DE102020200428A1

DE102020200428A1 - Steuervorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators

Info

Publication number: DE102020200428A1
Application number: DE102020200428.5A
Authority: DE
Inventors: Marcel Slodczyk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-07-15
Also published as: WO2021144106A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung (40) für einen räumlichen Lichtmodulator (42), welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, ein Lichtbrechungsmuster zur Brechung eines auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahls (46) in einen Teilstrahl (L0) nullter Ordnung und n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung durch räumliche Modulation zumindest einer Intensität des Lichtstrahls (46) mittels des Lichtbrechungsmusters festzulegen, das festgelegte Lichtbrechungsmuster mit einem Zernike-Polynom zu überlagern, und die lichtmodulierenden Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators (42) unter Berücksichtigung des mit dem Zernike-Polynom überlagerten Lichtbrechungsmusters derart anzusteuern, dass der Lichtstrahl (46) mittels der von den angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelementen gebildeten Phasenmaske in den Teilstrahl (L0) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung brechbar ist und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl (L0) nullter Ordnung in eine Raumrichtung (28) verschiebbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators (42).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen räumlichen Lichtmodulator und einen räumlichen Lichtmodulator. Ebenso betrifft die Erfindung einen 3D-Drucker und ein Laserschweiß- oder Laserabtrag-System. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators.
Stand der Technik
1a und 1b zeigen eine räumliche Amplitudenverteilung zum Erläutern einer herkömmlichen Vorgehensweise zur räumlichen Lichtmodulation, welche der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist.
Mittels der in den 1a und 1b schematisch wiedergegebenen herkömmlichen Vorgehensweise zur räumlichen Lichtmodulation soll ein (nicht skizzierter) Lichtstrahl in einen Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und n Teilstrahlen L höherer Ordnung gebrochen werden, wobei n eine natürliche Zahl größer Null ist. Dazu wird, wie in 1a gezeigt, eine Soll-Amplitudenverteilung der Teilstrahlen L höherer Ordnung in einer Ebene 10, welche den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die Teilstrahlen L höherer Ordnung (im Wesentlichen) senkrecht schneidet, festgelegt. Die Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung in der Ebene 10 ist fest vorgegeben.
Häufig soll mittels der durch räumliche Lichtmodulation gewonnenen n Teilstrahlen L höherer Ordnung ein Material bearbeitet werden, während eine Verwendung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung nicht gewünscht ist. Deshalb werden beim Stand der Technik die n Teilstrahlen L höherer Ordnung in der Regel derart zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung angeordnet, dass eine definierbare zentrale Achse 12, welche (nahezu) senkrecht zu der Ebene 10 verläuft, und um welche die n Teilstrahlen L höherer Ordnung (im Wesentlichen) symmetrisch verteilt sind, in eine erste Raumrichtung 14a in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung „verschoben/versetzt“ ist (siehe 1a). Anhand der Soll-Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung und der Teilstrahlen L höherer Ordnung wird anschließend eine Soll-Phasenmaske für einen zur Brechung des Lichtstrahls in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die mehreren Teilstrahlen L höherer Ordnung verwendeten räumlichen Lichtmodulator ermittelt.
Sofern ein Material mittels der durch räumliche Lichtmodulation gewonnenen n Teilstrahlen L höherer Ordnung bearbeitet werden soll, macht dies in der Regel eine Auslenkung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in unterschiedliche Richtungen während der Bearbeitung des Materials notwendig. Wünschenswert wäre eine derartige Auslenkung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung durch eine mittels eines Pfeils 16a in 1a wiedergegebene Drehung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung um die zentrale Achse 12. Die mittels des Pfeils 16a wiedergegebene Drehung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung um die zentrale Achse 12 macht jedoch eine erneute Berechnung der Soll-Phasenmaske des räumlichen Lichtmodulators notwendig. Eine mittels des Pfeils 16b wiedergegebene 90°-Drehung der Soll-Phasenmaske um eine durch den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verlaufende Drehachse 18 würde (anstelle der mittels des Pfeils 16a in 1a wiedergegebene Drehung) bewirken, dass die n Teilstrahlen L höherer Ordnung in eine senkrecht zu der ersten Raumrichtung 14a ausgerichteten zweiten Raumrichtung 14b in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung „verschoben/versetzt“ werden (siehe 1b).
