DE102019001922A1

DE102019001922A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Projektion von Mustern

Info

Publication number: DE102019001922A1
Application number: DE102019001922.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bösel
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Projektionsvorrichtung zur energieeffizienten Mustererzeugung mit mindestens einer Lichtquelle, mindestens einem Vorstrahlformungselement, mindestens einem Strahlformungselement zur Phasen- und Intensitätsumverteilung und damit zur Mustererzeugung, einem abbildenden optischen System mit objektseitig telezentrischen Strahlengang und einer Projektionsfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Projektion von Mustern mit optischen Freiformflächen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung und Projektion von Mustern mit optischen Freiformflächen, mit der sich dieses Verfahren durchführen lässt.
Verfahren zur Projektion von Mustern an sich sind bekannt. Typischerweise verwenden viele solcher Verfahren ein/e absorbierende/s Objektstruktur/Dia zur Erzeugung des gewünschten Musters mittels der Projektionsvorrichtung. So wird zum Beispiel in der Druckschrift DE102013208625A1 ein Multiapertur-Projektionsdisplay vorgeschlagen. Dieses Multiapertur-Projektionsdisplay besteht aus einem Array von optischen Kanälen, die jeweils eine Kondensorlinse, ein/e absorbierende/s Objektstruktur/Dia sowie eine Projektionsoptik aufweisen. Die jeweiligen Kondensorlinsen dienen dabei der Beleuchtung der/des Objektstruktur/Dias und der konvergenten Abbildung der Lichtquelle auf die Projektionsoptik. Durch die Beleuchtung der/des jeweiligen Objektstruktur/Dias, die für jeden Kanal identisch ist, wird dabei die Abbildung des gewünschten Musters auf der Zielfläche garantiert. Das gewünschte Muster wird dabei durch die Überlagerung der identischen Muster der einzelnen Projektionskanäle erzeugt. Die Verwendung mehrerer Kanäle statt einem einzelnen Kanal dient dabei sowohl der Minimierung der longitudinalen Ausdehnung der Projektionsvorrichtung und somit einem kompakteren Projektionsvorrichtung als auch der Minimierung des Einflusses der räumlich varianten Intensitätsverteilungen der Lichtquelle auf das erzeugte Muster. Das Hauptdefizit einer solchen Projektionsvorrichtung mit einer/einem Objektstruktur/Dia ist dabei die unvermeidliche Absorption des auf die/das Objektstruktur/Dia einfallenden Lichtes, welche zwar zur Erzeugung des gewünschten Musters notwendig ist, aber die Energieeffizienz des Projektionssystems unvermeidlich verringert.
Eine andere Art einer Projektionsvorrichtung zur Erzeugung gewünschter Muster stellen Freiformflächen dar [H. Ries und J. Muschaweck, „Tailored freeform optical surfaces", J. Opt. Soc. Am. A 19(3), 590-595, (2002)], die sowohl als Spiegelfläche als auch als Fläche einer Linse auftreten. Dabei wird das auf die Freiform einfallende Licht der Lichtquelle durch die gezielt berechnete lokale Krümmung der Freiformoberfläche so umgelenkt, dass das gewünschte Muster auf der Zielfläche erzeugt wird. Der Vorteil einer solchen Projektionsvorrichtung ist, dass nahezu beliebige Projektionsmuster erzeugt werden können, ohne das eine absorbierende Objektstruktur notwendig ist und somit die Projektionsvorrichtung eine nahezu maximale Energieeffizienz aufweist. Ein inhärentes Problem dieser Freiform-Projektionsvorrichtungen ist, dass ausschließlich ideale, nicht räumlich ausgedehnte Lichtquellen mit einer Étendue von Null das gewünschte Projektionsmuster perfekt erzeugen können. Für reale, nichtideale, räumlich ausgedehnte Lichtquellen, wie zum Beispiel LEDs, VCSELs oder andere Lichtquellen, welche die Freiform beleuchten, kommt es durch die Ausdehnung der Lichtquelle unausweichlich zu einem Verschmierungseffekt des gewünschten Musters, der mit der Ausdehnung der Quelle zunimmt und das Muster entsprechend unkenntlich macht [S. Zwick, P. Kühmstedt, und G. Notni, „Phase-shifting fringe projection system using freeform optics“, Proc. SPIE 8169, 81690W-1 - 81690W-9 (2011)].
Eine weitere Art zur Erzeugung gewünschter Muster stellen phasenmodulierende Spatial Light Modulatoren (SLM) dar. Dabei wird für eine einfallende Wellenfront einer Lichtquelle mit einer Étendue von Null die notwendige Phasenumformung berechnet, welche die gewünschte Intensitätsverteilung auf einer Zielfläche erreicht. In der Druckschrift US10003776B2 wird ein phasenmodulierender SLM oder eine Kombination aus einem phasenmodulierenden SLM und einem amplitudenmodulierenden SLM vorgeschlagen um das gewünschte Muster für Laserlicht bzw. eine Weißlichtquelle zu erzeugen. Da das Design unter der Annahme einer Lichtquelle mit verschwindender räumlicher Ausdehnung geschieht, kommt es auch bei dieser Projektionsvorrichtung unausweichlich zu einem Verschmierungseffekt des gewünschten Musters, der mit der Ausdehnung der Lichtquelle zunimmt und das Muster entsprechend unkenntlich macht. Die Verwendung eines amplitudenmodulierenden SLM führt zudem zu einer Herabsenkung der Energieeffizienz.
