweistufig binären Liniengittern angegeben. Eine Herleitung ist beispielsweise in Chang, Y. C. & Burge, J., Error analysis for CGH optical testing, Optical Manufacturing and Testing III, Stahl, H. P. (ed.), 1999, 3782, 358–366 zu finden.
Nach dem gleichen Schema lassen die Beugungseffizienzen η und die Phasen Ψ für N-stufig binäre Gitter oder geblazte, sägezahnförmige Gitter ableiten. Es sei erwähnt, dass somit die nachfolgend angegebenen Gleichungen (3) und (4) für den speziellen Fall von zweistufig binären Gittern ihre Gültigkeit haben, während (5) bis (8) allgemeingültig für die angegebenen Gitterausführungen sind.
Die Beugungseffizienz η eines diffraktiven Elementes ist als Quotient aus der Intensität der austretenden Welle und der Intensität der einfallenden Welle definiert. Bei Normierung auf eine Eingangsintensität von Eins ergeben sich damit die Beugungseffizienzen der einzelnen Ordnungen. Bei zweistufig binären Liniengittern lassen sich diese für Beugungsordnungen m ungleich Null ableiten zu ηm≠0 = [A20 + A21 – 2A0Atcosφ]q2D sinc2(mqD). (3)
Dabei sind A₀, A₁ die Amplitudenwerte der austretenden Welle in der Furche bzw. auf dem Steg der binären Struktur. Diese entsprechen den Amplitudenreflexionskoeffizienten, welche sich nach den Fresnel-Gleichungen bestimmen lassen. Für die Berechnung der Amplitudenreflexionskoeffizienten A₀, A₁ muss daher der Brechungsindex (reell für Dielektrika, komplex für Metalle und Halbmetalle) der reflektierenden Oberflächen bekannt sein. Die Phase φ stellt die Phasenschiebung der reflektierten Welle zwischen den Steg- und Furchenbereichen dar. Mit der Furchentiefe t ergibt sich bei einem Reflexionsgitter für die Phase φ = 2π/λ·2t. Mit q_D ist das Tastverhältnis der Gitterstruktur bezeichnet.
Die Phase des resultierenden Feldes erhält man aus dem Arkustangens des Quotienten aus dem Imaginärteil und dem Realteil des Wellenfeldes im Fernfeld.
Entsprechend ergibt sich für die Phase Ψ in den Beugungsordnungen m ungleich Null
Die Analyse zeigt, dass bei einer relativen normalen Verschiebung einer Liniengitterstruktur bezüglich einer Basisplatte sowohl die Beugungseffizienz (Amplitudenquadrat) als auch die Phase beeinflusst werden, wobei beide Größen miteinander gekoppelt sind, d. h. nicht voneinander unabhängig einstellbar sind. Die Amplitudenmodulation bekannter gitterbasierter SLM beruht auf dem oben beschriebenen Prinzip.
Um die Phase des reflektierten Wellenfeldes unabhängig von einer normalen Gitterverschiebung einstellen zu können, ist ein weiterer Freiheitsgrad in der Bewegung des Gitters vorgesehen. Durch eine laterale Verschiebung Δx der Gitterstruktur parallel zu dessen Gittervektor ergibt sich eine Phasenverschiebung Φ Φ = 2πmp Δx, (5)wobei p die Gitterperiode und m die Beugungsordnung sind. Die laterale Verschiebung kann ebenso als ein Phasenoffset verstanden werden, der der linearen Phasenfunktion eines Einzelpixels aufaddiert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, die laterale und normale Gitterverschiebung und die damit verbundene Phasen- und Amplitudenmodulation des gebeugten Lichtes zu kombinieren. Die komplexwertige Amplitude U eines Pixels mit den Indize (k, l) einer Pixelmatrix lässt sich dann als Uk,l = Ak,lexp(iϕk,l) (6)schreiben, wobei A die reelle Amplitude und ϕ der Phasenwert im Einzelpixel darstellen. Die reelle Amplitude ergibt sich aus der Wurzel der normierten Beugungseffizienz zu
wobei sich die Effizienzen aus Gleichung (3) ergeben. Der Phasenwert eines Pixels ergibt sich aus der Phasensumme von Ψ und Φ, deren Beträge sich aus der Fourier-Transformierten der Gitterstruktur ergeben ϕk,l = Ψk,l + Φk,l. (8)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0477566 B1 [0012]
- US 7227687 B1 [0012]
- US 3890035 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Chang, Y. C. & Burge, J., Error analysis for CGH optical testing, Optical Manufacturing and Testing III, Stahl, H. P. (ed.), 1999, 3782, 358–366 [0102]

Claims

Räumlicher Lichtmodulator mit regulär angeordneten Pixeln, wobei jeder Pixel ein Modulatorelement in Form eines steuerbaren reflektierenden Liniengitters mit einer Gitterperiode p aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Systemsteuerung gesteuert die Lage des Liniengitters normal zur Ebene des Lichtmodulators und lateral in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene, jedoch senkrecht zu einer Struktur des Liniengitters, voneinander unabhängig veränderbar ist, wobei eine mit einer durchzuführenden Amplitudenmodulation gekoppelte Phasenmodulation des einfallenden Wellenfeldes einen zusätzlichen Phasenwert erhält.