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Steuervorrichtung für einen räumlichen Lichtmodulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen räumlichen Lichtmodulator mit den Merkmalen des Anspruchs 6, einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Laserschweiß- oder Laserabtrag-System mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zur räumlichen Lichtmodulation, indem mittels einer Überlagerung des Lichtbrechungsmusters eines eingesetzten räumlichen Lichtmodulators mit einem Zernike-Polynom eine lineare Verschiebung der aus einem auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffenden Lichtstrahl gebrochenen n Teilstrahlen höherer Ordnung in Bezug in eine gemeinsame Raumrichtung zu dem Teilstrahl nullter Ordnung bewirkt wird. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, erleichtert diese Vorgehensweise eine Auslenkung der n Teilstrahlen höherer Ordnung in unterschiedliche Richtungen durch Drehung der n Teilstrahlen höherer Ordnung um ihre „zentrale Achse“. Dieser Vorgang ist, wie unten genauer erklärt wird, mittels eines relativ einfach ausführbaren und vergleichsweise wenig aufwändigen Rechenaufwands bewirkbar. Die vorliegende Erfindung schafft damit Möglichkeiten zur räumlichen Lichtmodulation, welche mit einer vergleichsweise kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden Elektronik realisierbar sind.
Bevorzugter Weise ist die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt und/oder programmiert, das Lichtbrechungsmuster mit dem Tilt-Zernike-Polynom als den Zernike-Polynom zu überlagern. Das Tilt-Zernike-Polynom ermöglicht die vorteilhafte lineare Verschiebung der n Teilstrahlen höherer Ordnung in die gemeinsame Raumrichtung weg von dem Teilstrahl nullter Ordnung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Steuervorrichtung ist die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt und/oder programmiert, ein Ausgangs-Lichtbrechungsmuster zur Brechung des auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffenden Lichtstrahls in den Teilstrahl nullter Ordnung und die n Teilstrahlen höherer Ordnung mittels des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters festzulegen, und das Lichtbrechungsmuster als ein rotierendes Lichtbrechungsmuster durch Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um eine durch den Teilstrahl nullter Ordnung verlaufende Drehachse festzulegen. Wie anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung deutlich wird, ermöglicht eine derartige Ausbildung der Elektronikeinrichtung eine vorteilhafte Drehung der n Teilstrahlen höherer Ordnung um ihre zentrale Achse.
Vorzugsweise ist die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt und/oder programmiert, das Lichtbrechungsmuster und/oder das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster für eine Verteilung der n Teilstrahlen höherer Ordnung festzulegen, bei welcher die n Teilstrahlen höherer Ordnung symmetrisch um den Teilstrahl nullter Ordnung verteilt sind. Die hier beschriebene Elektronikeinrichtung kann somit kostengünstig hergestellt und mit einer vergleichsweise einfachen Speichereinheit ausgestattet sein.
Beispielsweise ist die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt und/oder programmiert, das Lichtbrechungsmuster und/oder das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster jeweils als zweidimensionale Funktion in einem zweidimensionalen Polarkoordinatensystem festzulegen. Ein derartiger Vorgang ist beispielsweise mittels einer iterativen Fourier-Transformation (IFTA-Algorithmus) leicht ausführbar.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem räumlichen Lichtmodulator mit einer derartigen Steuervorrichtung realisiert. Der räumliche Lichtmodulator kann beispielsweise ein Flüssigkristallmodulator oder ein Flüssigkristallbildschirm sein.
