DE102007028371B4

DE102007028371B4 - Einrichtung zur Lichtmodulation

Info

Publication number: DE102007028371B4
Application number: DE102007028371A
Authority: DE
Inventors: Norbert Leister; Ralf Häußler; Steffen Buschbeck
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: TW200918996A; JP5409611B2; JP2010530080A; KR20100038101A; US20100195178A1; WO2008151980A1; KR101505927B1; DE102007028371A1; CN101779168A; CN101779168B; US8687252B2; TWI409532B

Abstract

Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur Modulation von Phase und Amplitude kohärenter Lichtwellen ein als eine steuerbare Schicht ausgebildetes doppelbrechendes Material in molekularer Form und einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator aufweisen, wobei eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle des doppelbrechenden Materials, in Bezug auf die Lage der steuerbaren lichtmodulierenden Elemente selbst, steuert, dadurch gekennzeichnet, dass regelbare Mittel zur zweidimensionalen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) der steuerbaren Schicht der lichtmodulierenden Elemente vorgesehen sind, wobei die Ausrichtung in der einen Dimension unabhängig von der Ausrichtung in der anderen Dimension einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Lichtmodulation mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur Modulation von Phase und Amplitude einer hinreichend kohärenten Lichtwelle ein doppelbrechendes Material aufweist, dessen Molekülachsen durch Einwirken von Kräften eine Ausrichtung erhalten.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lichtmodulationsmittel, z. B. flache räumliche Lichtmodulatoren mit hoher Bildauflösung, die in Displayeinrichtungen für Video- und TV-Geräte, Projektoren oder ähnlichen Geräten zur holographischen Wiedergabe eingesetzt werden. In Kombination mit einem Beleuchtungsmittel und einem optischen System können diese Einrichtungen als holographisches Display zum holographischen Rekonstruieren einer Szene genutzt werden. Das holographische Display kann sowohl ein Direktsichtdisplay als auch ein Projektionsdisplay sein. Die steuerbaren Elemente können die Pixel eines Lichtmodulators sein.
Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit einer vorzugsweisen Echtzeit- oder echtzeitnahen holographischen Darstellung eines Videos zu sehen. Das Video besteht im Dokument aus einer Vielzahl von Szenen (Einzelbildern), die jeweils als ein Hologramm in die Elemente des Lichtmodulationsmittels kodiert werden. Zum Kodieren sind verschiedene Methoden bekannt, die die Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Lichtmodulationsmittel berücksichtigen. In der Beschreibung der Erfindung umfasst der Begriff „regulär angeordnete steuerbare Elemente” sowohl die Pixel eines Lichtmodulators als auch eine kontinuierlich verlaufende, nicht pixelierte Kodierfläche eines Lichtmodulators, die durch die darzustellende Information formal in diskrete Bereiche unterteilt wird.
Ein spezieller Typ eines holografischen Displays ist aus früheren Dokumenten, z. B. (1) EP 1 563 346 A2 , (2) DE 10 2004 063 838 A1 oder (3) DE 10 2005 023 743 A1 , der Anmelderin bekannt. Dort wird eine Hologrammberechnung auf folgender Grundlage durchgeführt:
Eine dreidimensionale Szene wird zum Kodieren und holographischen Rekonstruieren in eine Vielzahl von Objektpunkten zerlegt. Beim Durchgang von kohärentem Licht durch den Lichtmodulator verändern die steuerbaren Elemente die Amplitude und/oder Phase des Lichts, um jeden Objektpunkt der Szene wieder rekonstruieren zu können. Jeder Objektpunkt wird z. B. in einen separaten Bereich der Kodierfläche des Lichtmodulationsmittels kodiert, der diesen Objektpunkt rekonstruiert. Dieser Bereich wird als das Subhologramm dieses Objektpunktes bezeichnet. Das Subhologramm entspricht ungefähr einer holographisch kodierten Linsenfunktion, die diesen einen Objektpunkt in ihrem Brennpunkt rekonstruiert. Der Objektpunkt muss in Form von komplexen Werten kodiert werden. Der Betrag der komplexen Werte, also die Amplitude, ist über die Ausdehnung des Subhologramms ungefähr konstant und hängt in seiner Höhe von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Bildschirm und von der Intensität des Objektpunktes ab. Die Phasenverteilung der komplexen Werte im Bereich des Subhologramms entspricht ungefähr der Funktion einer Linse, deren Brennweite von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Lichtmodulationsmittel bzw. Bildschirm abhängt. Außerhalb des Subhologramms ist für diesen Objektpunkt im Lichtmodulationsmittel der Wert 0 einzuschreiben. Nur die Pixel des Lichtmodulators innerhalb des Subhologramms tragen zur Rekonstruktion des einzelnen Objektpunkts bei. Das gesamte Hologramm ergibt sich durch Aufaddieren der einzelnen Subhologramme.
Die holographische Rekonstruktion der Szene wird beispielsweise im Zusammenwirken mit einer Rekonstruktionsoptik in einem Rekonstruktionsraum erzeugt, der vom Sichtbarkeitsbereich und dem Lichtmodulationsmittel aufgespannt wird. Von den im Lichtmodulationsmittel kodierten Hologrammen der Szene ausgehende Wellenfronten überlagern sich im Sichtbarkeitsbereich und die rekonstruierten Objektpunkte sind dort von einer Augenposition aus zu sehen. Die Rekonstruktion aus den überlagerten modulierten Wellenfronten ist nicht gleichzeitig für beide Augen eines Betrachters sichtbar. Für jedes Auge eines Betrachters werden im Zeit- oder Raummultiplex unterschiedliche perspektivische 3D-Darstellungen der Szene erzeugt, die sich in der Parallaxe unterscheiden, aber vom Gehirn als eine einzige holographische 3D-Darstellung gesehen werden.
Zum Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann der Betrachter entweder auf ein Lichtmodulationsmittel schauen, in welches ein Hologramm der Szene direkt kodiert ist und das als Bildschirm dient. Dies wird als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Bildschirm schauen, auf den entweder eine Abbildung oder eine Transformierte der im Lichtmodulationsmittel kodierten Hologrammwerte projiziert wird. Dies wird als Projektionsaufbau bezeichnet. Die Augenpositionen von Betrachtern werden in bekannter Weise von einem Positionsfinder ermittelt, der programmtechnisch mit einer Recheneinheit gekoppelt ist
Als Ergebnis der Berechnung eines Hologramms der Szene, das auch computergeneriert sein kann und dessen Werte in einer Speichereinheit als Look-up-Tabelle gespeichert vorliegen, werden in der Recheneinheit komplexe Zahlen bzw. komplexe Werte für jeden Objektpunkt angegeben, die in das Lichtmodulationsmittel eingeschrieben bzw. kodiert werden müssen. Die komplexen Werte werden in die Pixel eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) im Fall eines pixelierten SLM oder im Fall eines nicht pixelierten SLM in eine durch die jeweils darzustellende Information formal in diskrete Bereiche unterteilte kontinuierlich verlaufende Kodierfläche kodiert.