Zur Minimierung des Verschmierungseffektes durch die räumliche Ausdehnung der Lichtquelle werden in den Druckschriften US9869866B2 und US20180106459A1 Verfahren zur Erzeugung von uniformer Beleuchtung mit scharfen Kanten durch eine Linse mit einer einzelnen Freiformfläche vorgeschlagen. Die räumliche Ausdehnung der Lichtquelle wird dabei bei der Berechnung der Freiform durch eine Bestimmung der räumlich-varianten Punktspreitzfunktion und einer anschließenden mathematischen Entfaltung beim Berechnungsvorgang der Freiform berücksichtigt. Dadurch ist es zwar möglich, mittels einer einzelnen Freiform, eine uniform ausgeleuchtete Flächen mit scharfen Kanten zu erzeugen, jedoch ist eine Berechnung von kompakten Freiformen zur Erzeugung komplexer Muster mit lokal stark variierender Intensität, wie sie zum Beispiel für messtechnische Zwecke notwendig sind [ DE102011014779A1 ], aufgrund der begrenzten Anzahl der Freiheitsgrade einer einzelnen Freiform zur Lichtumformung und zur Erzeugung des gewünschten Projektionsmusters, nicht möglich.
Die Erzeugung von Mustern mit Freiformen für ausgedehnte Lichtquellen erfordert somit weitere Freiheitsgrade zur kontrollierten Umlenkung des Quelllichtes, das heißt die Verwendung weiterer mit der Freiform gekoppelter optische Flächen. Eine Verfahren zur Berechnung mehrerer gekoppelter refraktiver oder reflektiver Freiformlächen ist die Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) Methode [Druckschrift US7460985B2 ]. Diese Methode wird dazu verwendet N Eingangswellenfronten einer ausgedehnten Lichtquelle mittels N Freiformflächen auf N Ausgangswellenfronten abzubilden. Diese Verfahren eignet sich damit zur Erzeugung uniformer oder sehr langsamer variierender Intensitätsverteilungen auf der Zielfläche (siehe z.B. Druckschrift US7286296B2 ) und kann nicht zur Erzeugung vorgegebener beliebiger, komplexer Muster mit lokal stark variierender Intensität verwendet werden.
Zur Minimierung des Verschmierungseffektes bei der Mustererzeugung mittels Freiformflächen zur Erzeugung komplexer, vorgegebener Muster mit stark lokal variierender Intensität, wird in der Druckschrift DE102015216985A1 eine Projektionsvorrichtung basierend auf einem Freiformarraykonzept vorgeschlagen. Dabei besteht jeder Kanal des Freiformarrays aus zwei refraktiven Freiformflächen und einer Projektionsoptik. Die lokale Krümmung der beiden refraktiven Freiformflächen in jedem Kanal wird dabei so berechnet, dass einerseits eine virtuelle Objektsstruktur mit minimaler Verschmierung erzeugt wird, die dem gewünschten Muster entspricht, und andererseits die Lichtstrahlen gemäß der Köhlerschen Beleuchtung konvergent auf die anschließende Projektionsoptik umgelenkt werden. Die Projektionsoptik wird dabei so berechnet, dass die in jedem Kanal des Freiformarrays auf die Projektionsoptik konvergent abgebildeten virtuellen Projektionsmuster sich auf der Zielfläche überlagern. Die Überlagerung der Einzelmuster erzeugt somit das gewünschte Muster auf der Zielfläche, wobei ein verringerter Verschmierungseffekt im Vergleich zu Einzelfreiformprojektionsvorrichtungen mit der gleichen lateralen Ausdehnung wie die des Freiformarrays auftritt und ein im Vergleich zu Projektionskonzepten mit absorbierenden Objektstrukturen höheren Energieeffizienz gewährleistet wird. Diese Projektionsvorrichtung hat mehrere Defizite. Das ist zum einen, die für die gemäß der Köhlerschen Beleuchtung konvergente Beleuchtung der Projektionsoptik notwendige starke Strahlumlenkung durch die refraktive Doppelfreiform, welche einen großen Abstand zwischen beiden Freiformen erfordert und die longitudinal Mindestausdehnung der Projektionsvorrichtung erhöht. Zum anderen ist die Berechnung der Projektionsoptik abhängig von der Lage des Fokuspunktes des durch die beiden Freiformen erzeugten konvergenten Strahlenbündels und die Lage der Objektstruktur a priori nicht direkt und exakt bestimmbar. Die Verringerung des Verschmierungseffektes des gewünschten Projektionsmusters ist somit stark limitiert. Darüber hinaus führt der große Mindestabstand zwischen beiden Freiformen aufgrund der Ausdehnung der Lichtquelle entweder zu erhöhtem Crosstalk zwischen den Kanälen des Freiformarrays und/oder zu erhöhten Energieverlusten in jedem Freiformarraykanal.
Mit diesem und ähnlichen Verfahren aus dem Stand der Technik lassen sich demzufolge Projektionsmuster erzeugen, die entweder eine limitierte Energieeffizienz aufweisen, aufgrund absorbierender Objekstrukturen, und/oder limitiert sind hinsichtlich der minimalen longitudinalen und transversalen Ausdehnung der Projektionsvorrichtung und/oder Störeffekte aufweisen wie Kanal-Crosstalk.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine Erzeugung komplexer, vorgegebener Muster mit stark lokal variierender Intensität mit räumlich ausgedehnten Lichtquellen, bei gleichzeitig möglichst hoher Energieeffizienz erlaubt. Außerdem liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine entsprechende Projektionsvorrichtung mit möglichst geringer transversaler und longitudinaler Ausdehnung vorzuschlagen, mit der sich komplexe Muster für räumlich ausgedehnte Lichtquellen erzeugen lassen, bei gleichzeitig möglichst hoher Energieeffizienz.