Auch ein 3D-Drucker mit einer entsprechenden Steuervorrichtung, dem mittels der Steuervorrichtung ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator und einer Lichtquelle, mittels welcher der auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffende Lichtstrahl emittierbar ist, ist gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
Ebenso sind die vorausgehend beschriebenen Vorteile bei einem Laserschweiß- oder Laserabtrag-System mit einer korrespondierenden Steuervorrichtung, den mittels der Steuervorrichtung ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator und einem Laser, mittels welchem der auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffende Lichtstrahl emittierbar ist, bewirkt.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators die oben beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators gemäß den vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen der Steuervorrichtung weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a und 1b eine räumliche Amplitudenverteilung zum Erläutern einer herkömmlichen Vorgehensweise zur räumlichen Lichtmodulation;
2a bis 2d ein Flussdiagramm und räumliche Amplitudenverteilungen zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators; und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuervorrichtung, bzw. des damit zusammenwirkenden räumlichen Lichtmodulators.

Ausführungsformen der Erfindung
2a bis 2d zeigen ein Flussdiagramm und räumliche Amplitudenverteilungen zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators.
Unter dem zum Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens eingesetzten räumlichen Lichtmodulator kann jedes Gerät, mittels welchem einem Lichtstrahl eine (definierte) räumliche Modulation „aufprägbar“ ist, verstanden werden. Der räumliche Lichtmodulator kann auch als ein räumlicher Modulator für Licht und/oder als SLM (Spacial Light Modulator) bezeichnet werden. Der räumliche Lichtmodulator kann beispielsweise ein Flüssigkristallmodulator oder ein Flüssigkristallbildschirm sein. Insbesondere kann der räumliche Lichtmodulator ein LCOS-Modulator (Liquid-Crystal-On-Silicon Modulator) sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens auf keinen speziellen Gerätetyp für den räumlichen Lichtmodulator beschränkt ist.
Mittels des im Weiteren beschriebenen Verfahrens soll ein auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffender Lichtstrahl in einen Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in n Teilstrahlen L höherer Ordnung gebrochen werden, wobei n eine natürliche Zahl größer Null ist. Der auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffende Lichtstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl sein. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Verfahrens auf kein spezielles optisches Spektrum des Lichtstrahls beschränkt ist.
In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Lichtbrechungsmuster zum Brechen des Lichtstrahls in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in die n Teilstrahlen L höherer Ordnung durch räumliche Modulation zumindest einer Intensität des Lichtstrahls mittels des Lichtbrechungsmusters festgelegt. Dazu kann zuerst eine Soll-Amplitudenverteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in einer Ebene 20, welche den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die n Teilstrahlen L höherer Ordnung (im Wesentlichen) senkrecht schneidet, festgelegt werden. (Die Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung in der Ebene 20 ist fest vorgegeben.) Anschließend kann mittels eines Rechenschritts das zum Bewirken der festgelegten Soll-Amplitudenverteilung geeignete Lichtbrechungsmuster berechnet werden. Zum Ausführen des Rechenschritts kann der iterative Fourier-Transformations-Algorithmus (IFTA) eingesetzt werden. Beispielsweise kann in dem Verfahrensschritt S1 das Lichtbrechungsmuster als zweidimensionale Funktion in einem zweidimensionalen Polarkoordinatensystem festgelegt/berechnet werden.
Vorteilhafterweise kann bei einem Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens (aufgrund eines später erläuterten Verfahrensschritts S2) als Verfahrensschritt S1 das Lichtbrechungsmuster für eine zentrierte Amplitudenverteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung festgelegt werden. Unter einer zentrierten Amplitudenverteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung kann verstanden werden, dass die n Teilstrahlen L höherer Ordnung symmetrisch um den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verteilt sind/werden.
Beispielhaft wird bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens zuerst in einem Teilschritt S1a des Verfahrensschritts S1 ein Ausgangs-Lichtbrechungsmuster zur Brechung des auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffenden Lichtstrahls in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in die n Teilstrahlen L höherer Ordnung mittels des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters festgelegt. Dazu wird die Soll-Amplitudenverteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in der Ebene 20 festgelegt und danach wird mittels des Rechenschritts das zum Bewirken der festgelegten Soll-Amplitudenverteilung geeignete Ausgangs-Lichtbrechungsmuster berechnet.