Zum Modulieren der auftreffenden kohärenten Lichtwellen sind SLM bekannt, die nur eine Modulation der Phase der Lichtwellen durchführen und solche, die nur eine Modulation der Amplitude bewirken. Weiterhin gibt es auch SLM, die eine gekoppelte Amplituden-/Phasenmodulation durchführen. In diese SLM können bestimmte feste Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten – aber nicht beliebige komplexe Werte – eingeschrieben werden.
Herkömmliche Lösungen zum Darstellen komplexer Zahlen auf einem SLM benutzen z. B. mehrere benachbarte Pixel des SLM für die Darstellung einer komplexen Zahl. Dies ist immer mit Nachteilen verbunden. Beispielsweise führt eine Kodierung der Amplituden in mehrere benachbarte Pixel in der Regel zu einer geringen Beugungseffizienz des Lichtmodulationsmittels. Für eine Kodierung nur der Phasenwerte in mehrere benachbarte Pixel benötigt man in der Regel zusätzlich einen zeitaufwendigen iterativen Rechenprozess, um die zu kodierenden Werte so nahe wie möglich an die reale Szene anzunähern.
Andere bekannte Lösungen zum Darstellen komplexer Zahlen, z. B. das Dokument US 5 416 618 A , nutzen eine Kombination mehrerer Lichtmodulatoren, beispielsweise zweier Phasenmodulatoren oder eines Phasen- und eines Amplitudenmodulators. Der Nachteil besteht hier unter anderem in einer sehr aufwendigen Justierung, um das Pixelraster beider Lichtmodulatoren deckungsgleich zueinander auszurichten.
Im Dokument US 5 719 650 A ist ein Lichtmodulator beschrieben, um Amplitude und Phase unabhängig voneinander zu steuern. Er besteht aus zwei polarisationsrotierenden Elementen mit jeweils einer Flüssigkristallschicht, die jeweils zwischen zwei Trägersubstratplatten angeordnet sind. Auch die Grundelektroden und die Gitterelektroden sind für jede Schicht extra vorhanden. Eine Justierung der Elemente zueinander wird bereits in der Herstellungsphase durchgeführt. Es ist gegenwärtig jedoch kein einzelner, nur aus einer Flüssigkristallschicht bestehender SLM verfügbar, in den die komplexwertige Information einer holographischen Szene direkt eingeschrieben und mit Licht moduliert werden kann.
Eine Realisierungsform eines Lichtmodulators basiert bekanntermaßen auf dem Einsatz von Flüssigkristallen (LC). Flüssigkristalle sind doppelbrechende Materialien, bei denen die Orientierung der optischen Achse der Moleküle in eine gewünschte Richtung eingestellt werden kann, z. B. durch ein elektrisches Feld. Bei einem nematischen Flüssigkristall entspricht die optische Achse der Längsachse eines Moleküls. Die Modulation des einfallenden Lichts in einem derartig ausgebildeten Lichtmodulator hängt von der Einstellungsrichtung der optischen Achsen der Moleküle relativ zur Durchtrittsrichtung durch den Lichtmodulator sowie von der Polarisation des Lichts ab. Es sind LC Lichtmodulatoren bekannt, die wahlweise entweder als Amplituden- oder auch als Phasenmodulatoren zu verwenden sind.
Im Dokument EP 0 583 114 A2 wird ein optisch adressierbarer SLM (OASLM) beschrieben. Er enthält zusätzlich zur Flüssigkristallschicht und den Elektroden eine photoleitende Schicht. Mittels auf den SLM fallendes Schreiblicht wird die Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht in Abhängigkeit von der Intensität des Schreiblichts verändert. Wird dann über die Elektroden und die photoleitende Schicht ein elektrisches Feld angelegt, so beeinflusst die photoleitende Schicht aufgrund ihrer durch das Schreiblicht eingestellten Leitfähigkeit das an der Flüssigkristallschicht anliegende Feld. Die Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht erfolgt entsprechend dem eingestellten elektrischen Feld und dient dann zur Modulation des hinreichend kohärenten Leselichts. Während bei einem EASLM für jedes Pixel eine individuelle Ansteuerspannung adressiert werden muss, liegt beim OASLM eine feste Ansteuerspannung an und die lokale Ausrichtung der Moleküle erfolgt über das Schreiblicht. Ein herkömmlicher OASLM kann trotzdem nur dazu verwendet werden, entweder die Phase oder die Amplitude des Leselichtes zu modulieren.
In einem einzelnen Lichtmodulator mit einer einzelnen LC Schicht können also Phase und Amplitude nicht unabhängig voneinander moduliert werden, weil mit einem an der LC Schicht erzeugten elektrischen Feld oder einer ähnlich wirksamen Kraft in der Regel nur ein Parameter variiert werden kann, um die Orientierung der Achse der Flüssigkristallmoleküle zu beeinflussen. Das wird nachfolgend anhand der 1 für eine Phasenmodulation und der 2 für eine Amplitudenmodulation näher erläutert.
In den Zeichnungen der 1 ist schematisch als Stand der Technik ein pixelierter Phasenmodulator dargestellt, dessen Funktion nachfolgend an einem Ausschnitt des Modulators von der Größe eines Pixels P erklärt wird. Dabei werden nur die wesentlichen Bestandteile wiedergegeben. Der Pixel P ist mit einem Rahmen dargestellt und umfasst ein doppelbrechendes Material, beispielsweise eine Flüssigkristallschicht LC mit Molekülen M, auf die nahezu kohärentes Licht fällt. Da die Lichteinfallsrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft, ist sie in den Figuren durch einen Kreis mit Kreuz gekennzeichnet. Die Moleküle M sind in der Draufsicht nach 1a in einer Ausgangslage im ausgeschalteten Zustand des Phasenmodulators zu sehen. Das einfallende Licht ist vertikal polarisiert, erkennbar durch den Doppelpfeil, und die optischen Achsen der Moleküle M sind parallel zum einfallenden Licht ausgerichtet. In den 1b und 1c ist schematisch der Pixel P im eingeschalteten Zustand des Phasenmodulators bei einer mittleren Spannung zu sehen. Die optischen Achsen der Moleküle M sind durch die angelegte Spannung V um einen bestimmten Winkel aus der Ebene heraus orientiert worden. Bei einer angelegten maximalen Spannung würde eine Ausrichtung der Achsen senkrecht zur Ebene erfolgen. Die Flüssigkristallschicht LC ist gemäß 1c von zwei sich gegenüber liegenden Trägersubstraten TS, z. B. Glas, eingeschlossen. Die Moleküle M werden durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen sich gegenüber liegenden Elektroden E1 und E2 in ihren optischen Eigenschaften gesteuert. Die Einfallsrichtung des Lichts ist durch Pfeile gekennzeichnet. Durch die angelegte Spannung V wird die Polarisationsrichtung des Lichts nicht geändert, aber die Phase des Lichts wird durch die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M beeinflusst.