Definition Freiform und Doppelfreiform:
Als Freiformfläche wird eine beliebig geformte, nichttriviale, stetige Fläche ohne Symmetrien bezeichnet.
Als Doppelfreiform werden im Folgenden zwei gekoppelte optische Flächen bzw. Vorrichtungen bezeichnet, die zum Beispiel refraktiv oder reflektiv sein können, und welche so berechnet werden, dass sie eine gegebene Eingangsintensitätsverteilung und gegebene Eingangswellenfront auf eine gewünschte Ausgangsintensitätsverteilung und gewünschte Ausgangswellenfront abbilden. Die Doppelfreiform erzeugt somit für eine gegebene Eingangswellenfront und Eingangsintensität das gewünschte Muster und fixiert für die gegebene Eingangswellenfront gleichzeitig die Ausgangsstrahlrichtungen. Da die Intensitäten und Wellenfronten beliebig gewählt werden können, können die optischen Flächen somit frei von jeglichen Symmetrien sein. Die gekoppelten optischen Flächen bzw. Vorrichtungen können mit bekannten Verfahren aus der Literatur berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur energieeffizienten Mustererzeugung gelöst, welches die Schritte

- Beleuchtung mindestens eines Strahlformungselementes zur Erzeugung eines Musters durch Phasen- und Intensitätsumverteilung
- Abbilden des Musters mit objektseitig telezentrischem Strahlengang auf eine Projektionsfläche

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Projektionsvorrichtung finden sich unter anderem in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 Freiformprojektion mit idealer Lichtquelle. Ein Strahl der Lichtquelle trifft auf einen Oberflächenpunkt der Freiform. Entsprechende kann jede Oberflächennormale so gewählt verwenden das der vorgegebene Punkt auf der Fläche erreicht wird.
2 Für eine ausgedehnte Quelle resultiert die Quellausdehnung Δ_s in einer Vielzahl von Strahlrichtungen auf jedem Oberflächenpunkt. Dadurch kann kein exakter Zielpunkt auf der Zielfläche definiert werden
3 Linse bestehend aus zwei Freiformflächen z_FF,I(x,y) und z_FF,II(x,y) wird von einer ausgedehnten Lichtquelle mit dem Winkelspektrum -α≤θ≤α beleuchtet. Diese beiden Freiformen werden so berechnet, dass eine planare Eingangswellenfront mit α=0 und gegebene Eingangsintensitätsverteilung auf eine planare Ausangswellenfront mit α=0 und die gewünschte Ausgangsintenstitätsverteilung abgebildet werden. Die Objektebene des abbildenden Systems wird an der Stelle z=z_OP platziert.
4 Projektionssysteme und simulierte Zielintensitäten „IAP“ für den Einzelfreiformprojektor und für das erfindungsgemäße Doppelfreiformkonzept.
5 Projektionssystem und simulierte Zielintensität für Doppelfreiformabstand 3 mm, Doppelfreiformabstand 12 mm und für Doppelfreiformabstand 20 mm
6 Projektionssystem bestehend aus Lichtquelle, kollimierender Linse, Doppelfreiformarray und Projektionslinsenarray und simulierte Zielintensität „IAP“.

Allgemeine Beschreibung der Vorrichtung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Erzeugung von Mustern wird mittels einer erfindungsgemäßen Kombination einer Lichtquelle mit Kollimationsoptik, welche eine Vorstrahlformende Wirkung aufweisen kann, von zwei gekoppelten Freiformflächen und einem optischen Abbildungssystems mit objektseitig telezentrischem Strahlengang das abgestrahlte Licht der ausgedehnten Lichtquelle derart umgeformt, dass bei maximaler Energieeffizienz ein gewünschtes Muster mit minimalem Verschmierungseffekt auf einer vorgegebenen Zielfläche erzeugt wird.
Die vorstrahlformende Wirkung kann dabei durch refraktive oder reflektive Elemente erzielt werden.
Die gekoppelten Freiformflächen werden dabei gezielt so berechnet, dass sie eine ideale, planare Eingangswellenfront mit gegebener Intensitätsverteilung der Lichtquelle auf eine ideale, planare Ausgangswellenfront und das gewünschte Muster abbilden. Außerdem werden die beiden Freiformen im Idealfall dabei so berechnet, dass sie einen minimal möglichen Abstand zueinander aufweisen. Diese gekoppelten Freiformflächen können durch bekannte Verfahren berechnet werden. Durch die Kombination dieser gekoppelten Freiformen mit einem genau spezifizierten Abbildungssystem werden gleichzeitig eine hohe Energieeffizienz, ein kompaktes optisches Projektionssystem und eine gewünschte Musterprojektion mit minimalem Verschmierungseffekt erreicht. Das auf die beiden gekoppelten Freiformen folgende Abbildungssystem muss dabei so designt werden, dass es mehrere vorgegebene Merkmale aufweist, die durch die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle und durch die laterale Ausdehnung der beiden Freiformen festgelegt sind. Diese vorgegebenen Merkmale sind ein telezentrischer Objektraum, eine vorgegebe Objektposition, ein vorgegebener Objektöffnungswinkel und eine vorgegebene Objektgröße, die für eine gegebene Lichtquelle mathematisch bestimmt werden können. Unter der Vorgabe dieser Größen wird das optische Abbildungssystem dann so designt, dass das von den gekoppelten Freiformen erzeugte Muster verlustfrei von der vorgegebenen Objektposition auf die gegebene Zielfläche mit gewünschter Vergrößerung abbildet. Das Abbildungssystem kann mit Standardmethoden in kommerzieller Optikdesign-Software berechnet werden. Wird das Abbildungssystem unter den vergebenen Merkmalen designt, wird ein minimaler Verschmierungseffekt des gewünschten Musters auf der Zielfläche garantiert. Während die Kombination der gekoppelten Freiformen und des Abbildungssystem hierbei eine minimal notwendige laterale Ausdehnung des Projektionssystems zur Folge hat, kann zusätzlich die longitudinale Ausdehnung des Projektionssystems durch eine Arrayanordnung identischer Kanäle erreicht werden. Dies führt zudem zur Homogenisierung der Lichtquelle und damit zu einer Invarianz gegenüber der Intensitätsverteilung der Lichtquelle, sodass dasselbe Projektionssystem mit unterschiedlichen Lichtquellen verwendet werden kann.
