WO2008132206A1 - Lichtmodulator zur darstellung komplexwertiger informationen - Google Patents

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WO2008132206A1
WO2008132206A1 PCT/EP2008/055211 EP2008055211W WO2008132206A1 WO 2008132206 A1 WO2008132206 A1 WO 2008132206A1 EP 2008055211 W EP2008055211 W EP 2008055211W WO 2008132206 A1 WO2008132206 A1 WO 2008132206A1
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light modulator
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PCT/EP2008/055211
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Bo Kroll
Armin Schwerdtner
Norbert Leister
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Seereal Technologies S.A.
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Definitions

  • Light modulator for representing complex-valued information
  • the invention relates to a light modulator for displaying complex-value information, comprising a coding surface with an array of pixels which are controllable in their transmissive or reflective phase shift.
  • the computation of computer-generated holograms and similar diffractive structures for encoding in pixelated light modulators generally provides complex-valued information - in terms of numbers - with a real part and an imaginary part written in the form of amplitude and / or phase information in the light modulator with a discrete pixel structure and be reconstructed by means of sufficiently coherent illumination.
  • the light modulators typically leave only the writing of the amplitudes or the phase information in one pixel, but not the writing of the complete complex number, i. any combination of amplitude and phase information simultaneously, too.
  • a variant of this coding method consists in the use of several phase values, in particular a two-phase coding.
  • a complex number is given by a sum of two numbers with the same amount and represented different phase values and written in two adjacent pixels of the same light modulator.
  • the angle-varying optical path difference between a group of pixels representing a complex number relative to adjacent groups of pixels representing other complex numbers is absolutely necessary for hologram reconstruction since this is precisely the principle of diffraction on which the hologram reconstruction is based.
  • the document DE 10 2006 003 741.3 describes for the case of a two-phase coding a modification of the hologram calculation by an iterative method in which an improvement of the reconstruction is achieved.
  • this requires an increased computational effort, which hinders, for example, a real-time calculation of holograms.
  • Another problem in display holography is the very small usable diffraction angle due to the pixel dimensions of conventional light modulators, which severely limits either the extent or visibility of a holographically reconstructed scene. If several adjacent pixels are now used to encode complex hologram values, the diffraction angle is reduced even further. This disadvantage is also not eliminated by omitting the coding of the vertical parallax and holographically coding only the horizontal parallax.
  • One-dimensional coded holograms are described in a method in display holography, for example in the publication US Pat. No. 3,633,989, in which hologram coding takes place, for example, only in the horizontal direction (English, horizontal parallax only holograms - HPO). In this case, normally calculated values for the hologram are written into each line of a light modulator independently of each other.
  • a special device for the reconstruction of one-dimensional holograms arises when using a light modulator with a one-dimensional array of pixels.
  • a spatial scene can then be reconstructed, for example, by successively displaying individual lines of a hologram on the light modulator and strung together in combination with a scanner unit in the vertical direction.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a light modulator for representing complex-value information, which is designed so that a disturbing, angle-dependent varying optical path difference between adjacent pixels or groups of pixels is largely avoided.
  • the light modulator for displaying complex-valued information contains a coding surface with an array of pixels which are controllable in phase, wherein in accordance with the characterizing part of patent claim 1 at least one predetermined pixel from a pixel group of adjacent pixels of the coding surface is assigned in each case a specific structured retardation layer, which causes an angle-dependent change in the optical path of an outgoing beam, wherein the layer thickness of the retardation layer is such that the change of the optical path through the retardation layer is opposite to the angle-dependent change of the retardation between individual pixels of a pixel group and the angular variation of the retardation is at least partially or completely compensated.
  • the particular patterned retardation layer is introduced in the region of the coding surface, wherein the retardation layer may be arranged before and / or after the coding surface, preferably in close contact with the pixels.
  • the arrangement of the pixels can be formed in one-dimensional strip-shaped or two-dimensionally planar with respect to the coding surface.
  • the coding surface can be designed both as a flexurally elastic and a rigid layer.
  • the coding surface containing the array of pixels may communicate with at least one alignment layer disposed on both adjacent side surfaces of the coding surface.
  • the coding surface may be a planar liquid crystal layer.
  • the coding surface containing the arrangement of the pixels can be assigned to at least one switching element layer attached to both adjacent side surfaces of the coding surface for controlling the pixels.
  • the switching element layer may constitute an electrode layer.
  • the coding surface containing the arrangement of the pixels may communicate with at least one carrier layer.