Ähnlich verhält es sich mit einem Amplitudenmodulator entsprechend dem Stand der Technik, der beispielsweise in einem „In-plane switching” (IPS) Display verwendet wird. Seine Funktion ist wieder ausschnittsweise anhand der Größe eines Pixels P in den Zeichnungen der 2 dargestellt. Die 2a und 2b zeigen analog 1 die Draufsicht auf ein Pixel P, während 2c die Seitenansicht zeigt. Die Orientierung der optischen Achsen der Moleküle M sowie auch die Polarisation PO des einfallenden Lichts im ausgeschalteten Zustand des Pixels P in 2a entsprechen denen in 1a. Allerdings sind in 2a die Elektroden E1 und E2 anders angeordnet. Die angelegte Spannung V wirkt in diesem Fall von links nach rechts, während es in der Darstellung der Seitenansicht kein elektrisches Feld gibt. Diese Zeichnung ist grob schematisch. Da in der Regel die laterale Ausdehung eines Pixels größer als wenige Mikrometer ist, wird üblicherweise die transversale Elektrode noch einmal unterteilt, um nicht zu große Spannungen anlegen zu müssen. Es gibt also mehrere Elektroden je Pixel in Reihe geschaltet. Der besseren Übersicht halber sind aber nur 2 Elektroden eingezeichnet.
In 2b und 2c ist der Pixel P im eingeschalten Zustand gezeigt. Durch das Anlegen einer mittleren Spannung V erfolgt eine Drehung der optischen Achsen der Moleküle M in 2b in der Ebene, erkennbar durch die leichte Neigung der Moleküle M. Dagegen findet gemäß 2c aus der Ebene der Draufsicht heraus keine Drehung der Molekülachsen statt.
Das einfallende Licht wird in seiner Polarisation durch das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle M bei Anlegen einer Spannung V bei vorgegebener Dicke der Flüssigkristallschicht LC vom Wert PO1 ausgehend um einen bestimmten Winkel in die Position PO2 gedreht. Die Größe des Drehwinkels entspricht dem Doppelten des Winkels zwischen der Polarisation PO des einfallenden Lichts und der hervorgerufenen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M. Durch einen nicht dargestellten Polarisator nach der Flüssigkristallschicht LC kann nach dem Durchtritt des Lichtes durch diese Schicht dann die Amplitude des Lichts moduliert werden. Beispielsweise erhält man für parallele Polarisatoren ohne angelegte Spannung eine maximale Amplitude und mit angelegter Spannung und einer Drehung der optischen Achse der Moleküle um 45° – folglich einer Polarisationsdrehung um 90° – eine Amplitude von 0. Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit einem einzigen Lichtmodulator die einfallenden Lichtwellen stets nur mit einem Anteil eines komplexen Wertes moduliert werden können.
Will man zum gleichzeitigen Modulieren von Amplitude und Phase eine Kombination zweier SLM aus Flüssigkristallen beispielsweise bereits in der Herstellungsphase durch eine feste Verbindung realisieren, müssen bestimmte Kriterien beachtet werden. Da die zwei SLM neben der LC Schicht auch Trägersubstrate benötigen, die eine Glasschicht oder eine flexible Schicht sein können, entsteht zwischen beiden LC Schichten ein relativ großer Abstand. Für eine korrekte komplexwertige Modulation müssten sich die Pixel beider SLM deckungsgleich gegenüberliegen, damit das Licht zwei entsprechend zugeordnete Pixel durchläuft. Aufgrund des nicht zu vermeidenden Abstands zwischen den LC Schichten ist diese Bedingung aber schon für kleine Winkel der einfallenden Lichtstrahlen, insbesondere bei schrägem Durchgang durch die SLM, nicht mehr erfüllt. Aber auch für den Fall eines senkrechten Lichteinfalls kann z. B. eine ungenaue Justierung der den zwei Pixeln zugeordneten Lichtquelle zu einem Durchgang des Lichts durch jeweils verschiedene Pixel in beiden SLM führen. Dieser Nachteil trifft besonders auf kleine laterale Pixelabmessungen von wenigen Mikrometern zu, die für holografische Rekonstruktionen aber vorteilhaft sind. Daher ist die korrekte Rekonstruktion einer holografischen Szene mit einer aus zwei SLM bestehenden Kombination schwierig zu realisieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die angeführten Nachteile des Standes der Technik beim Darstellen komplexer Hologrammwerte zu vermeiden und das Modulieren von Lichtwellen in Phase und Amplitude in einer einzelnen Lichtmodulationseinrichtung zu vereinfachen.
Die Erfindung geht von einer Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen aus, die zur Modulation von Phase und Amplitude einer hinreichend kohärenten Lichtwelle ein doppelbrechendes Material in molekularer Form aufweist, wobei eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle steuert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in der Einrichtung Mittel vorgesehen sind, um die optischen Achsen der Moleküle in den lichtmodulierenden Elementen unabhängig voneinander zweidimensional auszurichten. Einer bevorzugten Ausführung zufolge besteht das doppelbrechende Material aus einer einzelnen Schicht von Flüssigkristallen.
Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle kann gemäß einem Merkmal der Erfindung durch zwei von außen wirkende regelbare Mittel erfolgen. Diese können stufenweise regelbar auf die optischen Achsen der Moleküle einwirken und so zwei Winkel der Projektion der optischen Achsen des doppelbrechenden Materials in zwei verschiedene zueinander senkrechte Ebenen unabhängig voneinander einstellen. Durch das voneinander unabhängige Ausrichten der optischen Achsen in zwei Dimensionen lassen sich vorteilhaft verschiedene Kombinationen von Amplituden und Phasen als verschiedene komplexe Werte darstellen. Werte für die Modulation einer Amplitude und einer Phase einer Lichtwelle sind im Gegensatz zum Stand der Technik in einem gemäß der Erfindung gestalteten Lichtmodulator nicht mehr fest aneinander gekoppelt bzw. voneinander abhängig.
In einer ersten Ausbildung der Mittel ist mindestens eines der von außen wirkenden Mittel ein elektrisches Feld. In einer zweiten Ausbildung der Mittel ist mindestens eines der von außen wirkenden Mittel ein magnetisches Feld. In einer dritten Ausbildung der Mittel wird mindestens eine Achse der Moleküle mit optischen Mitteln ausgerichtet. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass zwei ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugende Mittel ungefähr senkrecht zueinander an jeweils einem lichtmodulierenden Element im Lichtmodulator angeordnet sind.