Detaillierte Darstellung
Zum Verständnis dieses speziellen Konzepts zur Mustergenerierung mit minimalen Verschmierungseffekt, bei gleichzeitig maximaler Energieeffizienz und hoher Kompaktheit des Projektionssystems, betrachten wir zunächst die Mustergenerierung durch eine Einzelfreiformprojektion unter Verwendung einer idealen Lichtquelle (vgl. 1). Eine ideale, nichtausgedehnte Lichtquelle zeichnet sich dadurch aus, dass sie durch eine einzelne Wellenfront beschrieben wird, im Gegensatz zu einer realen, ausgedehnten Lichtquelle, die durch eine unendliche Anzahl von Punktlichtquellen, die jeweils eine sphärische Wellenfront emittieren, beschrieben wird. Wird eine optische Fläche somit von einer idealen Lichtquelle bestrahlt, trifft genau ein einzelner Lichtstrahl auf einen einzelnen Flächenpunkt der optischen Fläche. Handelt es sich bei der optischen Fläche um eine Freiformfläche, kann man dementsprechend durch die geeignete Wahl der Oberflächennormalen an jedem Punkt der Freiformfläche, gemäß des Brechungs- und Reflexionsgesetzes, jeden einfallenden Strahl der idealen Lichtquelle auf einen vorgegebenen Punkt der Zielfläche umlenken. Da jeder Strahl der idealen Lichtquelle eine vorgegebene Energie trägt, kann somit durch die geeignete Wahl der Zielpunkte eine gewünschte Energieverteilung bzw. Intensitätsverteilung auf der Zielfläche erreicht werden. Die Freiformfläche bietet somit exakt die Anzahl der notwendigen Freiheitsgrade um die gewünschte Energieumverteilung für eine ideale Lichtquelle zu erreichen. Damit kann für eine vorgegebene Intensitätsverteilung und gegebene ideale Lichtquelle die entsprechende Freiformfläche, welche die gewünschte Energieumverteilung realisiert exakt berechnet werden.
Wird eine optische Fläche hingegen von einer realen, ausgedehnten Lichtquelle mit der Ausdehnung Δ_s beleuchtet, so trifft auf jeden Punkt der optischen Fläche eine unendliche Anzahl von kontinuierlich verteilten Strahlrichtungen (vgl. 2). Handelt es sich bei der optischen Fläche zum Beispiel um eine refraktive Linsenoberfläche so werden die einfallenden Strahlen der Lichtquelle gemäß des Snellius'schen Brechungsgesetzes in eine unendliche Anzahl kontinuierlich verteilter Strahlrichtungen umgelenkt. Somit kann ein einzelner Oberflächenpunkt einer Freiform die einfallenden Strahlen einer ausgedehnten Lichtquelle nicht genau auf einen einzelnen Punkt auf der Zielfläche ablenken, sondern nur auf ein Flächenelement Δ_T auf der Zielfläche. Die resultierende Intensitätsverteilung auf der Zielfläche ergibt sich somit aus der Überlagerung aller dieser Flächenelemente, jedes einzelnen Oberflächenpunktes der Freiform, auf der Zielfläche. Die Größe der Ausdehnung Δ_T skaliert dabei mit der Ausdehnung der Lichtquelle, mit dem Abstand der Zielfläche zur optischen Fläche und invers zum Abstand der optischen Freiformfläche zur Lichtquelle. Da die Ausdehnung Δ_T den Grad der Verschmierung des gewünschten Musters auf der Zielfläche bestimmt, kann für eine reale Lichtquelle mit endlichen Abstanden zwischen der Lichtquelle und der Freiform bzw. der Freiform und der Zielfläche kein perfektes, komplexes Muster mit lokal stark variierender Intensität erzeugt werden.
Aufgrund der unendlichen Anzahl von Strahlrichtungen der ausgedehnten Lichtquellen an jedem Punkt im Propagationsraum der Strahlen bedarf es einer unendlichen Anzahl an Freiheitsgraden und somit einer unendlichen Anzahl notwendiger optischer Flächen um jeden Strahl der ausgedehnten Lichtquelle kontrolliert auf einen vorgegebenen Punkt der Zielfläche umzulenken, um die gewünschte Energieumverteilung bzw. die gewünschte Intensitätsverteilung zu erreichen. Somit bedarf es im Vergleich zur Einzelfreiformprojektion der Einführung weiterer Freiheitsgrade bzw. weiterer optischer Flächen, mit genau spezifizierter Funktionalität, zur Minimierung der Ausdehnung Δ_T, um somit den beschriebenen Verschmierungseffekt des gewünschten Musters zu minimieren.
