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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese PCT-Patentanmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität gegenüber der am 12. April 2016 eingereichten vorläufigen
US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/321,300 , wobei die ganze Offenbarung der Anmeldung als Teil der Offenbarung dieser Anmeldung angesehen wird und durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Erfindungsgebiet
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Eine dynamische Linse zum Projizieren von verschiedenen Ausgangsstrahlformen auf ein Ziel.
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Erörterung
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Linsen werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, einschließlich des Ausbildens eines Hochleistungslichtstrahls in eine Ausgangsstrahlform auf ein Ziel für Anwendungen wie etwa Schweißen und additive Fertigung („AM“ - Additive Manufacturing"). Solche Linsen müssen in der Lage sein, während der Lebenszeit der Linse eine Exposition gegenüber Hochleistungslichtstrahlen durch eine große Anzahl von Zyklen oder Impulsen auszuhalten. Linsen vom dynamischen Typ sind in der Lage, sich zu verändern, um einen Lichtstrahl zu verschiedenen Formen auszubilden. Bisher waren dynamische Linsen für Hochleistungsanwendungen nicht geeignet, weil verfügbare dynamische Linsen Elektroden oder andere brüchige Materialien erfordert haben, die durch die dort hindurchtretenden Hochleistungslichtstrahlen beschädigt werden.
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In jüngster Zeit wurden Fortschritte auf dem Gebiet von programmierbaren Freiformlinsen (d.h. dynamischen Linsen) gemacht, die „ein Phasenmodulationsmuster zum Projizieren eines vordefinierten Kaustik-Bilds auf eine bezeichnete Bildebene“ verwenden. Eine derartige programmierbare Freiformlinsenanordnung ist aus Damberg et al. „Efficient Freeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays.“ Optics Express 23.8 (veröffentlicht am 13. April 2015) offenbart. Bisher bekannte dynamische Linsen, einschließlich jener, die aus dem Artikel von Damberg et al. bekannt sind, haben eine traditionelle Technologie auf LCOS(Liquid Crystal on Silicon)-Basis verwendet, wie etwa SLM(Spatial Light Modulator)-Bauelemente, die in Videoprojektoren verwendet werden, wodurch sie für Hochleistungsanwendungen ungeeignet werden.
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Es wurden jüngst adaptive Masken entwickelt, die einen Hochleistungslichtstrahl unter Verwendung von photoaktiven Flüssigkristallen zu verschiedenen Ausgangsformen ausbilden können. Siehe beispielsweise Marshall et al. „Computational Chemistry Modeling and Design of Photoswitchable Alignment Materials for Optically Addressable Liquid Crystal Devices“ 142 LLE Review bei 151 (2015). Die
US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014/0252687 (11. September 2014) offenbart ein System zum Durchführen von additiver Fertigung („AM“) mit einer Maske, die Flüssigkristalle verwendet, um die Polarisation eines Teils eines Hochleistungslichtstrahls zu modifizieren, der dann durch einen polarisierenden Spiegel maskiert wird, was gestattet, dass der Rest durch ein Substratziel hindurchtritt.
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Weil ein Teil des Hochleistungslichtstrahls gegenüber dem Ziel maskiert ist und deshalb für Nutzarbeit in Systemen nicht verfügbar ist, die adaptive Masken verwenden, bleibt weiterhin ein Bedarf nach einer adaptiven Linse, die im Wesentlichen den ganzen dort hindurchtretenden Hochleistungslichtstrahl zu einer Ausgangsstrahlform auf einem Ziel ausbilden kann.
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Eine dynamische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet Ziele oder Rahmen, die innerhalb der Grenzen der Größe des Linsenarrays größenmäßig variieren. Eine dynamische Linse gestattet auch je nach der Rahmengröße eine variable Leistungsdichte. Dies bedeutet, dass die Rahmengröße mit abnehmender Teildichte zunehmen Kann. Im Gegensatz zu Systemen, die adaptive Masken einsetzen, ist die Fertigungsrate auf AM-Systemen, die eine dynamische Linse verwenden, nicht von der Teildichte abhängig (Rahmennutzung).