Vorteilhafter Weise wird das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster für eine zentrierte Amplitudenverteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung festgelegt. 2b zeigt eine Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung und der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in der Ebene 20, welche auftreten würde, wenn der auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffender Lichtstrahl mittels einer „dem Ausgangs-Lichtbrechungsmuster entsprechenden Phasenmaske“ in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in die n Teilstrahlen L höherer Ordnung gebrochen werden würde. Sofern der Nullpunkt des in der Ebene 20 liegenden zweidimensionalen Polarkoordinatensystems so definiert ist, dass der Teilstrahl L₀ nullter Ordnung durch den Nullpunkt verläuft, sind die n Teilstrahlen L höherer Ordnung symmetrisch/punktsymmetrisch um den Nullpunkt des zweidimensionalen Polarkoordinatensystems verteilt.
In einem weiteren Teilschritt S1b des Verfahrensschritts S1 wird das Lichtbrechungsmuster als zeitlich rotierendes Lichtbrechungsmuster durch eine mittels eines Pfeils 22 wiedergegebene Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um eine durch den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verlaufende Drehachse 24 festgelegt. Sofern der Nullpunkt des in der Ebene 20 liegenden zweidimensionalen Polarkoordinatensystems so definiert ist, dass der Teilstrahl L₀ nullter Ordnung durch den Nullpunkt verläuft, schneidet die Drehachse 24 das in der Ebene 20 liegende zweidimensionale Polarkoordinatensystem senkrecht an seinem Nullpunkt. Der Drehwinkel φ, um welchen das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster um die Drehachse 24 zur Festlegung des zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmusters gedreht wird, kann eine zeitabhängige Funktion f(t) sein mit: $φ = f (t) = \int ω (t) dt,$
wobei ω(t) eine Drehgeschwindigkeit ist. Die Drehgeschwindigkeit ω(t) kann insbesondere konstant sein, so dass gilt: $φ = f (t) = ω * t .$
Alternativ kann die Drehgeschwindigkeit ω(t) auch zeitlich variieren.
Die Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um die Drehachse 24 zur Festlegung des zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmusters ist wenig rechenintensiv. Insbesondere ist der zur Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um die Drehachse 24 zu leistende Rechenaufwand in der Regel deutlich geringer als das als Teilschritt S1a ausgeführte Festlegen des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters. Obwohl bei dem die Teilschritte S1a und S1b umfassenden Verfahrensschritt S1 das Lichtbrechungsmuster als zeitlich rotierendes Lichtbrechungsmuster festgelegt wird, kann der dazu zu leistende Rechenaufwand mit einer relativ kostengünstigen, kleinvolumigen und einen vergleichsweise geringen Speicherbedarf aufweisenden Elektronik ausgeführt werden.
2c zeigt eine Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung und der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in der Ebene 20, welche auftreten würde, wenn der auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffender Lichtstrahl mittels einer „dem zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmuster entsprechenden Phasenmaske“ in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in die n Teilstrahlen L höherer Ordnung gebrochen werden würde. Sofern der Nullpunkt des in der Ebene 20 liegenden zweidimensionalen Polarkoordinatensystems so definiert ist, dass der Teilstrahl L₀ nullter Ordnung durch den Nullpunkt verläuft, rotieren die beabstandet zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung liegenden Teilstrahlen L höherer Ordnung um den Nullpunkt des zweidimensionalen Polarkoordinatensystems. Die Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um die Drehachse 24 hat jedoch keinen Einfluss auf die Abstände der n Teilstrahlen L höherer Ordnung zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung. Trotz der Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters mit zentrierter Amplitudenverteilung bleiben die n Teilstrahlen L höherer Ordnung symmetrisch um den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verteilt. Die Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um die Drehachse 24 führt somit zu keinem Versatz der n Teilstrahlen L höherer Ordnung zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung.
Anschließend wird als Verfahrensschritt S2 das festgelegte Lichtbrechungsmuster, wie z.B. das zeitlich rotierende Lichtbrechungsmuster, mit einem Zernike-Polynom überlagert. Die mittels eines Pfeils 26 wiedergegebene Überlagerung des Lichtbrechungsmusters/des zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmusters mit dem Zernike-Polynom führt zu einer Verschiebung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in eine gemeinsame Raumrichtung 28 in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung. Eine der Überlagerung des Lichtbrechungsmusters/des zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmusters mit dem Zernike-Polynom entsprechende räumliche Lichtmodulation bewirkt damit eine räumliche Trennung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung in die gemeinsame Raumrichtung 28, was ein späteres Ausblenden des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung erleichtert. Die Raumrichtung 28 kann insbesondere senkrecht zu der Ebene 20 ausgerichtet sein.