Einleitung zum Konzept
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Kombination aus einer gekoppelten Doppelfreiformlinse mit geringem Abstand zwischen beiden Freiformflächen, welche eine planare Eingangswellenfront und gegebene Eingangsintensität auf eine planare Ausgangswellenfront und das gewünschte Intensitätsmuster abbildet, und einem Abbildungssystem mit telezentrischen Objektraum den Verschmierungseffekt extrem reduziert. Das Projektionssystem besteht dabei aus einer Lichtquelle, einem Kollimationssystem, das eine vorstrahlformende Wirkung aufweisen kann, der Doppelfreiform, mit minimal möglichem Abstand zwischen den beiden Freiformen, und dem Abbildungssystem.
Durch die Verwendung der nicht-absorbierende Doppelfreiform zur Mustergenerierung wird eine Maximierung der Energieeffizienz des Projektionssystems erreicht. Die Verwendung einer Doppelfreiform, welche eine planare Eingangswellenfront auf eine planare Ausgangswellenfront abbildet, wird eine minimale longitudinale Ausdehnung der Doppelfreiform ermöglicht.
Durch die Minimierung der Doppelfreiformlinsendicke wird durch eine Kombination mit einem abbildenden optischen System mit telezentrischen Objektraum eine Mustergenerierung mit minimaler Verschmierungsausdehnung Δ_T auf der gegebenen Projektionsfläche erreicht. Außerdem ermöglicht die Verwendung der Doppelfreiform, welche für eine planare Ausgangswellenfront berechnet wird eine ideale Anpassbarkeit an das abbildende System mit telezentrischen Objektraum und somit einen idealen Energieübertrag und eine maximale Musterqualität auf der vorgegebenen Projektionsfläche. Das hat zur Folge, dass zum Design des abbildenden Systems lediglich die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle und die laterale Ausdehnung der Doppelfreiform bekannt sein müssen, woraus sich automatisch die notwendige Objektgröße und der notwendige Öffnungswinkel des abbildenden Systems ergeben. Somit lässt sich das abbildende System nahezu unabhängig von der Doppelfreiform direkt designen.
Außerdem ist aufgrund der planaren Ein- und Ausgangswellenfronten die Apertur der Doppelfreiform a priori bekannt, was die einfachste-mögliche Anwendung des Projektionskonzepts in einem Mehrkanalarray erlaubt, was wiederum eine Verringerung der longitudinalen Ausdehnung des Projektionssystems sowie eine Homogenisierung der Lichtquelle ermöglicht. Aufgrund des geringen Abstandes der beiden mustergenerierenden Freiformflächen in der Doppelfreiform wird zudem ein möglicher Kanal-Crosstalk minimiert.
Somit können für eine gegebene Lichtquelle mit dem vorgeschlagenen Projektionskonzept vorgegebene, komplexe Muster mit lokal stark variierender Intensität und minimaler Verschmierungsausdehnung Δ_T auf einer gegebenen Projektionsfläche erzeugt werden, wobei das Projektionssystem eine maximal mögliche Energieeffizenz aufweist und eine geringe laterale sowie longitudinale Ausdehnung aufweist.
Beschreibung Lichtquelle und Kollimationsoptik:
Verfahren zur Kollimation von Lichtquellen sind bekannt. Bei der Kollimationsoptik kann es sich zum Beispiel um eine einfache Fourierlinse handeln in deren Brennebene die ausgedehnte Lichtquelle positioniert wird, wodurch die von der ausgedehnten Lichtquelle abgestrahlten sphärischen Wellenfronten jedes emittierenden Punktes der Lichtquelle in planare Wellenfronten mit unterschiedlichen kontinuierlich verteilten Propagationsrichtungen umgewandelt werden. Das heißt, dass die Ortskoordinaten der Emissionsfläche der Lichtquelle in Winkelkoordinaten der planaren Wellenfronten umgewandelt werden. Handelt es sich bei der Lichtquelle um eine einzelne ideale Punktlichtquelle und bei der Kollimationsoptik um eine einfache rotationssymmetrische Sammellinse, so erhält man demensprechend eine einfache planare Wellenfront, welche senkrecht auf der Achse der Sammellinse steht. Bei Verwendung einer ausgedehnten Lichtquelle hingegen erhält man eine kontinuierliche Winkelverteilung von planaren Wellenfronten um diese Achse mit dem Maximalwinkel α. Diese Größe des Winkels α wird dabei durch die laterale Ausdehnung der Lichtquelle, durch die Abstrahlcharakeristik der Lichtquelle und durch die Brennweite der Sammellinse bestimmt. Der Winkel α skaliert hierbei invers zur lateralen Ausdehnung der Lichtquelle und invers zur Brennweite der Sammellinse und kann somit minimiert und maximiert werden. Für eine reale, ausgedehnte Lichtquelle kann niemals eine perfekte Kollimation, das heißt α=0 erreicht werden, da dazu, gemäß der Etendue-Erhaltung, die laterale Ausdehnung der Kollimationsoptik unendlich groß werden müsste. Die Lichtquelle und die Kollimationsoptik erzeugen somit ein kontinuierliches Spektrum planarer Wellenfronten, welche unter den Winkel -α≤ θ ≤ α um den zentralen Winkel θ=0 propagieren.
Beschreibung der Funktionalität und Struktur der Doppelfreiformlinse:
Somit wird die, auf die Lichtquelle und Kollimationsoptik folgende, Doppelfreiformlinse von diesem kontinuierlichen Spektrum planarer Wellenfronten mit den Propagationswinkeln -α≤ θ ≤ α bestrahlt.