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung sorgt für eine dynamische Linse zum Projizieren verschiedener Ausgangsstrahlformen auf ein Ziel. Die dynamische Linse enthält eine erste Lichtquelle, die einen ersten Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge generiert. Ein Projektor mit einer zweiten Lichtquelle generiert einen zweiten Lichtstrahl mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge und bildet den zweiten Lichtstrahl zu einem Anfangsmuster. Die dynamische Linse enthält auch eine Fokussierebene, die ein Linsenarray von photoaktiven Zellen enthält zum Brechen des ersten Lichtstrahls als Reaktion auf eine Stimulation durch den zweiten Lichtstrahl mit der zweiten Wellenlänge, und einen Strahlvereiniger zum Vereinigen des ersten Lichtstrahls mit dem zweiten Lichtstrahl und Lenken der vereinigten Lichtstrahlen auf die Fokussierebene. Die Fokussierebene enthält ein Linsenarray von photoaktiven Zellen, die ein Phasenmuster bilden zum Ausbilden des ersten Lichtstrahls in die Ausgangsstrahlform auf das Ziel als Reaktion auf eine Stimulation durch den zweiten Lichtstrahl mit der zweiten Wellenlänge gemäß dem Anfangsmuster.
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Die Erfindung in ihrem breitesten Aspekt sorgt deshalb für eine Ausgangsstrahlform, die dynamisch justierbar ist, was bedeutet, dass ihre Form und Brennpunkte schnell geändert werden können. Die Erfindung sorgt auch für einen Ausgangsstrahl, wobei im Wesentlichen der ganze erste Lichtstrahl zum Ziel übertragen wird. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber einem Strahlformer vom „maskierenden“ Typ nach dem Stand der Technik dar, der einen Teil des ersten Lichtstrahls von dem Ziel weg maskiert oder lenkt, um eine gewünschte Strahlform zu erzeugen.
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Wie in Tabelle 1 gezeigt, würde ein additiver Fertigungsprozess unter Verwendung eines maskierenden Strahlformers zum Herstellen einer beispielhaften „Hohlrad“-Struktur mit etwa 18% Flächendichte 22 s pro Schicht benötigen. Durch Substituieren einer dynamischen Linse der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen den ganzen ersten Hochleistungslichtstrahl zum Ziel lenkt, kann der additive Fertigungsprozess die gleiche Schicht in 5,122 s herstellen. Dies stellt eine Verbesserung um das etwa Vierfache (4-Fache) dar.
TABELLE 1 - Hohlradstruktur ~18% Teilflächendichte
| | 25 × 25 mm Maskenrahmen | Variable Linse | |
| Begrenzter Bereich | 2695 | 2695 | mm^2 |
| Querschnittsbereich | 494 | 494 | mm^2 |
| Füllfaktor | 18% | 18% | mm^2 |
| Bett 500 mm × 1000 mm | | | |
| Teile/Fertigung | 158 | 158 | |
| Gesamtschnittfläche | 78052 | 78052 | mm^2 |
| Rahmenfläche | 625 | 4003,7411 | mm^2 |
| Erforderliche Rahmen | 800 | 124,8832 | |
| Rahmenpixel | 1.000.000 | 6.405.986 | @ 25 Mikrometer |
| Querschnittsmasse | 0,09633 | 0,09633 | g |
| Schichtdicke | 25 | 25 | Mikrometer |
| Material | Stahl | Stahl | |
| Rahmenzeit | 0,025 | 0,025 | s |
| Leistungsdurchlaufzeit | 2 | 2 | s |
| Max. Materialfläche/Rahmen | 625 | 625 | mm^2 |
| Teilfläche/Rahmen | 114,560074 | 625 | mm^2 |
| Schichtzeit | 22 | 5,12208 | s |
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Wie in Tabelle 2 gezeigt, würde ein additiver Fertigungsprozess unter Verwendung eines maskierenden Strahlformers, um eine beispielhafte „feste Heber“-Struktur mit einer Flächendichte von etwa 75% herzustellen, 4,4 Sekunden pro Schicht benötigen. Durch Substituieren einer dynamischen Linse der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen den ganzen ersten Hochleistungslichtstrahl zum Ziel richtet, kann der additive Fertigungsprozess die gleiche Schicht in 3,62 s herstellen, eine Verbesserung um 20%.