Vorzugsweise wird das Lichtbrechungsmuster/das zeitlich rotierende Lichtbrechungsmuster mit dem Tilt-Zernike-Polynom Z₃ überlagert. Das Tilt-Zernike-Polynom Z₃ kann beispielsweise definiert sein gemäß: $Z_{3} = 2 r * sin ϑ,$
wobei r und ϑ Koordinaten des in der Ebene 20 liegenden zweidimensionalen Polarkoordinatensystems sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 werden lichtmodulierende Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators unter Berücksichtigung zumindest des mit dem Zernike-Polynom überlagerten Lichtbrechungsmusters, wie z.B. des zeitlich rotierenden Lichtbrechungsmusters, derart angesteuert, dass die angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelemente eine Phasenmaske für den auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffenden Lichtstrahl so realisieren, dass der Lichtstrahl mittels der Phasenmaske in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die n Teilstrahlen L höherer Ordnung gebrochen wird, wobei zusätzlich die Teilstrahlen L höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung in die gemeinsame Raumrichtung 28 verschoben werden.
2d zeigt eine durch Ausführen der vorausgehend beschriebenen Verfahrensschritte S1 bis S3 bewirkte Amplitudenverteilung des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung und der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in der Ebene 20. Wie in 2d erkennbar ist, sind die n Teilstrahlen L in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung in die Raumrichtung 28 „verschoben/versetzt“, so dass ein Ausblenden des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung während einer späteren Nutzung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung, bzw. für einen 3D-Drucker oder zur Bearbeitung eines Materials mittels der n Teilstrahlen L höherer Ordnung, wie insbesondere zum Laserschweißen oder Laserabtragen des Materials mittels der n Teilstrahlen L höherer Ordnung, leicht möglich ist. Trotz des Versatzes der n Teilstrahlen L höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung in die Raumrichtung 28 ist eine zentrale Achse 30 definierbar, um welche die n Teilstrahlen L höherer Ordnung symmetrisch verteilt sind. Außerdem rotieren die n Teilstrahlen L höherer Ordnung um ihre zentrale Achse 30, wie mittels eines Pfeils 32 wiedergegeben ist. Das die Teilschritte 1a und 1b umfassende Verfahren kann somit zum Brechen des auf den räumlichen Lichtmodulator auftreffender Lichtstrahls in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und in ein um seine zentrale Achse 30 rotierendes Muster aus den n Teilstrahlen L höherer Ordnung verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das hier beschriebene Verfahren auch ohne ein Ausführen der Teilschritte 1a und 1b vorteilhaft ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuervorrichtung, bzw. des damit zusammenwirkenden räumlichen Lichtmodulators.
Die in 3 schematisch dargestellte Steuervorrichtung 40 ist zum Zusammenwirken mit einem räumlichen Lichtmodulator 42 ausgebildet und/oder programmiert. Dazu umfasst die Steuervorrichtung 40 eine Elektronikeinrichtung 44, welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, ein Lichtbrechungsmuster zur Brechung eines auf den räumlichen Lichtmodulator 42 auftreffenden Lichtstrahls 46 in einen Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und n Teilstrahlen L höherer Ordnung durch räumliche Modulation zumindest einer Intensität des Lichtstrahls 46 mittels des Lichtbrechungsmusters festzulegen. De Gesamtanzahl n der Teilstrahlen L höherer Ordnung ist eine natürliche Zahl größer Null. Außerdem ist die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt und/oder programmiert, (nicht skizzierte) lichtmodulierende Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators 42 unter Berücksichtigung zumindest des festgelegten Lichtbrechungsmusters mittels mindestens eines Steuersignals 48 derart anzusteuern, dass mittels der angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelemente eine Phasenmaske für den auf den räumlichen Lichtmodulator 42 auftreffenden Lichtstrahl 46 so realisierbar ist, dass der Lichtstrahl 46 mittels der Phasenmaske in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die n Teilstrahlen L höherer Ordnung brechbar ist/gebrochen wird.