Dabei werden die erste Freiform z=z_FF,I(x,y) und die zweite Freiform z=z_FF,II(x,y) der Linse mit bekannten Verfahren so gekoppelt berechnet, dass die planare Eingangswellenfront mit 0=0 und die gegebene Eingangsintensität der Lichtquelle auf das gewünschte Intensitätsmuster abgebildet wird, und zudem die Ausgangswellenfront der Doppelfreiform ebenfalls planar mit θ=0 ist. Die Einführung der zweiten Freiform hat dabei den Nutzen, dass im Vergleich zu einer Einzelfreiform weitere Freiheitsgrade eingeführt werden, so dass nicht nur die Zielpunkte der Eingangsstrahlen auf der Zielfläche festgelegt werden können um die Energieumverteilung zu realisieren, sondern ebenfalls die Ausgangsstrahlrichtungen festgelegt werden können um die gewünschte Ausgangswellenfront zu erzeugen. Für dieses Designproblem bieten zwei Freiformflächen demzufolge exakt die Anzahl der notwendigen Freiheitsgrade. Idealerweise tritt das gesamte aus der Kollimationsoptik austretende Licht in die Doppelfreiformlinse ein um somit einen Energieverlust zu vermeiden.
Die beiden gekoppelten Freiformen werden so berechnet, dass sie einen minimalen gemittelten Abstand <z_FF,II(x,y)-z_FF,I(x,y)> zueinander haben, wobei die Mittelung <...> hierbei entlang der z-Achse für jeden Wert (x,y) für den die Freiformen definiert sind, berechnet wird. Dieser minimale gemittelte Abstand wird hierbei, gemäß einer konstanten optischen Weglänge zwischen Eingangswellenfront und Ausgangswellenfront, dadurch garantiert, dass sowohl die Eingangswellenfront als auch Ausgangswellenfront planar und die Eingangsapertur und Ausgangsapertur der gekoppelten Freiformen gleich groß sind. Der minimal erreichbare Abstand <z_FF,II(x,y) - z_FF,I(x,y)> hängt hierbei im Allgemeinen von der Struktur der Eingangsintensität und der Struktur der gewünschten Zielintensitätsverteilung ab, da diese an die lokalen Krümmungen der Freiformflächen gekoppelt sind. Eine minimal notwendige Intensitätsumverteilung bedeutet hierbei eine minimale notwendige Freiformflächenkrümmung und demzufolge einen minimal möglichen Abstand <z_FF,II(x,y) - z_FF,I(x,y)>. Demzufolge kann für eine gegebene Lichtquelle und eine gewünschte Zielverteilung eine Kollimationsoptik mit vor-strahlformender Wirkung eingesetzt werden um einen möglichst kleinen Abstand <z_FF,II(x,y) - z_FF,I(x,y)> zu erreichen. Diese Vor-Strahlformung kann dabei zum Beispiel so aussehen, dass die Kollimationsoptik auch eine Homogenisierung der Lichtquellintensität erwirkt, was durch bekannte Kollimationskonzepte erreichbar ist.
Wird die Beleuchtung der Doppelfreiformlinse mit der Eingangswellenfront θ=0, was einer idealen Lichtquelle entsprechen würde, betrachtet und eine Detektionsfläche hinter der Doppelfreiformlinse platziert, so kann das gewünschte Intensitätsmuster aufgrund der planaren Ausgangswellenfront bis ins Unendliche beobachtet werden. Für eine reale Lichtquelle mit der Winkelverteilung -α≤ θ ≤ α ist eine Beobachtung des gewünschten Musters durch die Überlagerung der Beiträge jeder unter den verschiedenen Winkeln θ einfallenden, planaren Wellenfronten nicht möglich.
Bei Betrachtung einer Doppelfreiformlinse, welche für die planare Eingangswellenfront θ=0 berechnet wurde und mit einer planaren Eingangswellenfront θ≠0 beleuchtet wird, lässt sich in einer Beobachtungsebene hinter der Doppelfreiform ein verzerrtes und um den von θ abhängigen Betrag Δ_x(θ) verschobenes Muster feststellen.
Bei der Beleuchtung der Doppelfreiformlinse mit einer realen Lichtquelle mit der Winkelverteilung -α≤ θ ≤ α und der Platzierung der Objektebene des nachfolgenden abbildenden Systems an einer bestimmten Position zeigt sich, dass sich die Verschiebungen Δ_x(θ) für alle Winkel θ näherungsweise eliminieren lassen und das resultierende Muster auf der Zielfläche des abbildenden Systems nahezu frei von diesen Verschiebungsbeiträgen ist (vgl. 3).
Außerdem zeigt sich erstaunlicherweise, dass für ein Doppelfreiformsystem, welches so berechnet wurde, dass der Abstand zwischen beiden Freiformen so klein wie möglich ist, die Verzerrungen der einzelnen Muster für jedes θ ebenfalls minimiert werden und somit ein Gesamtmuster mit minimaler Verschmierung in der Bildebene des abbildenden optischen Systems erzeugt wird. Überraschend lässt sich also feststellen, dass für eine minimale Verschmierungsausdehnung Δ_T des Musters auf der Projektionsfläche das Doppelfreiformsystem so berechnet werden muss, dass der Abstand zwischen beiden Freiformen so klein wie möglich ist um sowohl die Verschiebungen Δ_x(θ) als auch die Verzerrungsbeiträge zu minimieren. Wie bereits erwähnt ist der minimal mögliche Abstand zwischen den beiden Freiformen dabei abhängig von der zur Mustergenerierung notwendigen Energieumverteilung, die von Muster zu Muster variieren kann und somit kann die Verwendung einer Kollimationsoptik mit Vor-strahlumformender Wirkung vorteilhaft sein.