TABELLE 2 - Feste Heberstruktur ~75% Teilflächendichte
| | 25 × 25 mm Maskenrahmen | Variable Linse | |
| Begrenzter Bereich | 60.000 | 50.000 | mm^2 |
| Querschnittsbereich | 45.000 | 45.000 | mm^2 |
| Füllfaktor | 75% | 90% | mm^2 |
| Bett 500 mm × 1000 mm | | | |
| Teile/Fertigung | 1 | 1 | |
| Gesamtschnittfläche | 45.000 | 45.000 | mm^2 |
| Rahmenfläche | 625 | 694,4444 | mm^2 |
| Erforderliche Rahmen | 96 | 64,8 | |
| Rahmenpixel | 1.000.000 | 1.111.111 | @ 25 Mikrometer |
| Querschnittsmasse | 8,775 | 8,775 | g |
| Schichtdicke | 25 | 25 | Mikrometer |
| Material | Stahl | Stahl | |
| Rahmenzeit | 0, 025 | 0, 025 | s |
| Leistungsdurchlaufzeit | 2 | 2 | s |
| Max. Materialfläche/Rahmen | 625 | 625 | mm^2 |
| Teilfläche/Rahmen | 468,75 | 625 | mm^2 |
| Schichtzeit | 4,4 | 3, 62 | s |
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Zahlreiche Anwendungen kann man sich für eine dynamische Hochleistungslinse vorstellen, die im Wesentlichen den ganzen Hochleistungslichtstrahl in eine gewünschte Strahlform ausbilden kann. Einige wenige derartiger Anwendungen sind Kunststoff- und Composite-Schweißen, Metallschweißen, konturnahes Kühlen für Spritzgussformen, konturnahes Kühlen für heiße Stanzformen, Metalloberflächenbehandlung (d.h. Polieren, Tempern, lokales Ausglühen, Laser-Peening), Prototyping, niedriger - mittlerer Produktionsvolumensubstitutionsprozess für leichte Strukturkomponenten (d.h. Gießen, Composites). Eine derartige dynamische Hochleistungslinse kann Anwendungen in vielen Industriebereichen haben, einschließlich beispielsweise Automotiv, Luft- und Raumfahrt (Halterungen, Düsen, Pumpengehäuse usw.), militärisch (Feldinstandsetzung/-wartung), medizinische Implantate und Prototyping.
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Figurenliste
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Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres, wenn selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird. Es zeigen:
- 1A ein Schemadiagramm einer dynamischen Linse gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 1B eine Schnittansicht des Schemadiagramms von 1A, die den ersten Lichtstrahl bei Schnitt 1B-1B zeigt;
- 1C eine Schnittansicht des Schemadiagramms von 1A, die eine Darstellung der Transformation des ersten Lichtstrahls durch das Linsenarray zum Ausbilden der Ausgangsstrahlform zeigt;
- 1D eine Schnittansicht des Schemadiagramms von 1A, die den die Ausgangsstrahlform definierenden dritten Lichtstrahl bei Schnitt 1D-1D zeigt;
- 1E eine Vorderansicht eines Laserdiodenarrays;
- 2A eine schematische Schnittansicht von photoaktiven Zellen in dem Linsenarray, die einen dort hindurchtretenden Lichtstrahl krümmen;
- 2B eine schematische Schnittansicht von photoaktiven Zellen in dem Linsenarray, die einen dort hindurchtretenden Lichtstrahl krümmen;
- 3 ein Blockdiagramm von Abschnitten einer dynamischen Linse gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 4 eine Schemaansicht einer Anordnung einer photoaktiven Zelle;
- 5 eine Schemaansicht einer alternativen Anordnung einer photoaktiven Zelle;
- 6 ein Diagramm des Azobenzol-Moleküls in zwei verschiedenen Konfigurationen;
- 7 ein Schemadiagramm einer adaptiven Maske eines im Stand der Technik bekannten Typs;
- 8 ein anderes Schemadiagramm einer adaptiven Maske eines im Stand der Technik bekannten Typs;