Zusätzlich ist die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt und/oder programmiert, das festgelegte Lichtbrechungsmuster mit einem Zernike-Polynom zu überlagern, und die lichtmodulierenden Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators 42 unter Berücksichtigung des mit dem Zernike-Polynom überlagerten Lichtbrechungsmusters derart anzusteuern, dass der Lichtstrahl 46 mittels der von den angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelementen gebildeten Phasenmaske in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die n Teilstrahlen L höherer Ordnung brechbar ist/gebrochen wird, wobei vorteilhafterweise die n Teilstrahlen L höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl L₀ nullter Ordnung in eine Raumrichtung verschiebbar/verschoben sind. Dies erleichtert ein Ausblenden des Teilstrahls L₀ nullter Ordnung. Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt und/oder programmiert sein, das Lichtbrechungsmuster mit dem Tilt-Zernike-Polynom als den Zernike-Polynom zu überlagern.
Die Steuervorrichtung 40 und der räumliche Lichtmodulator 42 eignen sich somit zur räumlichen Modulation von Licht. Durch Darstellung einer Phasenmaske des räumlichen Lichtmodulators 42 kann z.B. eine Phasenfront des Lichtstrahls 46 angepasst und/oder eine Amplitudenverteilung des Lichtstrahls 46 verändert werden.
Eine zum Emittieren des Lichtstrahls 46 genutzte Lichtquelle 50 kann beispielsweise ein Laser sein. Eine Verwendbarkeit der Steuervorrichtung 40 ist auf kein spezielles optisches Spektrum des Lichtstrahls 46 beschränkt.
Der räumliche Lichtmodulator 42 kann beispielsweise ein Flüssigkristallmodulator oder ein Flüssigkristallbildschirm sein. Insbesondere kann der räumliche Lichtmodulator 42 ein LCOS-Modulator (Liquid-Crystal-On-Silicon Modulator) sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit der Steuervorrichtung 40 auf keinen speziellen Gerätetyp für den räumlichen Lichtmodulator 42 beschränkt ist.
Vorzugsweise ist die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt und/oder programmiert, ein Ausgangs-Lichtbrechungsmuster zur Brechung des auf den räumlichen Lichtmodulator 42 auftreffenden Lichtstrahls 46 in den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung und die n Teilstrahlen L höherer Ordnung mittels des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters festzulegen, und das Lichtbrechungsmuster als ein rotierendes Lichtbrechungsmuster durch Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um eine durch den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verlaufende Drehachse festzulegen. Insbesondere kann die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt und/oder programmiert sein, das Lichtbrechungsmuster und/oder das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster für eine Verteilung der n Teilstrahlen L höherer Ordnung festzulegen, bei welcher die n Teilstrahlen L höherer Ordnung symmetrisch um den Teilstrahl L₀ nullter Ordnung verteilt sind. Die Steuervorrichtung 40/ihre Elektronikeinrichtung 44 kann somit zum Ausführen des vorausgehend beschriebenen Verfahrens ausgelegt und/oder programmiert sein. Die Steuervorrichtung 40 und der räumliche Lichtmodulator 42 können deshalb zur räumlichen Modulation von Licht mit einer hohen Flexibilität genutzt werden, wobei eine Vielzahl von verschiedenen „Aufteilungen“ des Lichtstrahls 46 mittels der Steuervorrichtung 40 und des räumlichen Lichtmodulators 42 erreicht werden können. Die Steuervorrichtung 40 und der räumliche Lichtmodulator 42 können damit für eine Vielzahl von Systemen, wie z.B. einem 3D-Drucker, oder zur Lasermaterialbearbeitung, wie insbesondere für Laserschweiß- System oder ein Laserabtrag-System, verwendet werden.