  • the coding surface of the light modulators can also consist of an array of microfluidic droplet pixels, which can be manipulated under the action of an electric field, wherein the light modulators can be designed as electrowetting phase modulators.
  • the carrier layer may be formed as a flexible layer, in particular made of plastic, or as a rigid plastic or glass layer.
  • the retardation layer may be disposed between electrodes and the support layer on the inner side surface of the support layer or on the outer side surface of the support layer.
  • the light modulator may have a coding surface containing the arrangement of pixels,
  • an alignment layer applied to at least one of the two adjacent side surfaces of the coding surface
  • At least one carrier layer attached to at least one of the two adjoining subsequently free side surfaces, whereby a one- or two-dimensional arrangement of pixels can be present on the coding surface, which can be controlled by potentials that can be applied to the electrode layers, and wherein between at least one of the electrode layers and the A structured retardation layer is introduced in the layer adjacent to the electrode layer.
  • delay layers which are structured on one side or on both sides relative to the planar coding surface can optionally be provided between the electrode layers and the carrier layers.
  • the electrodes and the alignment layers for driving and orienting the pixels on the retardation layer (s) may be applied to the side facing the liquid crystal layer or the droplet pool layer.
  • an electrode and the retardation layers can on the side surface of the emerging after the pixels light beams a mask with a
  • Delay layers can be traversed before and / or behind the Kodier Chemistry of incident linearly polarized light beams.
  • the pattern dimensions of the patterned retardation layers can be broadly similar to the extension of a pixel group consisting of several pixels.
  • the pixels of the pixel group are often arranged in such a way that the structuring of the delay layers only has to take place in one dimension.
  • the structured delay layer is described using the example of a pixel group of two pixels. In general, structuring is also feasible for pixel groups of more than two pixels.
  • the patterned retardation layers may have a columnar arrangement of the height of the light modulator and the width that is approximately the dimensions the pixel corresponds.
  • the patterned retardation layers may each represent a patterned layer of a single or a combination of a plurality of optically birefringent materials, wherein only the extraordinary ray traverses the retardation layer by use of linearly polarized light rays, and wherein the birefringent materials undergo angle-dependent changes in optical refractive index and thereby optical path changes for different Angles have passing light.
  • the light modulator on the input side contains a linear polarizer.
  • the retardation layer following the pixels causes oblique light beams to pass through the pixels separated by a pixel for the angle ⁇ of optical paths OW of different lengths at an angle, so that the retardation to the respectively adjacent pixels is partially or completely compensated ,
  • the light passing through the retardation layer is linearly polarized, the different path length is achievable if only the extraordinary beam passes through the retardation layer, whereby the linear polarization can be achieved by means of a light source which generates polarized light like a laser, or by the linear polarizer on the input side of the light modulator.
  • the change of the optical path OW for the angle ⁇ is relative to a predetermined reference angle ⁇ o, wherein for the reference angle ⁇ 0 the path differences are compensated by writing modified phase values into the pixels of a group.
  • the different retardation layers may be placed in front of the two adjacent pixels of the groups, with light from one pixel of the group relative to the reference angle ⁇ o having a longer optical path and light ahead of the other pixel relative to the reference angle ⁇ 0 having a shorter optical path, since the retardation layers are different Have properties.
  • the adjacent retardation layers it is possible to use the same birefringent material but with different optical axis orientation, so that in one FaM the optical path OW in one retardation layer increases with the angle ⁇ n and in the other case the OW optical path increases in the adjacent retardation layer the angle ⁇ n decreases or vice versa.
  • the retardation layers may alternatively be provided with different birefringent materials.
  • the retardation layers may be divided into several parts, which are arranged in different positions, for example in two halves, which are arranged on the two flat side surfaces of the coding surface.
  • the retardation layers can also be composed of a plurality of superposed sublayers. These can also be connected by intermediate layers, for example by adhesive layers. Such a division can facilitate, for example, the production.
  • the superposed sub-layers each act as a single retardation layer.
  • the term delay layer is generally used for these cases.
  • the retardation layers may be e.g. in the case of a liquid crystal modulator, in close proximity to the liquid crystal layer within the glass layers.
  • the use of structured delay layers is possible in various types of light modulators, preferably phase modulators.
