Spatial Light Modulators (SLMs) based on Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (MOEMS) are increasingly being used in various fields of optics and enable novel functionalities. The technology features frame rates from a few kHz to the MHz range as well as resolutions in the megapixel range. The field continues to make rapid progress, but technological advancements are always associated with high expenditure. Against this background, this dissertation addresses the question: What contribution can optical system design make to the further development of MOEMS-SLM-based modulation?
A lens is a simple example of an optical system. This dissertation deals with system design based on Fourier optics in which the wave properties of light are exploited. On this basis, arrays of micromirrors can modulate light properties in a spatially resolved manner. For example, tilt-mirrors can control the intensity distribution in an image plane. In this dissertation variations of the aperture required for this are investigated. In addition to known absorbing apertures, phase filters in particular are investigated, which apply a spatially distributed delay effect to the light wave.
This dissertation proposes the combination of MOEMS-SLMs with static, pixelated elements in the same system. These may be pixelated phase masks, also known as diffractive optical elements (DOEs). Analogously, pixelated polarizer arrays and absorbing photomasks exist. The combination of SLMs and static elements allows new degrees of freedom in system design.
This thesis proposes new modulation systems based on MOEMS tilt-mirror SLMs. These systems use analog tilt-mirror arrays for the simultaneous modulation of intensity and phase as well as intensity and polarization. The proposed systems thus open up new possibilities for MOEMS-based spatial light modulation. Their properties are validated and investigated by numerical simulations. System properties and limitations are derived from these near and far field simulations.
This dissertation shows that the modulation of different MOEMS-SLM types can be fundamentally changed by system design. Piston mirror arrays are classically used for phase modulation and tilt-mirror arrays for intensity modulation. This thesis proposes the use of subpixel phase structures. Their use approximately provides tilt-mirrors with the phase-modulating effect of piston-mirrors. In order to achieve this, a new optimization method is presented. Piston-mirror arrays are available only to a limited extent. By contrast, tilt-mirror arrays are well established. In combination with subpixel phase features, tilt-mirrors may replace piston-mirrors in some applications. These and other challenges of MOEMS-SLM technology can be adequately addressed on the basis of system design. / Räumliche Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) auf Basis von Mikro-Opto-Elektro-Mechanischen Systemen (MOEMS) finden zunehmend Anwendung in verschiedensten Teilgebieten der Optik und ermöglichen neuartige Funktionalitäten. Die Technik ermöglicht Frameraten von einigen kHz bis in den MHz-Bereich sowie Auflösungen bis in den Megapixelbereich. Der Fachbereich macht nach wie vor rasche Fortschritte, technologische Weiterentwicklungen sind aber stets mit hohem Aufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund widmet sich diese Arbeit der Frage: Welchen Beitrag kann optisches Systemdesign zur Weiterentwicklung der MOEMS-SLM-basierten Modulation leisten?
Bereits eine Linse stellt ein Beispiel für ein optisches System dar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Systemdesign auf Basis der Fourier-Optik, bei der die Welleneigenschaften des Lichts genutzt werden. Auf dieser Basis können Arrays von Mikrospiegeln die flächige Verteilung von Licht einstellen. Beispielsweise können Kippspiegel die Intensitätsverteilung in einer Bildebene steuern. In dieser Dissertation werden Variationen der dafür nötigen Apertur untersucht. Neben bekannten absorbierenden Blenden werden insbesondere Phasenfilter untersucht, welche eine flächig verteilte Verzögerungswirkung auf die Lichtwelle aufbringen.
Diese Dissertation schlägt die Kombination von MOEMS-SLMs mit statischen, pixelierten Elementen im selben System vor. Hierbei kann es sich um pixelierte Phasenmasken handeln, auch bekannt als diffraktive optische Elemente (DOEs). Analog existieren pixelierte Polarisatorarrays und absorbierende Fotomasken. Die Kombination von SLMs und statischen Elementen ermöglicht neue Freiheiten im Systemdesign.
Diese Arbeit schlägt neue Modulationssysteme auf Basis von MOEMS-Kippspiegel-SLMs vor. Diese Systeme nutzen analoge Kippspiegelarrays für die simultane Modulation von Intensität und Phase sowie von Intensität und Polarisation. Die vorgeschlagenen Systeme eröffnen damit neue Möglichkeiten für die MOEMS-basierte Flächenlichtmodulation. Ihre Eigenschaften werden mithilfe von numerischen Simulationen validiert und untersucht. Aus diesen Nah- und Fernfeldsimulationen werden Systemeigenschaften und Limitierungen abgeleitet.
Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Modulation verschiedener MOEMS-SLM-Typen auf Basis des Systementwurfs fundamental verändert werden kann. Senkspiegelarrays werden klassischerweise zur Modulation der Phase eingesetzt und Kippspiegelarrays zur Modulation der Intensität. Diese Arbeit schlägt die Nutzung von Subpixel-Phasenstrukturen vor. Diese verleihen Kippspiegeln näherungsweise die phasenmodulierende Wirkung von Senkspiegeln. Um dies zu erreichen, wird ein neuartiges Optimierungsverfahren vorgestellt. Senkspiegelarrays sind nur in geringem Umfang verfügbar. Im Gegensatz dazu sind Kippspiegelarrays gut etabliert. In Kombination mit Subpixel-Phasenstrukturen könnten Kippspiegel in einigen Anwendungen Senkspiegel ersetzen. Diese und andere Herausforderungen der MOEMS-SLM-Technologie lassen sich auf der Grundlage des Systemdesigns adäquat adressieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72525 |
| Date | 27 October 2020 |
| Creators | Roth, Matthias |
| Contributors | Janschek, Klaus, Osten, Wolfgang, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
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| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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