Für das Projektionssystem bestehend aus der Doppelfreiform mit minimalem Freiformabstand und dem abbildenden System mit telezentrischen Objektraum und der Platzierung der Objektebene an der Stelle z = z_OP lässt sich dann eine starke Reduktion der Verschmierungsausdehnung Δ_T in der Bildebene des abbildenden optischen Systems feststellen. Diese ist gegenüber dem Einzelfreiformprojektionssystem nicht nur stark minimiert, sondern es lässt sich ebenfalls feststellen, dass Δ_T auch deutlich homogener über das gesamte Muster ist.
Beschreibung der Funktionalität und Struktur der Abbildungssystems:
Hinter der Doppelfreiformlinse wird ein abbildendes optisches System platziert, welches das aus der objektseitig liegenden Doppelfreiformlinse austretende Licht komplett aufnimmt. Um eine Minimierung des Verschmierungseffektes der Musterprojektion zu erreichen, muss das Abbildungssystem hierbei genau spezifizierte Eigenschaften aufweisen, gemäß derer es designt wird.
Das abbildende optische System weist einen objektseitig telezentrischen Strahlengang auf, wobei das Objekt in einer Ebene z=z_OP, welche senkrecht zur z-Achse steht platziert wird. Die Position dieser Objektebene relativ zu den beiden Freiformlinsen liegt hierbei ungefähr bei $z_{OP} \approx z_{FF,II} (x,y) > - α \cdot n_{1} {/n}_{2} \cdot < z_{FF,II} (x, y) - z_{FF,I} (x, y) >,$
wobei n₁ dem Brechungsindex des die Freiformlinse umgebenden Mediums entspricht, n₂ dem Brechungsindex der Freiformlinse entspricht und <z_FF,II(x,y)> der gemittelten Position, gemessen entlang der z-Achse, der zweiten Freiformlinse entspricht. Durch den telezentrischen Objektraum des abbildenden Systems und der damit einhergehenden Invarianz der optischen Vergrößerung des Abbildungssystems kann dabei die exakte Position der Ebene z=z_OP in der Praxis durch ein einfaches Verschieben des abbildenden Systems entlang der z-Achse bestimmt werden. Um eine weitere Minimierung der Verschmierungsausdehnung Δ_T zu erreichen, kann es ebenfalls vorteilhaft sein statt einer planaren Objektstruktur z=z_OP beim Design des abbildenden optischen Systems eine nichtplanare Objektstruktur z=z_OP(x,y) anzunehmen die ungefähr der Form der zweiten Freiformfläche z_FF,II(x,y) entspricht.
Darüber hinaus entspricht der objektseitige Öffnungswinkel des abbildenden optischen System dem Winkel α und die Objektgröße entspricht der Apertur der zweiten Freiform z_FF,II(x,y). Unter diesen Angaben wird das abbildende optische System unter Verwendung von Standard Optikdesignsoftwareprogrammen dann so designt, dass es das Objekt im gewünschten Arbeitsabstand zum abbildenden System und mit der gewünschten Vergrößerung auf die vorgegebene Zielfläche im Idealfall aberrationsfrei bzw. beugungsbegrenzt abbildet. Eine auftretende Verzeichnung des abbildenden Systems kann dabei durch eine entsprechende Kompensation bei der Doppelfreiformberechnung eliminiert werden, indem das gewünschte Muster an die Verzeichnung des abbildenden Systems angepasst wird.
Durch die Anwendung der oben beschriebenen Designregeln lässt sich eine Ausdehnung der Verschmierung des Musters auf der Zielfläche von $Δ_{T} \approx 2 \cdot α \cdot n_{1} {/n}_{2} \cdot < z_{FF,II} (x, y) - z_{FF,I} (x, y) >$
feststellen, welche im Vergleich zu einer Ersetzung der Doppelfreiform und des abbildenden Systems durch eine Einzelfreiform stark reduziert ist. Für diesen Fall ergibt sich die Ausdehnung der Verschmierung des gewünschten Musters zu $Δ_{T} \approx 2 \cdot α \cdot < z_{T} - z_{FF} (x,y) >$
und somit proportional zum Abstand zwischen der Zielebene z=z_T und der Einzelfreiform z = z_FF(x,y).
Da der Winkel α für eine vorgegebene Energieeffizienz gemäß der Etendue-Erhaltung invers zur lateralen Ausdehnung der Kollimationsoptik skaliert, wird bei gleicher Energieeffizienz, gleichem Arbeitsabstand und gleicher Verschmierung Δ_T durch das erfindungsgemäße Konzept die laterale Ausdehnung des Projektionssystems signifikant verringert (siehe Ausführungsbeispiele).
Erweiterung auf Mehrkanalprojektor:
Um eine weitere Minimierung der longitudinalen Ausdehnung des Projektionssystems zu erzielen, kann anstatt eines einzelnen Projektionskanals bestehend aus der oben beschriebenen Doppelfreiformlinse und des abbildenden optischen Systems auch ein Array von Projektionskanälen, jeweils bestehend aus der oben beschriebenen Doppelfreiformlinse und einem abbildenden optischen System mit telezentrischem Objektraum, welche das gleiche Muster erzeugen, verwendet werden. Das Muster auf der Zielfläche ergibt sich dann als Überlagerung der Muster der einzelnen Kanäle.