- 9 ein Beispiel eines Phasenmusters, das in Damberg et al. „Efficient Freeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays." Optics Express 23.8 (veröffentlicht am 13. April 2015) gezeigt wird;
- 10 eine Ausgangsstrahlform, ausgebildet durch einen gemäß dem Phasenmuster von 9 fokussierten Lichtstrahl, in Damberg et al. „Efficient Freeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays" Optics Express 23.8 (veröffentlicht am 13. April 2015) gezeigt;
- 11 eine Schemaansicht eines „System for Performing Additive Manufacturing (‚AM‘) Fabrication Process Using a High-Power Diode Array and a Mask“, wie im Stand der Technik, US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2014/0252687 (11. September 2014) offenbart;
- 12 eine Schemaansicht des Systems von 11, das „zeigt, wie ein Teil der optischen Strahlen aus dem Diodenarray durch einen polarisierenden Spiegel während des Herstellungsprozesses reflektiert wird, um zu verhindern, dass sie das Substrat erreichen“, wie im Stand der Technik, US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2014/0252687 (11. September 2014) offenbart;
- 13 eine Perspektivansicht eines „Hohlrad“-Teils mit einer Flächendichte von etwa 18%;
- 14 eine Perspektivansicht von mehreren „Hohlrad“-Teilen von 13 in einem maximierten Fertigungsbereich von 158 Teilen in 1 × 0,5 m;
- 15 eine Perspektivansicht eines „festen Heberstruktur“-Teils mit einer Flächendichte von etwa 75%; und
- 16 ein Blick von oben auf eine Scheibe des „festen Heberstruktur“-Teils von 15.
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BESCHREIBUNG DER GRUNDLEGENDEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Zahlen in den verschiedenen Ansichten entsprechende Teile angeben, ist eine dynamische Linse 20 allgemein zum Projizieren von mehreren verschiedenen Ausgangsstrahlformen 22 auf ein Ziel 24 gezeigt. Die dynamische Linse 20 enthält eine erste Lichtquelle 26 aus Laserdioden 28, die einen ersten Lichtstrahl 30 mit einer hohen Leistung generieren, der sich für additive Fertigungstechniken wie etwa selektives Lasersintern (SLS) eignet, und einer ersten Wellenlänge λ1, in einem Pfad 32 zu dem Ziel 24, das planar und quer zum Pfad 32 angeordnet sein kann, wie in 1A gezeigt. Der erste Lichtstrahl 30 kann beispielsweise eine Leistung von etwa 10 kW oder darüber besitzen. Die dynamische Linse der vorliegenden Erfindung könnte mit ersten Lichtstrahlen 30 mit einem großen Leistungsbereich verwendet werden, von 100 W bis über 100 kW. Das Ziel 24 kann auch konturiert sein und ein Teil oder das ganze Ziel 24 kann unter einem spitzen oder stumpfen Winkel zum Pfad 32 des ersten Lichtstrahls 30 angeordnet sein.
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Ein Controller 34 generiert ein Steuersignal 36 entsprechend einem Anfangsmuster 38 und überträgt das Steuersignal 36 zu einem Projektor 40, der eine zweite Lichtquelle 42 enthält zum Generieren eines zweiten Lichtstrahls 44 mit einer von der ersten Wellenlänge λ1 verschiedenen zweiten Wellenlänge λ2 und einen räumlichen Laumlichtmodulator 46 (SLM) zum Ausbilden des zweiten Lichtstrahls 44 zu dem Anfangsmuster 38 gemäß dem Steuersignal 36. Es können viele verschiedene Mittel verwendet werden, um das Anfangsmuster 38 im zweiten Lichtstrahl 44 auszubilden, einschließlich unter anderem SLM-Einrichtungen, LCDs, LEDs, vorbedruckte Folien, Kathodenstrahlen, DLP(Digital Light Processing)-Einrichtungen usw. Es können auch zusätzliche optische Komponenten wie etwa Linsen und Filter enthalten sein.