Claims

Steuervorrichtung (40) für einen räumlichen Lichtmodulator (42) mit: einer Elektronikeinrichtung (44), welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, ein Lichtbrechungsmuster zur Brechung eines auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahls (46) in einen Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung durch räumliche Modulation zumindest einer Intensität des Lichtstrahls (46) mittels des Lichtbrechungsmusters festzulegen, wobei n eine natürliche Zahl größer Null ist, und lichtmodulierende Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators (42) unter Berücksichtigung zumindest des festgelegten Lichtbrechungsmusters derart anzusteuern, dass mittels der angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelemente eine Phasenmaske für den auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahl (46) so realisierbar ist, dass der Lichtstrahl (46) mittels der Phasenmaske in den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung brechbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, das festgelegte Lichtbrechungsmuster mit einem Zernike-Polynom zu überlagern, und die lichtmodulierenden Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators (42) unter Berücksichtigung des mit dem Zernike-Polynom überlagerten Lichtbrechungsmusters derart anzusteuern, dass der Lichtstrahl (46) mittels der von den angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelementen gebildeten Phasenmaske in den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung brechbar ist und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung in eine Raumrichtung (28) verschiebbar sind.
Steuervorrichtung (40) nach Anspruch 1, wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, das Lichtbrechungsmuster mit dem Tilt-Zernike-Polynom als den Zernike-Polynom zu überlagern.
Steuervorrichtung (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, ein Ausgangs-Lichtbrechungsmuster zur Brechung des auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahls (46) in den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung mittels des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters festzulegen, und das Lichtbrechungsmuster als ein rotierendes Lichtbrechungsmuster durch Drehung des Ausgangs-Lichtbrechungsmusters um eine durch den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung verlaufende Drehachse (24) festzulegen.
Steuervorrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, das Lichtbrechungsmuster und/oder das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster für eine Verteilung der n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung festzulegen, bei welcher die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung symmetrisch um den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung verteilt sind.
Steuervorrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, das Lichtbrechungsmuster und/oder das Ausgangs-Lichtbrechungsmuster jeweils als zweidimensionale Funktion in einem zweidimensionalen Polarkoordinatensystem festzulegen.
Räumlicher Lichtmodulator (42) mit einer Steuervorrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Räumlicher Lichtmodulator (42) nach Anspruch 6, wobei der räumliche Lichtmodulator (42) ein Flüssigkristallmodulator oder ein Flüssigkristallbildschirm ist.
3D-Drucker mit: einer Steuervorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; dem mittels der Steuervorrichtung (40) ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator (42); und einer Lichtquelle (50), mittels welcher der auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffende Lichtstrahl (46) emittierbar ist.
Laserschweiß- oder Laserabtrag-System mit: einer Steuervorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; dem mittels der Steuervorrichtung (40) ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator (42); und einem Laser (50), mittels welchem der auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffende Lichtstrahl (46) emittierbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators (42) mit den Schritten: Festlegen eines Lichtbrechungsmusters zum Brechen eines auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahls (46) in einen Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung durch räumliche Modulation zumindest einer Intensität des Lichtstrahls (46) mittels des Lichtbrechungsmusters, wobei n eine natürliche Zahl größer Null ist (S1); und Ansteuern von lichtmodulierenden Pixelelementen des räumlichen Lichtmodulators (42) unter Berücksichtigung zumindest des festgelegten Lichtbrechungsmusters derart, dass die angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelemente eine Phasenmaske für den auf den räumlichen Lichtmodulator (42) auftreffenden Lichtstrahl (46) so realisieren, dass der Lichtstrahl (46) mittels der Phasenmaske in den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung gebrochen wird; dadurch gekennzeichnet, dass das festgelegte Lichtbrechungsmuster mit einem Zernike-Polynom überlagert wird (S2); und die lichtmodulierenden Pixelelemente des räumlichen Lichtmodulators (42) unter Berücksichtigung des mit dem Zernike-Polynom überlagerten Lichtbrechungsmusters derart angesteuert werden, dass der Lichtstrahl (46) mittels der von den angesteuerten lichtmodulierenden Pixelelementen gebildeten Phasenmaske in den Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung und die n Teilstrahlen (L) höherer Ordnung gebrochen wird und die Teilstrahlen (L) höherer Ordnung in Bezug zu dem Teilstrahl (L₀) nullter Ordnung in eine Raumrichtung (28) verschoben werden (S3).