  • the light modulator can be designed in such a way that the patterned retardation layers are provided using a micromirror field arrangement representing the arrangement of pixels, in particular a tip-mirror field arrangement for phase modulation, the structured retardation layers alternately being applied to adjacent micromirrors or columns of micromirrors the micromirror array are applied.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a light modulator according to the invention in a longitudinal section
  • FIG. 2 shows a schematic representation of four adjacent pixels in the vertical direction of a conventional light modulator with path differences of the light beams emanating from neighboring pixel groups or pixel groups
  • FIG. 3 shows a schematic representation of four adjacent pixels in the vertical direction of a light modulator with delay layers on two pixels for compensating for the occurring path difference of the light beams emanating from the pixels, wherein the delay layers have the same optical properties
  • Fig. 4 is a schematic representation of four adjacent pixels in vertical
  • FIG. 5 is a schematic representation of the angular dependence of the refractive index in a birefringent material based on a refractive index ellipsoid
  • Fig. 6 refractive index-angle diagrams for birefringent material, wherein Fig. 6a, the refractive index n as a function of the angle ⁇ in relation to the optical axis and
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the splitting of the retardation layer into two partial layers on both sides of a coding surface in the form of a liquid crystal layer with an inserted mask.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a schematic representation of a light modulator 1 according to the invention, which comprises
  • At least one structured retardation layer 9, 10, 11, 12 is introduced between at least one of the electrode layers 5, 6 and the glass layer 7, 8 opposite the electrode layer 5, 6, causing an angle-dependent change in the optical path of an incident linearly polarized beam Thickness of the retardation layer 9, 10, 11, 12 is formed such that the change of the optical path through the retardation layer 9, 10, 11, 12 of the angle-dependent change of the path difference between individual pixels 13, 14 of a pixel group 15 is opposite and the angle-dependent change the path difference 20, 21 at least partially or completely compensated.
  • a structured retardation layer 9, 11 and 10, 12 can be introduced on both sides of the liquid crystal layer 2.
  • a mask 19 having a structure which prevents the light beams from narrowing the neighborhood boundary between the retardation layers, e.g. Exceed 12, 10.
  • the structure width of the structured delay layer 9, 10, 11, 12 may correspond approximately to the extent of a pixel group 15.
  • the patterned retardation layer 9, 10, 11, 12 may have a columnar arrangement of approximately the dimensions of the pixels 13, 14.
  • the retardation layers 9, 10, 11, 12 may consist of a single or a combination of a plurality of optically birefringent materials, wherein in optically birefringent materials angle-dependent changes in the optical refractive index and thus optical path changes occur for light passing at different angles.
  • FIG. 2 shows, in a schematic illustration, four pixels 131, 132, 141, 142 of a conventional light modulator, which form two pixel groups 151, 152 with two pixels 131, 132; 141, 142 are arranged.
  • the pixels 131 and 132 and the pixels 141 and 142 for example, each represent a complex number in a two-phase encoding.
  • the incident light rays pass through the pixels 131, 132, 141, 142 at an angle ⁇ .
  • an unwanted retardation 20, 21 is formed after passage of the beams, while the retardation 22 between pixel group 151 relative to pixel group 152 is desired.
  • FIG. 3 shows a retardation layer 101, 102 applied to the pixels 131 and 141, respectively, which causes the light rays to pass through the pixels 131 and 141 for the angle ⁇ through a longer optical path OW, so that the retardation 20, 21 increases Pixel 132 or 142 is partially or completely compensated.
  • Decisive is only the change of the optical path OW for the angle ⁇ relative to a predetermined reference angle ⁇ o (not shown).
  • ⁇ o can Path differences are compensated by writing modified phase values in this case one of the two pixels of a group.
  • a practical disadvantage of the pixel arrangement in FIG. 3 is that delay layers of different layer thicknesses d are applied in front of the individual pixels.
  • a contrast advantageous arrangement uses two different retardation layers 102, 121 and 102, 122 of equal layer thicknesses in front of the two pixels 131, 132 and 141, 142 of the groups 151, 152, wherein the light from pixel 131 relative to Reference angle ⁇ 0 a longer optical path OW and light from pixel 132 relative to the reference angle ⁇ 0 travels a shorter optical path OW, since the retardation layers 101, 102 opposite the retardation layers 121, 122 for this angle have different effective refractive indices.
  • Fig. 5 shows schematically the dependence of the refractive index on the angle of the transmitted light in a birefringent material when the optical axis 16 is parallel to the extraordinary refractive index n2.
  • n ( ⁇ ) n1 * n2 / sqrt (n1 2 cos 2 ⁇ + n2 2 sin 2 ⁇ ) (I),
  • n1 is the ordinary refractive index and n2 is the extraordinary refractive index, both of which are perpendicular to each other, and ⁇ represents the angle of a light beam relative to the optical axis 16 of the birefringent material.