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Wie in 2A, 2B gezeigt, bricht eine Fokussierebene 48 mit einem auf einer Trägerfolie 54 aus Glas angeordneten Linsenarray 50 aus photoaktiven Zellen 52 den ersten Lichtstrahl 30, wobei der Grad und die Richtung der Brechung als Reaktion darauf variieren, wie die photoaktiven Zellen 52 durch den zweiten Lichtstrahl 44 mit der zweiten Wellenlänge λ2 stimuliert werden. Das Anfangsmuster 38 des Lichts mit der zweiten Wellenlänge λ2 von dem Projektor 40 bewirkt, dass die photoaktiven Zellen 52 in dem Linsenarray 50 ein Phasenmuster 68 ausbilden, das den dort hindurchtretenden ersten Lichtstrahl 30 krümmt und fokussiert, um auf dem Ziel 24 die Ausgangsstrahlform 22 auszubilden. Die Ausgangsstrahlform 22 kann vorbestimmt sein, wie bei Anwendungen der additiven Fertigung („AM“), wo die Ausgangsstrahlform 22 verwendet wird, um Teile mit vorbestimmten Formen herzustellen, wie jene in 13-16 gezeigten. Die Ausgangsstrahlform 22 kann dynamisch generiert werden, wie etwa bei additiver Rapid-Prototyping-Fertigung oder in Anwendungen, wo die Ausgangsstrahlform 22 zum Schweißen von Teilen verwendet wird, die unterschiedliche Konturen, Distanzen und/oder Orientierung von der Fokussierebene 48 besitzen.
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Wie in 1E gezeigt, kann die erste Lichtquelle 26 ein Array von Punktquellen umfassen, wobei jede der Punktquellen einen Teil des ersten Lichtstrahls 30 generiert. Die Punktquellen können beispielsweise individuelle Laserdioden 28 sein. Die Punktquellen können individuell gesteuert ein-/ausgeschaltet werden oder von der Intensität her gemäß einer Projektionskarte variiert werden, um zu bewirken, dass jede der Punktquellen einen entsprechenden Abschnitt der Fokussierebene selektiv beleuchtet. Eine Mikrolinse 29 kann über jeder der Punktquellen liegen, um den Teil des ersten Lichtstrahls 30 von der entsprechenden Punktquelle zu fokussieren und zu lenken.
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In der Praxis kann die Anordnung der vorliegenden Offenbarung gestatten, dass Ausgangsstrahlformen 22, die jenseits der Kapazität des Linsenarrays 50 liegen, auf einen ganzen Rahmen des ersten Lichtstrahls 30 wirken, der auf den ganzen Rahmen der Fokussierebene 48 gerichtet ist. Beispielsweise ist das Linsenarray 50 möglicherweise nicht in der Lage, den ersten Lichtstrahl 30 von einer Ecke des Linsenarrays 50 ganz bis zu einer gegenüberliegenden Ecke der Fokussierebene 48 zu fokussieren und zu lenken. In einem derartigen Fall können Teile eines ganzen Rahmens des ersten Lichtstrahls 30, der die ganze Fokussierebene 48 beleuchtet, zu Abschnitten des Ziels 24 außerhalb der gewünschten Ausgangsstrahlform 22 gelenkt werden, wo sie möglicherweise Energie verschwenden und wo sie möglicherweise andere abträgliche Effekte verursachen können, wie etwa Verursachen, dass ungewünschte Abschnitte des Ziels 24 geschmolzen oder anderweitig beeinträchtigt werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können Teile der ersten Lichtquelle 26 gemäß einer Projektionskarte individuell gesteuert werden, um Punktquellen zu blockieren, die nicht in der Lage sind, zu der gewünschten Ausgangsstrahlform 22 auf einem Ziel 24 ausgebildet zu werden. Der Controller 34 kann eine Projektionskarte generieren, die gemäß der gewünschten Ausgangsstrahlform 22 und den vorbestimmten Fähigkeiten des Linsenarrays 50 variieren kann, um den ersten Lichtstrahl 30 in die Ausgangsstrahlform 22 auf dem Ziel 24 zu fokussieren und zu lenken. Individuelle Punktquellen oder Gruppen von Punktquellen innerhalb der ersten Lichtquelle 26 können dann gemäß der Projektionskarte selektiv beleuchtet werden, wobei Punktquellen, die nicht auf die gewünschte Strahlform 22 fokussiert werden können, ausgelassen werden.