Das hat den Vorteil einer verringerten longitudinalen Ausdehnung und einer Invarianz gegenüber der Intensitätsverteilung der Lichtquelle, da die Eingangsintensität eines Projektionskanals bei kleinerer lateraler Ausdehnung als nahezu uniform angenommen werden kann. Zudem garantiert der minimale Abstand er beiden Freiformen der Doppelfreiform, welche für eine planare Eingangswellenfront sowie planare Ausgangswellenfront berechnet wird, eine minimal mögliche Ausdehnung des Projektionssystems sowie einen minimalen Crosstalk zwischen den Projektionskanälen.
Eine Ersetzung der Doppelfreiformlinsenflächen im vorgeschlagenen Konzept, durch zwei andere gekoppelte, phasenmodulierende optische Flächen, wie zum Beispiel zwei phasenmodulierende SLMs oder zwei diffraktive optische Elemente DOEs, welche eine gegebene Eingangsintensitätsverteilung und planare Eingangswellenfront auf eine gewünschte Ausgangsintensitätsverteilung und eine planare Ausgangswellenfront abbilden und dabei so berechnet werden, dass die beiden Elemente einen minimal möglichen Abstand zueinander aufweisen, ist ebenfalls denkbar.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1: Vergleich zwischen Doppelfreiform mit abbildendem System und Einzelfreiform
Um die vorgestellten Freiformprojektionskonzepte

(a) Einzelfreiform
(b) Doppelfreiform und Abbildungssystem

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Es hat sich gezeigt, dass das Doppelfreiformsystem die beste Musterqualität erreicht. Mit den Abschätzungen (1) und (3) lässt sich somit feststellen das die Ausdehnung Δ_T sich von Δ_T ≈ 0.407 (Einzelfreiformprojektor) auf Δ_T =0.033 (Doppelfreiformsystem) verringert. Das heißt, statt einer Verschmierung über 40% des Bildes wird eine Verschmierung über 3% des Musters erreicht. Gemäß dem Gesetz der Etendue-Erhaltung für verlustfreie optische Systeme müsste ein Einzelfreiformprojektor um das 13.3 fache an lateraler Ausdehnung zunehmen um dieselbe Musterqualität zu erreichen.
Ausführungsbeispiel 2: Vergleich zwischen verschiedenen Dicken der Doppelfreiform
Zur Demonstration des Einflusses des Abstandes der beiden mustergenerierenden Freiformen in der erfindungsgemäßen Lösung auf die Verschmierung des Musters wird jeweils das Projektionssystem bestehend aus einer Doppelfreiformlinse und einem abbildenden System berechnet, wobei die Doppelfreiformlinse für verschiedene Abstände zwischen den Freiformen berechnet wird (vgl. 5). Sowohl die laterale Ausdehnung der jeweiligen Doppelfreiformlinse als auch das abbildende System für jedes Beispiel ist dabei identisch. Als Divergenzwinkel der kollimierten Lichtquelle wird jeweils α=∓7° gewählt. Durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden mustergenerierenden Freiformen vergrößert sich die Verschmierung des Musters signifikant.
Ausführungsbeispiel 3: Mehrkanalprojektor
Zur weiteren Veranschaulichung des Designkonzepts wird es in einem Mehrkanalprojektor angewendet (vgl. 6). Dieser besteht aus einer Lichtquelle mit einer Ausdehnung von 1.2 mm mal 1.2mm und einem Öffnungswinkel von +25 Grad, einer Kollimationsoptik, einem Doppelfreiformlinsenarray (zwei plano-Freiformlinsen, wobei die beiden Freiformflächen einander zugewandt sind) und einem Projektionslinsenarray. Die einzelnen Kanäle erzeugen hierbei jeweils dasselbe Muster auf der Zielfläche und überlagern sich auf der Zielfläche zum Gesamtmuster, welches den Einzelmustern entspricht. Durch die Verwendung mehrere Kanäle wird einerseits die Lichtquelle homogenisiert und andererseits die longitudinale Ausdehnung des Projektionssystems minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013208625 A1 [0002]
US 10003776 B2 [0004]
US 9869866 B2 [0005]
US 20180106459 A1 [0005]
DE 102011014779 A1 [0005]
US 7460985 B2 [0006]
US 7286296 B2 [0006]
DE 102015216985 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Ries und J. Muschaweck, „Tailored freeform optical surfaces“, J. Opt. Soc. Am. A 19(3), 590-595, (2002) [0003]

Claims

Projektionsvorrichtung zur energieeffizienten Mustererzeugung mit mindestens einer Lichtquelle, mindestens einem Vorstrahlformungselement, mindestens einem Strahlformungselement zur Phasen- und Intensitätsumverteilung und damit zur Mustererzeugung, einem abbildenden optischen System mit objektseitig telezentrischen Strahlengang und einer Projektionsfläche.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Vorstrahlformungselement eine Kollimationsoptik ist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Vorstrahlformungselement aus zwei refraktiven optischen Freiformflächen besteht.
Projektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlformungselement aus zwei refraktiven optischen Freiformflächen besteht.
Projektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlformungselement aus mehreren optischen Kanälen mit jeweils zwei refraktiven optischen Freiformflächen besteht.
Verfahren zur energieeffizienten Mustererzeugung umfassend oder enthaltend die Schritte - Beleuchtung mindestens eines Strahlformungselementes zur Erzeugung eines Musters durch Phasen- und Intensitätsumverteilung - Abbilden des Musters mit objektseitig telezentrischem Strahlengang auf eine Projektionsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlformungselement mit kollimiertem Licht beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlformungselement zur Abbildung von einer planaren Wellenfront und gegebener Eingangsintensität auf eine planare Wellenfront und das gewünschte Muster berechnet wird.