  • the two refractive indices n1 and n2 represent a so-called refractive index ellipsoid 17.
  • FIGS. 6a and 6b refractive index-angle diagrams are given for birefringent material
  • FIG. 6a showing the refractive index n in FIG Dependence on the angle ⁇ in relation to the optical axis
  • Fig. 6b show the refractive index change ⁇ n for a small angle change ⁇ as a function of the angle ⁇ in relation to the optical axis.
  • the use of the angle range ⁇ close to the maximum change is advantageous, because then the layer thickness d of the retardation layer 101 shown in FIG. 7, which is needed to compensate for the determined path differences 20, 21, becomes smaller.
  • the use in the range of approximately linear change of the refractive index with the angle ⁇ is also advantageous, since the gear differences 20, 21, which are to be compensated, change with the sine of the angle ⁇ , and the sine for small angles is also approximately linear , Due to the similar angular behavior, therefore, a large part of the path differences 20, 21 can be compensated.
  • the use of the same birefringent material but with different orientations 161, 162 of the optical axis 16 causes, in one case, the optical path OW in the retardation layer 101 to increase at the angle ⁇ n and in the other case the optical path OW in the retardation layer 121 decreases with the angle ⁇ n .
  • the following expressions are given for the optical path OW through the retardation layer 101.
  • splitting of the retardation layers 101, 121 into two parts 9, 10, and 11, 12 may be performed, which are applied to both flat side surfaces of the liquid crystal.
  • Layer 2 are arranged.
  • an absorbing mask 19 may be applied to the retardation layer 10, 12, which prevents oblique incidence of the light rays 182 from passing the incident linearly polarized light rays 182 through two differently formed retardation layers 11, 10 disposed on both sides of the encoding surface 2 he follows.
  • the associated mask openings 23, 24 are provided at the locations at which identically formed retardation layers 9, 10 and 11, 12 can be passed in front of and / or behind the coding surface 2 of incident linearly polarized light beams 181. This is shown in FIG. 9.
  • the mask 19 may be arranged between the delay layers 10, 12 and the pixels 13, 14.
  • the inclined drawn beam 182 in FIG. 9 is absorbed by the mask 19.
  • the delay layers 9, 10, 11, 12 are here in the immediate vicinity of the coding surface, in this case the liquid crystal layer 2, that is, in a conventional display within the glass layers 7, 8.
  • the transition shown in Fig. 7 is then not directly between the retardation layer 101 and air, but at a different location between glass 7 or 8 and air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche mit einer Anordnung von Pixeln, die in ihrer Phase steuerbar sind. Die Aufgabe besteht darin, dass bei der Kodierung eines komplexen Wertes in mehreren benachbarten Phasenpixeln der Kodierfläche ein störender, winkelabhängig variierender optischer Gangunterschied zwischen benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen weitgehend vermieden wird. Die Lösung besteht darin, dass jeweils zumindest einem vorgegebenen Pixel aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln der Kodierfläche (2) jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden linear polarisierten Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Schichtdicke (d) der Verzögerungsschicht derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes zwischen einzelnen Pixeln der Pixelgruppe entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.

Description

Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen
Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche mit einer Anordnung von Pixeln, die in ihrer transmissiven oder reflektiven Phasenverschiebung steuerbar sind.
Die Berechnung computergenerierter Hologramme und ähnlicher diffraktiver Strukturen zur Kodierung in pixelierten Lichtmodulatoren liefert im Allgemeinen komplexwertige Informationen - im Sinne von Zahlen - mit einem Realteil und einem Imaginärteil, die in Form einer Amplituden- und/oder Phaseninformation in den Lichtmodulator mit einer diskreten Pixelstruktur eingeschrieben und mittels hinreichend kohärenter Beleuchtung rekonstruiert werden.
Die Lichtmodulatoren lassen in der Regel nur das Einschreiben der Amplituden oder der Phaseninformation in ein Pixel, aber nicht das Einschreiben der vollständigen komplexen Zahl, d.h. einer beliebigen Kombination von Amplituden- und Phaseninformation gleichzeitig, zu.