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, der in der Lichtmodulatorebene oder einer dazu parallelen Ebene eine Basisplatte enthält, über welcher das Liniengitter freitragend angeordnet ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei welchem die Amplitude der austretenden Wellenfront durch Verstellen des Abstands des Liniengitters zur Ebene der Basisplatte einstellbar ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei welchem die Phase der austretenden Wellenfront durch Verschieben der Liniengitter in der Gitterebene einstellbar ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei welchem die Amplitude der austretenden Wellenfront durch eine Rotationsbewegung der einzelnen Gitterbänder um ihre Achse mit einem vorgebbaren Winkelwert, die einem Phasenhub in normaler Richtung entspricht, einstellbar ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei welchem das Liniengitter aus parallel zueinander verlaufenden Gitterbändern besteht, die untereinander durch eine Gitterfurche getrennt sind, wobei die Gitterfurche der von der Wellenfront erreichbare Teil der Basisplatte ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 6, bei welchem das Liniengitter und die Basisplatte für das zu modulierende Licht entweder aus selbst reflektierendem Material bestehen oder mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei welchem das Liniengitter aus parallel zueinander verlaufenden Gitterbändern besteht, die zueinander benachbart ohne Abstand angeordnet sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 8, bei welchem die Basisplatte lichtabsorbierend ausgebildet ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 8, bei dem das Liniengitter N Gitterbänder pro Gitterperiode p aufweist, von denen benachbarte Gitterbänder in der Gitterperiode p einen unterschiedlichen Abstand in normaler Richtung aufweisen, wobei N > 2 ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei welchem Aktorelemente zum Verändern der Lage der Liniengitter relativ zur Basisplatte vorgesehen sind, deren Wirkung auf den Prinzipien der Elektrostatik, der Elekromagnetik oder des Piezoeffektes beruht.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 11, bei welchem die Aktorelemente durch Steuersignale der Systemsteuerung gesteuert werden.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 12, bei welchem die laterale Verstellung der Gitterbänder durch kammförmige Aktorelemente erfolgt.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei dem zur Veränderung der Lage des Liniengitters sowohl in lateraler als auch in normaler Richtung zur Basisplatte eine Mindestgröße für die Verstellwege in normaler und lateraler Richtung erforderlich ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 7, bei welchem das Liniengitter und die Basisplatte in einem vorgegebenen gleichen Spektralbereich reflektieren.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 10, bei welchem die durch Aktorelemente hervorgerufenen Veränderungen der Lage der Liniengitter relativ zur Basisplatte den gesamten Wertebereich der Amplituden- und der Phasenwerte zwischen den einzelnen Pixeln abdecken.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei welchem die durch die Lageveränderung des Liniengitters in der Lichtmodulatorebene erzeugte Amplituden- und Phasenmodulation eine resultierende Amplituden- und Phasenverteilung aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, bei welchem die resultierende Amplituden- und Phasenverteilung für einen Schaltzustand des Lichtmodulators binär, N-stufig binär oder sägezahnförmig ist.
Räumliche Lichtmodulationseinrichtung mit einem komplexwertigen räumlichen Lichtmodulator nach Anspruch 1 sowie mit mindestens einer Lichtquelle, einer Abbildungsoptik und einer Filtereinheit, wobei die Pixel des Lichtmodulators wahlweise im Amplitudenmodus, im Phasenmodus oder im komplexwertigen Modus betrieben werden.
Verfahren zur Modulation eines Wellenfeldes, das auf einen räumlichen Lichtmodulator mit regulär angeordneten reflektierenden Pixeln einfällt, wobei jeder Pixel ein reflektierendes Modulatorelement in Form eines steuerbaren Liniengitters mit einer Gitterperiode p aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Systemsteuerung eine Lageveränderung des Liniengitters normal zur Ebene des Lichtmodulators und lateral in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene, jedoch senkrecht zur Struktur des Liniengitters, voneinander unabhängig steuert, wobei eine mit einer durchzuführenden Amplitudenmodulation gekoppelte Phasenmodulation des einfallenden Wellenfeldes einen zusätzlichen Phasenwert erhält.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Lageveränderungen des Liniengitters voneinander unabhängig lateral in einer Ebene parallel zur Ebene des Lichtmodulators, jedoch senkrecht zur Struktur des Liniengitters, zur Phasenänderung der reflektierten Wellenfront und normal zur Ebene des Lichtmodulators zur Amplitudenänderung der Wellenfront durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Wert der zusätzlichen Phasenmodulation durch eine Modellrechnung von einer Recheneinheit ermittelt wird, die in die Systemsteuerung integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Wert der zusätzlichen Phasenmodulation durch eine Kalibrationsmessung ermittelt wird, deren Werte in einem Speichermittel gespeichert werden und von einer Recheneinheit abgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Systemsteuerung Aktorelemente ansteuert, die durch bewegliche Verbindungsmittel die Veränderungen des Liniengitters vornehmen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Systemsteuerung durch die Bewegung von Gitterbändern in normaler Richtung ein gestuftes Phasenprofil realisiert, indem N Gitterbänder pro Gitterperiode p zueinander mit einem Abstand Δt/N in einem Liniengitter versetzt bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Systemsteuerung zur Modulation des einfallenden Wellenfeldes alle Liniengitter gleichzeitig ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Systemsteuerung ausgewählte Liniengitter ansteuert, um in unterschiedlichen Bereichen des Modulators unterschiedliche räumliche Modulationen des einfallenden Wellenfeldes zu realisieren.