Für die Ausrichtung mit optischen Mitteln werden zwei Varianten vorgeschlagen. In der ersten Variante ist die Schicht des Flüssigkristalls oder eines anderen doppelbrechenden Materials mit Farbstoffmolekülen dotiert und die Ausrichtung in einer Ebene erfolgt durch das Variieren der Polarisation von auf die Einrichtung fallendem Schreiblicht. Die Ausrichtung in der anderen Ebene wird durch Erzeugen eines elektrischen oder magnetischen Feldes erreicht. In der zweiten Variante erfolgt die Ausrichtung in einer Ebene durch ein Variieren der Intensität von einfallendem Schreiblicht. Zu diesem Zweck enthält die Einrichtung zusätzlich eine Schicht eines photoleitenden Materials, das auf das Schreiblicht reagiert. Für die Ausrichtung in der anderen Ebene kann wieder ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugt werden. Es sind auch beliebige andere Kombinationen dieser Ausbildungsbeispiele möglich.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Einrichtung ein räumliches Lichtmodulationsmittel mit lichtmodulierenden Elementen. Ist in diese Elemente ein Hologramm einer Szene eingeschrieben und enthält die Einrichtung zusätzlich eine Beleuchtungseinheit und ein optisches System, dann kann sie zur Wiedergabe der holographischen Szenen verwendet werden. Derart ausgebildete Einrichtungen können als Lichtmodulatoren in einem holographischen Display genutzt werden.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die lichtmodulierenden Elemente Pixel sind und die Mittel zur Ausrichtung den Pixeln paarweise für die Ausrichtung in zwei Ebenen zugeordnet sind, um das einfallende Licht pixelweise mit Phase und Amplitude gleichzeitig zu modulieren.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Lichtmodulation unter Verwendung einer Einrichtung gelöst, die ein doppelbrechendes Material in molekularer Form aufweist mit einer regulären Anordnung von steuerbaren lichtmodulierenden Elementen zur Modulation der Amplitude und Phase hinreichend kohärenter Lichtwellen, wobei die optischen Achsen der Moleküle durch Einwirken von Kräften, gesteuert von einer Modulationssteuerung, ausgerichtet werden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die optischen Achsen der Moleküle unabhängig voneinander zweidimensional durch von außen auf die lichtmodulierenden Elemente wirkende regelbare Mittel ausgerichtet werden.
Die Ausrichtung der Achsen der Moleküle wird in Verfahrensschritten durch zwei von außen wirkende, unabhängig voneinander regelbare Mittel vorgenommen. Vorzugsweise wird die Ausrichtung der Achsen kontinuierlich geregelt.
In einer Ausbildung des Verfahrens wird in die als räumliches Lichtmodulationsmittel ausgebildete Einrichtung ein Hologramm einer Szene eingeschrieben. Beleuchtet eine Beleuchtungseinheit das Hologramm, dann kann zusammen mit einem optischen System eine holographische Rekonstruktion der Szene erzeugt werden und die Komponenten realisieren zusammen ein holographisches Wiedergabemittel.
In weiterer Ausbildung des Verfahrens wirken zwei durch elektrische Mittel erzeugte, senkrecht zueinander stehende und in ihrer Stärke unabhängig zueinander einstellbare elektrische Felder auf die optischen Molekülachsen ein, um so die gleichzeitige Modulation des einfallenden Lichts in Phase und Amplitude zu erreichen. In Abwandlung des vorhergehenden Verfahrensablaufs können auch zwei senkrecht zueinander wirkende und in ihrer Stärke unabhängig zueinander einstellbare magnetische Felder auf die optischen Molekülachsen einwirken und ihre Ausrichtungen ändern. Es ist ebenfalls möglich, eine Kombination eines elektrischen mit einem senkrecht dazu wirkenden magnetischen Feld zum Ausrichten der optischen Molekülachsen zu verwenden. Aber auch andere Kombinationen der in den Einrichtungsansprüchen genannten Mittel zum Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle sind im Verfahren einsetzbar.
Die optischen Molekülachsen in der Ebene des Lichtmodulationsmittels können auch auf optischem Weg, beispielsweise durch Photoalignment mit Hilfe von polarisiertem Schreiblicht in dem durch Farbstoffmoleküle dotierten doppelbrechenden Material und in einer dazu senkrechten Ebene durch die Wirkung eines elektrischen oder magnetischen Feldes ausgerichtet werden. Enthält die Einrichtung schon ein Beleuchtungsmittel mit mindestens einer linear polarisierten Lichtquelle, dann ersetzt die Polarisation der Lichtquelle die Funktion eines an der Lichteintrittsfläche angzuordnenden Polarisators. In diesem Fall kann die Polarisation des Schreiblichtes variiert werden, ohne dass sich störende Effekte durch den Polarisator ergeben.
Eine andere Möglichkeit zur Verwendung von polarisiertem Schreiblicht ist ein für die Wellenlänge des Leselichts reflektiv ausgebildeter Lichtmodulator, der von der Rückseite beschrieben werden kann.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Mittel zur Lichtmodulation kann eine holographische Wiedergabeeinrichtung zum Erzeugen einer holographischen Rekonstruktion realisiert werden. Die holographische Wiedergabeeinrichtung weist eine Lichtmodulationseinrichtung mit einem Lichtmodulationsmittel mit regulär angeordneten Pixeln und einer Flüssigkristallschicht auf, deren optische Molekülachsen zur Modulation von Phase und Amplitude hinreichend kohärenter Lichtwellen einer Beleuchtungseinheit unabhängig voneinander zweidimensional durch von außen auf die Pixel wirkende regelbare Mittel entsprechend den vorgenannten Beispielen durch eine Modulationssteuerung ausgerichtet sind, um resultierende Phasen- und Amplitudenwerte einer holographisch kodierten 3D-Szene gleichzeitig zu modulieren, wobei die holographische Wiedergabeeinrichtung weiterhin ein optisches System aufweist, um mit den im Lichtmodulationsmittel modulierten Lichtwellen die 3D-Szene in einem Rekonstruktionsraum zu rekonstruieren.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können das Kodieren berechneter komplexer Hologrammwerte einer 3D-Szene und das Modulieren auftreffender kohärenter Lichtwellen mit Phasen- und Amplitudenwerten vereinfacht werden, da nur ein einzelner SLM mit einer einzelnen Flüssigkristallschicht benötigt wird. Im Stand der Technik verwendet man dagegen eine Kombination von mehreren SLM oder einen SLM mit mehreren unabhängigen Flüssigkristallschichten. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass im Vergleich zu Lösungen mit mehreren SLM störende Effekte bei der Ausbreitung des Lichts zwischen den einzelnen LC- und Trägerschichten vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Lichtmodulation werden nachfolgend näher beschrieben. In den Darstellungen zeigen schematisch
1a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand, zur Phasenmodulation nach dem Stand der Technik,
1b eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand, zur Phasenmodulation nach dem Stand der Technik,
1c eine Seitenansicht zu 1b,
2a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand, zur Amplitudenmodulation nach dem Stand der Technik,
2b eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand, zur Amplitudenmodulation nach dem Stand der Technik,
2c eine Seitenansicht zu 2b,
3a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand entsprechend der Erfindung,
3b eine Seitenansicht 1 zu 3a,
3c eine gegenüber 3b um 90° gedrehte Seitenansicht 2,
3d eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand
3e eine Seitenansicht 1 zu 3d,
3f eine gegenüber 3e um 90° gedrehte Seitenansicht 2,
4a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht mit optischer Ausrichtung der Moleküle,
4b eine Seitenansicht zu 4a,
5a eine Seitenansicht eines Pixels mit optischer Ausrichtung der Moleküle beim Schreibvorgang,
5b den Auslesevorgang bei der optischen Ausrichtung in Seitenansicht 1,
5c eine um 90° gedrehte Seitenansicht 2 zu 5b und
6 eine grafische Darstellung von Amplituden- und Phasenkombinationen als komplexwertige Modulationen.