Bekannte Verfahren zur Lösung dieses Problems, wie z.B. das in der Druckschrift US 5,416,618 dargestellte, verwenden entweder eine Kombination mehrerer Lichtmodulatoren - zum Beispiel eines Amplituden- und eines Phasen- Lichtmodulators oder von zwei Amplituden- bzw. Phasen-Lichtmodulatoren, um je Pixel eine komplexe Zahl darzustellen. Dies ist aber mit dem Nachteil einer aufwändigen Justage verbunden, denn die Pixelstruktur der beiden Lichtmodulatoren muss deckungsgleich sein.
Dieser Nachteil tritt nicht auf, wenn eine komplexe Zahl durch eine Gruppe von mehreren Pixeln auf dem gleichen Lichtmodulator repräsentiert wird. Es handelt sich dabei aber um aufwändige Kodierungsverfahren, die meist mit einer iterativen Berechnung der komplexwertigen Kodierung verbunden sind.
Eine Variante dieser Kodierungsverfahren besteht in der Verwendung mehrerer Phasenwerte, insbesondere einer Zwei-Phasenkodierung. Eine komplexe Zahl wird dabei durch eine Summe von zwei Zahlen mit gleichem Betrag und unterschiedlichen Phasenwerten dargestellt und in zwei benachbarte Pixel des gleichen Lichtmodulators eingeschrieben.
Die Interferenz von kohärentem Licht, das durch beide Pixel geht, ergibt dann das gleiche Ergebnis wie Licht, das durch ein einzelnes komplexwertiges Pixel laufen würde. Das gilt aber nur dann, wenn für die Lichtstrahlen zwischen den beiden Pixeln außer dem berechneten kein weiterer optischer Gangunterschied entsteht.
Bei der Beugung an den benachbarten Pixeln einer Pixelgruppe tritt jedoch einerseits ein winkelabhängig sich ändernder optischer Gangunterschied auf, was zu Fehlern in der Hologrammrekonstruktion führt.
Andererseits ist derjenige winkelabhängig variierende, optische Gangunterschied zwischen einer Gruppe von Pixeln, die eine komplexe Zahl repräsentieren, relativ zu benachbarten Gruppen von Pixeln, die andere komplexe Zahlen repräsentieren, für eine Hologrammrekonstruktion unbedingt notwendig, da dies gerade das Prinzip der Beugung darstellt, auf der die Hologrammrekonstruktion basiert.
Die Druckschrift DE 10 2006 003 741.3 beschreibt für den Fall einer Zwei-Phasen- kodierung eine Modifikation der Hologrammberechnung durch ein iteratives Verfahren, bei dem eine Verbesserung der Rekonstruktion erreicht wird. Dies erfordert jedoch einen erhöhten Berechnungsaufwand, was zum Beispiel für eine Echtzeitberechnung von Hologrammen hinderlich ist.
Ein weiteres Problem in der Displayholografie ist der aufgrund der Pixelabmessungen herkömmlicher Lichtmodulatoren sehr kleine nutzbare Beugungswinkel, wodurch entweder die Ausdehnung oder der Sichtbarkeitsbereich einer holografisch rekonstruierten Szene stark eingeschränkt wird. Werden nun zur Kodierung komplexer Hologrammwerte mehrere benachbarte Pixel verwendet, so wird der Beugungswinkel noch weiter verringert. Dieser Nachteil wird auch dadurch nicht beseitigt, wenn auf die Kodierung der vertikalen Parallaxe verzichtet und nur die horizontale Parallaxe holografisch kodiert wird. Eindimensional kodierte Hologramme sind in einem Verfahren in der Displayholografie z.B. in der Druckschrift US 3,633,989 beschrieben, bei dem eine Hologrammkodierung z.B. nur in horizontaler Richtung erfolgt (engl, horizontal parallax only holograms - HPO). Dabei werden normalerweise in jede Zeile eines Lichtmodulators unabhängig voneinander berechnete Werte für das Hologramm eingeschrieben.
Eine spezielle Einrichtung zur Rekonstruktion eindimensionaler Hologramme entsteht bei der Verwendung eines Lichtmodulators mit einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln. Eine räumliche Szene kann dann beispielsweise rekonstruiert werden, indem zeitlich nacheinander einzelne Zeilen eines Hologramms auf dem Lichtmodulator angezeigt und in Kombination mit einer Scanner-Einheit in vertikaler Richtung aneinandergereiht werden.