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Ein Strahlvereiniger 64, der ein dichroitischer Spiegel mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen für verschiedene Lichtwellenlängen λ1, λ2 ist, kann zwischen der ersten Lichtquelle 26 und der Fokussierebene 48 angeordnet sein und unter einem Ablenkwinkel 66 zum Lenken des zweiten Lichtstrahls 44 von dem Projektor 40 auf die Fokussierebene 48 und gestatten, dass der erste Lichtstrahl 30 von der ersten Lichtquelle 26 zu der Fokussierebene 48 hindurchtritt. Mit anderen Worten vereinigt der Strahlvereiniger 64 den ersten Lichtstrahl 30 zusammen mit dem zweiten Lichtstrahl 44, wobei die vereinigten Lichtstrahlen 30, 44 dann zur Fokussierebene 48 gerichtet werden. Der Ablenkwinkel 66 kann beispielsweise 45 Grad von dem Pfad 32 des ersten Lichtstrahls 30 betragen. Der Ablenkwinkel 66 kann je nach dem relativen Winkel zwischen dem ersten und zweiten Lichtstrahl 30, 44 variieren.
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Wie in den 4-6 gezeigt, enthält jede der photoaktiven Zellen 52 mindestens ein Flüssigkristallmolekül 56 bei mindestens einer photoreaktiven Gruppe 58 von Azobenzol verbunden durch eine Abstandshalterkette 60 von flexiblem Kohlenwasserstoff zu einer Photoausrichtungsschicht 62 von Polymermaterial angeordnet auf der Trägerfolie 54. Die photoreaktiven Gruppen 58 der photoaktiven Zellen 52 erfahren eine umkehrbare Änderung von einer ersten Molekülform 70 zu einer zweiten Molekülform 72 als Reaktion auf Lichtenergie mit der zweiten Wellenlänge λ2. Insbesondere bewirkt die photoreaktive Gruppe 58, die in der ersten Molekülform 70 ist, dass benachbarte der Flüssigkristallmoleküle 56 sich in einer ersten Orientierung 74 befinden, und die photoreaktive Gruppe 58, die in der zweiten Molekülform 72 ist, bewirkt, dass benachbarte der Flüssigkristallmoleküle 56 eine von der ersten Orientierung 74 verschiedene zweite Orientierung 76 aufweisen. Die verschiedenen Orientierungen 74, 76 der Flüssigkristallmoleküle 56 bewirken, dass die photoaktiven Zellen 52 unterschiedliche Brechungsindizes mit einem Bereich oder Gradienten von verschiedenen Werten annehmen. Die photoreaktiven Gruppen 58 aus den photoaktiven Zellen 52 können als Reaktion auf Lichtenergie mit der anderen Wellenlänge als der zweiten Wellenlänge λ2, wie etwa sichtbarem Licht, zu der ersten Molekülform zurückwechseln. Dieses Zurückwechseln der Molekülform der photoreaktiven Gruppen 58 setzt dadurch den Brechungsindex der jeweiligen photoaktiven Zellen 52 zurück. Der Projektor 40 kann die Lichtenergie bei der anderen Wellenlänge als der zweiten Wellenlänge λ2 liefern, um eine derartige Rücksetzfunktion durchzuführen. Es kann auch eine zusätzliche Lichtquelle verwendet werden, um die Rücksetzfunktion durchzuführen.
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Dementsprechend variiert der Brechungsindex 78 jeder photoaktiven Zelle 52 gemäß dem Anfangsmuster 38, um das Phasenmuster 68 in dem Linsenarray 50 zu definieren, zum Krümmen und Fokussieren des ersten Lichtstrahls 30 zum Ausbilden eines dritten Lichtstrahls 69, der die Ausgangsstrahlform 22 auf dem Ziel 24 definiert. Weil das Linsenarray 50 den ersten Lichtstrahl 30 fokussiert, um die Ausgangsstrahlform 22 auszubilden, anstatt den ersten Lichtstrahl 30 zu maskieren oder einen Teil davon zu filtern, wie dies im Stand der Technik geschieht, wird im Wesentlichen der ganze erste Lichtstrahl 30 in der Form des dritten Lichtstrahls 69 zum Ziel 24 übertragen.