Die Einrichtung wird in Ausbildung eines Lichtmodulationsmittels beschrieben. Lichtmodulationsmittel sind mit ihrer pixelierten Kodierfläche entweder transmissiv oder reflektiv ausgebildet und bestehen aus einer regulären Anordnung von Pixeln mit endlicher Ausdehnung, die herstellungsbedingt durch Zwischenräume getrennt sind. Im Falle eines Flüssigkristallmodulators ist die Kodierfläche z. B. durchzogen von einem Gitter von dünnen Elektroden, zwischen denen die Pixel mit einem Pixelabstand zueinander vorhanden sind. Die Elektroden werden durch eine Steuereinheit, insbesondere mittels eines Computers mit darin befindlichen programmtechnischen Mitteln, so geschaltet, dass die Pixel in Amplitude und Phase bezüglich einer Transparenz oder einer Reflexion kodiert werden. Die mit komplexen Werten kodierten transmissiven Pixel lassen die einfallenden Lichtwellen durch, während die Reflexionspixel die Lichtwellen reflektieren. Auf die Darstellung optischer/lichttechnischer sowie anderer elektrischer/elektronischer Mittel wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde:
Zum Darstellen komplexer Werte für die Modulation einfallender Lichtwellen ist ein doppelbrechendes Material geeignet, da es aus Molekülen mit zwei optischen Achsen besteht, die in zwei verschiedenen Ebenen wirken. Um Phase und Amplitude der Lichtwellen unabhängig voneinander beeinflussen zu können, müssen die optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen unabhängig voneinander ausgerichtet werden können. Das passiert auf folgender Grundlage:
Wenn man in das doppelbrechende Material eine Schnittebene legt und in diese Schnittebene eine Koordinatenachse, dann bildet die geometrische Projektion der optischen Achse in diese Schnittebene einen Winkel mit der Koordinatenachse. Dieser Winkel kann verändert werden, indem die optische Achse der Moleküle in dieser Ebene bewegt wird. Legt man eine zweite Schnittebene senkrecht zu der ersten und in diese zweite Schnittebene eine Koordinatenachse senkrecht zur ersten Koordinatenachse, so bildet die geometrische Projektion der optischen Achse auch einen Winkel mit dieser Koordinatenachse. Eine Änderung dieser beiden Winkel unabhängig voneinander entspricht einer unabhängigen zweidimensionalen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle gemäß der Erfindung.
Das Ausrichten der optischen Achsen wird generell mit der Polarisation des einfallenden Lichts kombiniert. Um eine Drehung der optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen in einem Pixel beispielsweise eines Lichtmodulators mit einem doppelbrechenden Material zu erreichen, wird ein Polarisator vor dem Lichtmodulator angeordnet. Falls linear polarisierte Lichtquellen zum Beleuchten verwendet werden, tritt an die Stelle des Polarisators die Polarisation der Lichtquelle selbst.
Wenn man zunächst nur die Orientierung der optischen Achsen der Moleküle in einer Ebene in Draufsicht betrachtet, kann man sich das linear polarisierte, einfallende Licht zerlegt in eine Komponente parallel zur optischen Achse der Moleküle und in eine Komponente senkrecht dazu vorstellen. Zwischen beiden Komponenten entsteht bei Durchtritt des Lichts durch das doppelbrechende Material, z. B. eine Flüssigkristallschicht (LC Schicht), ein Gangunterschied aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex der LC Schicht parallel und senkrecht zu ihrer optischen Achse.
Dieser Gangunterschied hängt zum einen von der Dicke der durchlaufenen Schicht ab. Zum anderen kann er auch beeinflusst werden durch eine Drehung der LC Moleküle aus dieser Ebene heraus. Diejenige Komponente des Lichts, die zunächst senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet war, bleibt senkrecht, die andere Komponente, die zunächst parallel zur optischen Achse war, ändert durch die Drehung der Moleküle ihren Winkel zur optischen Achse der Moleküle. Damit ergibt sich für das Licht ein anderer effektiver Brechungsindex. Hierdurch wird bei gleicher Dicke der LC Schicht der Gangunterschied zwischen beiden Komponenten geringer.
Als Resultat kann im allgemeinen Fall nach Durchlaufen der LC Schicht elliptisch polarisiertes Licht entstehen. Ein Polarisator nach der LC Schicht lässt jedoch nur einen Anteil davon durch, der dann linear polarisiert ist. Dieser hat eine definierte Amplitude A und eine definierte Phasenverzögerung δ. Einem optischen Gangunterschied von einer Wellenlänge λ entspricht allgemein eine Phasenverzögerung δ von 2π Sie ist abhängig von der Doppelbrechung Δn und der Schichtdicke d der LC-Schicht gemäß der Gleichung δ = 2π/λΔnd, wobei Δn wiederum von dem Drehwinkel ψ der optischen Achsen der Moleküle senkrecht zur Ebene gemäß der Gleichung
Dabei ist n₌ der Brechungsindex parallel und n⊥ der Brechungsindex senkrecht zur optischen Achse der Moleküle. Diese Parameter charakterisieren das jeweilige verwendete doppelbrechende Material und sind daher spezifisch für das Material.
Mit δ ist die Phasenverzögerung des Lichts bezeichnet, die sich je nach der Dicke der LC Schicht und dem Winkel Ψ der optischen Achsen der Moleküle aus der Ebene heraus ergibt, und mit θ ist der Drehwinkel der Moleküle relativ zur Polarisationsrichtung des Lichts vor Eintritt in die LC Schicht bezeichnet. Dann ergibt sich für den Fall, dass beide Polarisatoren parallel stehen, nach Durchtritt durch die LC Schicht und den zweiten Polarisator

– eine Amplitude aus A = √1 + 0.5sin²θ·(cosδ – 1)
– und eine Phase aus

Stellt man die Dicke der LC Schicht so ein, dass sich bei Drehung der optischen Achsen aus der Ebene mindestens eine Phasenverzögerung von 2π ergibt, so wie bei einem normalen Phasenmodulator, bei dem die Amplitude nicht veränderbar ist, dann kann man durch zusätzliche Drehung der LC Moleküle in der Ebene, also durch Variation des Winkels θ, verschiedene Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten A und φ einstellen.
In diesen beiden Gleichungen würde der Spezialfall θ = 0 und eine Variation von δ einer reinen Phasenmodulation bei konstanter Amplitude entsprechen. Der Spezialfall δ = π und eine Variation von θ würde einer reinen Amplitudenmodulation entsprechen. Die Variation beider Parameter θ und δ erlaubt dann eine komplexwertige Modulation des Lichts.
Im Allgemeinen sind auch andere Anordnungen von Polarisatoren möglich. Davon abgeleitet ergeben sich dann andere Gleichungen für die Amplitude und die Phase.
Für das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle auf dieser Grundlage zum Modulieren des Lichts sind verschiedene, von außen wirkende Mittel in einer Einrichtung zur Lichtmodulation einsetzbar, die anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden.
In den 3 bis 5 sind schematisch von der erfindungsgemäßen Einrichtung nur die wesentlichsten Komponenten dargestellt. Vorzugsweise erfolgt in einem transmissiven Lichtmodulationsmittel mit einer Flüssigkristallschicht LC eine pixelweise Modulationssteuerung, wobei für ein Pixel P mindestens zwei Elektroden E1 und E2 zur funktionsbedingten Steuerung der Moleküle M wirksam sind. Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M der Flüssigkristallschicht LC wird ebenfalls pixelweise vorgenommen. Wenn das nicht zutrifft, wird extra darauf hingewiesen.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder für das pixelweise Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle eingesetzt. Entsprechend 3a ist ein transmissiver Lichtmodulator ausschnittsweise in Form eines Pixels P im ausgeschalteten Zustand dargestellt. Die Draufsicht zeigt Moleküle M der Flüssigkristallschicht LC in einer Ebene zwischen zwei senkrecht zueinander wirkenden Elektroden E1 und E2 zur funktionsbedingten Steuerung der Moleküle M. Weiterhin ist eine vertikale Polarisation PO des einfallenden Lichts im Pixel P durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M, die vertikale Polarisation PO und die Einfallsrichtung von kohärentem Licht stimmen mit den im Stand der Technik beschriebenen Typen von Lichtmodulatoren überein. Zum Vergleich der Ausrichtung der Moleküle M in zwei verschiedenen Ebenen sind mit 3b und 3c die Seitenansichten 1 und 2 für die Moleküle M im Pixel P im ausgeschalteten Zustand dargestellt. Die Pfeile geben die Lichteinfallsrichtung an. Im Gegensatz zu den Darstellungen der 1 und 2 vom Stand der Technik, die nur eine Seitenansicht enthalten, ist jetzt zur Verdeutlichung zusätzlich noch die um 90° gedrehte Seitenansicht 2 dargestellt.
Die Zeichnungen der 3d bis 3f zeigen den eingeschalteten Zustand eines Pixels P gemäß der ersten Ausgestaltung. Durch die zwei sich gegenüber liegenden, unabhängig voneinander durch eine Modulationssteuerung ansteuerbaren Elektroden E1 und E2 werden zwei elektrische Felder zum Ausrichten der Moleküle erzeugt. Mit der angelegten Spannung erhalten die optischen Achsen der Moleküle M im Pixel P durch eine Drehung um den Winkel θ (siehe 3d) eine Ausrichtung innerhalb der einen Ebene und innerhalb der anderen Ebene eine Drehung um den Winkel ψ. Diese Drehwinkel θ und ψ beeinflussen sowohl die Amplitude als auch die Phase von einfallenden Lichtwellen, wie man aus den oben angegebenen Gleichungen erkennen kann. In der Seitenansicht 1 von 3e ist der durch die angelegte Spannung erzeugte Drehwinkel ψ der optischen Achsen der Moleküle angegeben, der in der anderen Ebene wirkt. 3f zeigt in der zu 3e um 90° gedrehten Seitenansicht 2 den Pixel P mit 4 Spannungswerten V0, Va, Vb und Va + Vb als Seitenansicht 2. Die linke untere Elektrode hat den Spannungswert V0 und die linke obere Elektrode den Spannungswert Vb. Zwischen der linken und rechten Seite kann die Spannung Va – V0 anliegen, zwischen unten und oben die Spannung Vb – V0. Die Elektrode rechts oben hat dann den Spannungswert Va + Vb. Damit können durch die Änderung der Spannungswerte Va und Vb unabhängig voneinander die optischen Achsen der Moleküle des Pixels P in beiden Dimensionen – in Draufsicht und Seitenansicht – ausgerichtet werden. Durch die Ausrichtung der optischen Achsen werden die Amplitude und Phase des durchtretenden Lichts moduliert. Da die Spannungswerte unabhängig voneinander einzustellen sind, können verschiedene Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten realisiert werden. Ähnlich wie in 2 ist die Zeichnung grob schematisch. Die Elektrode in 3a und 3d kann auch durch mehrere in Reihe geschaltete Einzelelektroden über ein Pixel ersetzt sein, um der unterschiedlichen lateralen Ausdehnung und Dickenausdehnung eines Pixels Rechnung zu tragen.
Anstelle von zwei durch unterschiedliche Spannungen erzeugte elektrische Felder können in einer zweiten, nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Mittel auf ein Pixel senkrecht zueinander wirkende magnetische Felder erzeugt werden. Die Mittel dazu können analog der Anordnung zum Erzeugen der elektrischen Felder angeordnet sein, um die optischen Achsen der Moleküle unabhängig voneinander in zwei Ebenen auszurichten. Weiterhin ist es auch möglich, ein elektrisches und ein senkrecht dazu wirkendes magnetisches Feld an einem Pixel bzw. in einem Lichtmodulator zu kombinieren.
Es können in weiterer Ausgestaltung optische Mittel und/oder Verfahren zum Ausrichten der optischen Achsen von Molekülen verwendet werden.