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Die vorliegende Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Betreiben einer dynamischen Linse 20 zum Generieren einer Ausgangsstrahlform 22. Das Verfahren beinhaltet einen ersten Schritt des Generierens eines ersten Lichtstrahls 30 mit einer ersten Wellenlänge λ1 durch eine erste Lichtquelle 26. Ein zweiter Schritt des Verfahrens ist das Generieren eines Steuersignals 36 durch den Controller 34 für das Anfangsmuster 38 entsprechend der gewünschten Ausgangsstrahlform 22. Der nächste Schritt besteht darin, dass der Controller 34 das Steuersignal 36 zum Projektor 40 überträgt. Ein vierter Schritt des Verfahrens ist, dass die zweite Lichtquelle 42 einen zweiten Lichtstrahl 44 mit einer von der ersten Wellenlänge λ1 verschiedenen zweiten Wellenlänge λ2 generiert. Ein fünfter Schritt besteht darin, dass ein räumlicher Lichtmodulator 46 des Projektors 40 den zweiten Lichtstrahl 44 gemäß dem Steuersignal 36 zu dem Anfangsmuster 38 ausbildet. Der nächste Schritt im Verfahren besteht darin, dass der Projektor 40 das Licht mit der zweiten Wellenlänge λ2 mit dem Anfangsmuster 38 als den zweiten Lichtstrahl 44 projiziert. Der Strahlvereiniger 64 führt den siebten Schritt des Reflektierens des zweiten Lichtstrahls 44 mit dem Anfangsmuster 38 auf das Linsenarray 50 durch. Der Strahlvereiniger 64 führt auch den achten Schritt des Übertragens des ersten Lichtstrahls 30 von der ersten Lichtquelle 26 auf das Linsenarray 50 durch. Der siebte und achte Schritt umfassen zusammen einen breiteren Schritt des „Vereinigens“ des ersten und zweiten Lichtstrahls 30, 44. Das Verfahren beinhaltet einen neunten Schritt, in dem der Brechungsindex 78 jeder der photoaktiven Zellen 52 des Linsenarrays 50 gemäß dem Anfangsmuster 38 justiert wird, um das Phasenmuster 68 in dem Linsenarray 50 zu erzeugen. Das Verfahren endet damit, dass das Linsenarray 50 den zehnten Schritt des Fokussierens und Lenkens des ersten Lichtstrahls 30 gemäß dem Phasenmuster 68, um einen die Ausgangsstrahlform 22 definierenden dritten Lichtstrahl 69 auszubilden, auf das Ziel 24 durchführt.
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Die dynamische Linse
20 kann in Verbindung mit einer adaptiven Maske verwendet werden, wie etwa von dem Typ, der aus Marshall et al. „Computational Chemistry Modeling and Design of Photoswitchable Alignment Materials for Optically Addressable Liquid Crystal Devices“ 142 LLE Review bei 151 (2015) und/oder
US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2014/0252687 offenbart ist. In einem derartigen Fall kann die adaptive Maske verwendet werden, um Ausgangsstrahlformen
22 weiter auf das Ziel
44 aufzulösen.
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Zwei oder mehr dynamische Linsen 20 können seriell kombiniert werden, um die Ausgangsstrahlformen 22 auf dem Ziel 24 weiter aufzulösen.
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Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung angesichts der obigen Lehren möglich und können anders als spezifisch beschrieben praktiziert werden, während sie innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bleiben. Diese vorausgegangenen Vorträge sollten so ausgelegt werden, dass sie jede Kombination abdecken, in der die erfindungsgemäße Neuheit ihre Nützlichkeit ausübt. Die Verwendung des Worts „besagt“ in den Vorrichtungsansprüchen bezieht sich auf etwas Vorhergehendes, das ein positiver Vortrag ist, der in der Abdeckung der Ansprüche enthalten sein soll, wohingegen das Wort „der/die/das“ einem Wort vorausgeht, das in der Abdeckung der Ansprüche nicht enthalten sein soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/321300 [0001]
- US 2014/0252687 [0005, 0013, 0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Damberg et al. „Efficient Freeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays.“ Optics Express 23.8 (veröffentlicht am 13. April 2015) [0013]
- Damberg et al. „Efficient Freeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays“ Optics Express 23.8 (veröffentlicht am 13. April 2015) [0013]