In einer ersten Ausbildung der optischen Mittel wird das Photoalignment verwendet, bei dem in einem Lichtmodulator mit doppelbrechendem Material die Moleküle in der Displayebene optisch ausgerichtet werden. Das bedeutet, dass z. B. eine Flüssigkristallschicht mit Farbstoffmolekülen dotiert ist und die optischen Achsen der Moleküle sich nach der Polarisation von einfallendem Schreiblicht ausrichten. Derartige Lichtmodulatoren sind als sogenannte ”dy-doped OASLM” bekannt. Das von einer Lichtquelle auf den Lichtmodulator fallende Schreiblicht kann inkohärentes Licht sein. In der Ebene senkrecht zur Displayebene werden die optischen Achsen der Moleküle mit einem elektrischen Feld durch herkömmliche Elektroden ausgerichtet. Derartige Lichtmodulatoren sind als EASLM bekannt. In 4a ist ein Beispiel einer Kombination eines OASLM und eines EASLM als Ausschnitt an einem Pixel P in Draufsicht dargestellt. In der Flüssigkristallschicht LC sind die Moleküle M mit einer leichten Drehung aus der einen Ebene heraus zu sehen. Sie sind senkrecht zur Polarisationsrichtung des Schreiblichtes POS ausgerichtet. Mit Schreiblicht wird hier einfallendes Licht zum Beeinflussen der Ausrichtung der Moleküle M in der Flüssigkristallschicht LC bezeichnet. Leselicht ist dagegen das vom Lichtmodulator modulierte Licht. Es hat in diesem Beispiel eine vertikale Polarisation POL, gekennzeichnet durch den Doppelpfeil außerhalb des Pixels P, und kann auch in seinen weiteren Eigenschaften und in der Wellenlänge vom Leselicht verschieden sein. Ein Polarisator in der Einfallsebene des Lichtmodulators ist nicht nötig. In 4b ist in der Seitenansicht die Ausrichtung der Moleküle M in der anderen Ebene senkrecht zu 4a gezeigt, die hier mittels eines elektrischen Feldes erzeugt wird. Die Moleküle sind im Vergleich zur Ebene in 4a durch die Modulationssteuerung stärker aus der Ebene heraus gedreht entsprechend dem hier darzustellenden komplexen Wert. Die Elektrodenstruktur und die elektrische Adressierung des Lichtmodulators sowie die Anordnung der Trägersubstrate TS, veranschaulicht am Pixel P, stimmen mit einem herkömmlichen Flüssigkristall Modulator überein. Die Einfallsrichtung des Leselichts ist durch den punktiert dargestellten Pfeil gekennzeichnet. Insgesamt wird durch die Kombination der optischen mit der elektrischen Adressierung eine voneinander unabhängige Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen realisiert.
In anderen Typen von OASLM wird durch die optische Ansteuerung und das Schreiblicht ein elektrisches Feld aufgebaut. Das andere, senkrecht dazu angeordnete elektrische Feld kann beispielsweise mittels eines TFT und einer elektrischen Ansteuerung die voneinander unabhängige Ausrichtung der Moleküle im OASLM erzeugen. Das wird nachfolgend genauer beschrieben:
In einer zweiten Ausbildung der optischen Mittel enthält ein Lichtmodulator zusätzlich zur Flüssigkristallschicht eine photoleitende Schicht. In der 5a ist als Ausschnitt eines Lichtmodulators wieder ein Pixel P in Seitenansicht mit Molekülen M in der Flüssigkristallschicht LC, den Elektroden E1 und E2, den Trägersubstraten TS sowie der photoleitenden Schicht PS dargestellt. Die Moleküle sind in der Ausgangslage zu sehen. Diese Figur zeigt den Schreibvorgang im Pixel P an und die unterbrochenen Pfeile kennzeichnen, in welche Richtung das Schreiblicht auf die photoleitende Schicht PS fällt. Abhängig von der einstellbaren Intensität des Schreiblichtes wird die Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht PS verändert. Für den Auslesevorgang mit Leselicht wird eine feste äußere Spannung V_fest angelegt. Abhängig von der durch das Schreiblicht eingestellten Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht PS stellt sich eine effektive Spannung V_eff über die LC Schicht ein. Entsprechend dieser effektiven Spannung erfolgt das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle M in dieser Ebene. Das ist dargestellt in der Seitenansicht 1 in 5b. Dies funktioniert wie bei einem normalen OASLM. Die Polarisation PO des Leselichts ist wieder durch den Doppelpfeil gekennzeichnet. In der Ebene senkrecht dazu erfolgt eine elektrische Ansteuerung wie bei einem IPSSLM. Für jeden Pixel P des Lichtmodulators wird ein „In-plane” Spannungswert in dieser Ebene adressiert. Dafür wird ein elektrisches Feld im Pixel P erzeugt. 5c zeigt in der um 90° zu 5b gedrehten Seitenansicht 2 die elektrische Adressierung aus einer anderen Sicht. Durch die unteren Elektroden mit den Spannungswerten V0 und Va und die oberen Elektroden mit den Spannungswerten V_fest und Va + V_fest liegt am Pixel P von unten nach oben eine feste äußere Spannungsdifferenz an, wobei die effektive Spannung über die LC Schicht durch Schreiblicht individuell optisch eingestellt wird. Von links nach rechts wird jedoch an jedem Pixel P eines Lichtmodulators eine individuelle Spannung elektrisch adressiert. Durch diese Kombination erhalten die Achsen der Moleküle M die unabhängige Ausrichtung in beiden Ebenen.
Die Kombination einer elektrischen und einer optischen Ansteuerung der Pixel eines Lichtmodulators zur unabhängigen Ausrichtung der Moleküle hat gegenüber der nur elektrischen Ansteuerung, bei der für jedes Pixel zwei unabhängige Spannungswerte in horizontaler und in vertikaler Richtung adressiert werden müssen, den Vorteil einer weniger aufwendigen Display-Elektronik.
Die 6 zeigt in einer grafischen Darstellung Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten als komplexwertige Modulationen auf einen Lichtmodulator fallender Lichtwellen. Die horizontale Achse enthält relative Amplituden zwischen 0 und 1, die vertikale Achse enthält Phasen zwischen 0 und 2π. Die aufgetragenen Punkte stellen Beispiele für verschiedene komplexe Zahlen mit der jeweiligen Amplitude und Phase dar, die man über unterschiedliche Kombinationen der Parameter θ und δ einstellen kann.
Die Erfindung ist sowohl bei pixelierten als auch bei nicht pixelierten Lichtmodulatoren einsetzbar. Wenn mindestens eines der Mittel ein elektrisches Feld zum Ausrichten der Achsen der Moleküle erzeugt, muss der Lichtmodulator pixeliert sein, also auch bei einer Kombination von elektrischer und optischer Ausrichtung. Wenn die Ausrichtung der Moleküle mit optischen Mitteln in beiden Achsen erfolgt, kann auch ein nicht pixelierter Lichtmodulator verwendet werden, auf den eine Pixelstruktur von außen durch die jeweils darzustellende Information formal aufgeprägt wird. Beispielsweise kann eine Anordnung mit zwei Schreiblichtstrahlen verwendet werden, von denen einer durch Variieren der Intensität des Schreiblichts die Ausrichtung der Moleküle in der einen Ebene und der andere Schreiblichtstrahl durch die Polarisation die Ausrichtung in der anderen Ebene vornimmt.
In einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit einem Lichtmodulator, der eine Flüssigkristallschicht enthält und nach einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele gestaltet ist, wird ein Hologramm einer dreidimensionalen Szene kodiert. Eine Beleuchtungseinheit mit einer nahezu kohärent strahlenden Lichtquelle beleuchtet den Lichtmodulator. Eine Modulationssteuerung veranlasst, dass das einfallende Licht in zwei verschiedenen Ebenen mit Amplitude und Phase unabhängig voneinander durch eine entsprechende Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht moduliert wird. Zusammen mit einem optischen System wird mit den modulierten Lichtwellen die Szene in einem Rekonstruktionsraum rekonstruiert.
Mit einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Einrichtung zur Lichtmodulation wird es möglich, die Modulation komplexe Werte von Amplitude und Phase in verschiedensten Kombinationen in nur einem einzelnen Lichtmodulator durchzuführen. Ihr Einsatz in einem holographischen Display zur Wiedergabe holographischer Szenen reduziert vorteilhaft den Aufwand an Material – es wird nur ein Lichtmodulator benötigt – und Rechenaufwand.

Claims

Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur Modulation von Phase und Amplitude kohärenter Lichtwellen ein als eine steuerbare Schicht ausgebildetes doppelbrechendes Material in molekularer Form und einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator aufweisen, wobei eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle des doppelbrechenden Materials, in Bezug auf die Lage der steuerbaren lichtmodulierenden Elemente selbst, steuert, dadurch gekennzeichnet, dass regelbare Mittel zur zweidimensionalen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) der steuerbaren Schicht der lichtmodulierenden Elemente vorgesehen sind, wobei die Ausrichtung in der einen Dimension unabhängig von der Ausrichtung in der anderen Dimension einstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das doppelbrechende Material aus einer Schicht von Flüssigkristallen (LC) besteht.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die zweidimensionale Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) durch zwei von außen wirkende regelbare Mittel erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher mindestens ein von außen wirkendes Mittel ein elektrisches Feld ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher mindestens ein von außen wirkendes Mittel ein magnetisches Feld ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) in mindestens einer Ebene mit optischen Mitteln erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher zwei gleichartige Mittel vorgesehen sind, die senkrecht zueinander an jeweils einem lichtmodulierenden Element angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das doppelbrechende Material zum Ausrichten der optischen Molekülachsen mit Farbstoffmolekülen dotiert ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Ausrichtung in einer Ebene durch eine Variation der Polarisation (PO) von einfallendem Schreiblicht und in der anderen Ebene durch ein elektrisches Feld erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die lichtmodulierenden Elemente zusätzlich eine Schicht eines photoleitenden Materials enthalten und die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) des doppelbrechenden Materials durch ein Variieren der Intensität von auf das photoleitende Material einfallendem Schreiblicht einstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, die ein räumliches Lichtmodulationsmittel mit lichtmodulierenden Elementen ist, in die ein Hologramm einer Szene eingeschrieben ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, die zusätzlich eine Beleuchtungseinheit und ein optisches System zur Wiedergabe der holographischen Szene umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die lichtmodulierenden Elemente Pixel (P) sind und die Mittel zur Ausrichtung eine pixelweise Zuordnung haben.
Lichtmodulationseinrichtung für eine holographische Wiedergabeeinrichtung, die ein Lichtmodulationsmittel mit regulär angeordneten Pixeln in einem als steuerbare Schicht ausgebildeten doppelbrechenden Material in molekularer Form aufweist, bei dem die Moleküle mit ihren optischen Achsen zur Modulation von Phase und Amplitude kohärenter Lichtwellen einer Beleuchtungseinheit durch eine Modulationssteuerung zweidimensional durch auf die Pixel wirkende regelbare Mittel ausgerichtet sind, wobei die Ausrichtung in der einen Dimension unabhängig von der Ausrichtung in der anderen Dimension einstellbar ist, und wobei die auf die Pixel wirkenden regelbaren Mittel entsprechend wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind, um resultierende Phasen- und Amplitudenwerte einer holographisch kodierten 3D-Szene gleichzeitig zu modulieren, und wobei die holographische Wiedergabeeinrichtung weiterhin ein optisches System zum Rekonstruieren der 3D-Szene mit den im Lichtmodulationsmittel modulierten Lichtwellen aufweist.
Verfahren zur Lichtmodulation mit einer Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen zur Modulation der Amplitude und Phase kohärenter Lichtwellen, wobei die lichtmodulierenden Elemente ein als eine steuerbare Schicht ausgebildetes doppelbrechendes Material in molekularer Form und einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator aufweisen und wobei eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle des doppelbrechenden Materials, in Bezug auf die Lage der steuerbaren lichtmodulierenden Elemente selbst, steuert, gekennzeichnet durch regelbare Mittel zur zweidimensionalen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) der steuerbaren Schicht der lichtmodulierenden Elemente, wobei die Ausrichtung in der einen Dimension unabhängig von der Ausrichtung in der anderen Dimension eingestellt wird.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei welchem die optischen Achsen der Moleküle (M) durch von außen wirkende, unabhängig voneinander regelbare Mittel ausgerichtet werden.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei dem die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) kontinuierlich geregelt wird.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 16, bei dem zwei elektrische Felder, die senkrecht zueinander jeweils an einem lichtmodulierenden Element auf die Molekülachsen einwirken, in ihrer Stärke unabhängig voneinander eingestellt werden.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 16, bei dem zwei magnetische Felder, die senkrecht zueinander jeweils an einem lichtmodulierenden Element auf die Molekülachsen einwirken, in ihrer Stärke unabhängig voneinander eingestellt werden.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 16, bei welchem die Moleküle (M) in mindestens einer Ebene mit optischen Mitteln ausgerichtet werden.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 16, bei dem die optischen Achsen der Moleküle (M) durch eine beliebige Kombination von magnetischen, elektrischen und optischen Mitteln zweidimensional ausgerichtet werden, wobei die Ausrichtung in der einen Dimension unabhängig von der Ausrichtung in der anderen Dimension einstellbar ist.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 16, bei welchem die Einrichtung ein räumliches Lichtmodulationsmittel eines holographischen Wiedergabemittels ist und in die lichtmodulierenden Elemente des Lichtmodulationsmittels ein Hologramm einer Szene eingeschrieben wird.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 22, bei dem eine Beleuchtungseinheit das Hologramm beleuchtet und zusammen mit einem optischen System eine holographische Rekonstruktion der Szene erzeugt.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 20, bei dem die Molekülachsen in der Ebene des Lichtmodulationsmittels durch Photoalignment in dem durch Farbstoffmoleküle dotierten doppelbrechenden Material und in einer dazu senkrechten Ebene durch die Wirkung eines elektrischen Feldes ausgerichtet werden.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 20, bei dem ein an der Lichteintritts- oder der Lichtaustrittsfläche des Lichtmodulationsmittels angeordneter Polarisator die Lichtwellen polarisiert.
Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 23 und 25, bei dem die Beleuchtungseinheit mindestens eine linear polarisierte Lichtquelle enthält, deren Polarisation die Funktion des an der Lichteintrittsfläche angeordneten Polarisators ersetzt.