Wenn man eine HPO-Kodierung und einen Lichtmodulator mit einer zweidimensionalen Anordnung von Pixeln verwendet und in jede Zeile des Lichtmodulators nicht voneinander unabhängige Werte einschreibt, sondern jeweils Gruppen von mehreren Zeilen kombiniert, so ergibt sich die Möglichkeit, den horizontal nutzbaren Beugungswinkel auf Kosten eines Verlustes an vertikaler Auflösung zu erhöhen. Eine spezielle Möglichkeit ist die kohärente Kombination mehrerer Hologrammzeilen. Bei einer Zwei-Phasenkodierung können zum Beispiel beide Phasenwerte in zwei benachbarte Zeilen des Lichtmodulators eingeschrieben werden. Dazu ist dann aber auch bei der Rekonstruktion eine kohärente Beleuchtung der jeweiligen Gruppen von Zeilen erforderlich.
Bei HPO-Hologrammen ist eine Abhängigkeit der Hologramm-Rekonstruktion vom vertikalen Beugungswinkel nicht erwünscht. Wird aber eine Gruppe von Zeilen eines Lichtmodulators kohärent beleuchtet, so entsteht ein in vertikaler Richtung unerwünschter, winkelabhängig variierender Gangunterschied zwischen den einzelnen Zeilen, während in horizontaler Richtung der Gangunterschied zwischen benachbarten Spalten für die Rekonstruktion notwendig ist, da er bei einer Phasenkodierung die Information über das zu rekonstruierende Objekt enthält. In beiden Fällen, zum Einen bei der Phasenkodierung mit mehreren Pixeln zur Repräsentation einer komplexen Zahl und zum Anderen bei der kohärenten Kombination mehrerer HPO-kodierter Lichtmodulatorzeilen tritt also das gleiche Problem auf: Zwischen den Gruppen von wenigen, einander benachbarten Pixeln tritt einerseits ein störender, winkelabhängig variierender optischer Gangunterschied auf, während andererseits der in analoger Weise entstehende optische Gangunterschied zu anderen Pixeln oder Pixelgruppen entweder nicht von Bedeutung oder für die Hologrammrekonstruktion sogar notwendig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass ein störender, winkelabhängig variierender optischer Gangunterschied zwischen benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen weitgehend vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen enthält eine Kodierfläche mit einer Anordnung von Pixeln, die in ihrer Phase steuerbar sind, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 jeweils zumindest einem vorgegebenen Pixel aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln der Kodierfläche jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines austretenden Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Schichtdicke der Verzögerungsschicht derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes zwischen einzelnen Pixeln einer Pixelgruppe entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
Die bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht ist im Bereich der Kodierfläche eingebracht, wobei die Verzögerungsschicht vor und/oder nach der Kodierfläche vorzugsweise in engem Kontakt mit den Pixeln angeordnet sein kann. Die Anordnung der Pixel kann dabei eindimensional streifenförmig oder zweidimensional flächig in Bezug zur Kodierfläche ausgebildet sein.
Die Kodierfläche kann sowohl als eine biegeelastische als auch eine starre Schicht ausgebildet sein.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mit mindestens einer auf beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche angebrachten Ausrichtungsschicht in Verbindung stehen.
Die Kodierfläche kann eine ebene Flüssigkristall-Schicht sein.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mindestens einer auf beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche angebrachten Schaltelemente- Schicht zur Steuerung der Pixel zugeordnet sein.
Die Schaltelementeschicht kann eine Elektrodenschicht darstellen.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mit mindestens einer Trägerschicht in Verbindung stehen.
Die Kodierfläche der Lichtmodulatoren kann auch aus einer Anordnung von mikrofluidischen Tröpfchenpixeln bestehen, die unter Wirkung eines elektrischen Feldes manipuliert werden können, wobei die Lichtmodulatoren als Electrowetting- Phasenmodulatoren ausgebildet sein können.
Die Trägerschicht kann als flexible Schicht, insbesondere aus Kunststoff, oder als eine starre Kunststoff- oder Glasschicht ausgebildet sein.
Die Verzögerungsschicht kann zwischen Elektroden und der Trägerschicht auf der Innenseitenfläche der Trägerschicht oder auf der Außenseitenfläche der Trägerschicht angebracht sein.
Der Lichtmodulator kann aufweisen - eine die Anordnung von Pixeln enthaltende Kodierfläche,
- wahlweise eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche angebrachte Ausrichtungsschicht,
- mindestens eine auf den beiden angrenzenden erneut freien Seitenflächen angebrachte Elektrodenschicht zur Steuerung der Pixel und
- mindestens eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden nachfolgend freien Seitenflächen angebrachte Trägerschicht, wodurch eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Pixeln auf der Kodierfläche vorhanden sein kann, die über an die Elektrodenschichten anlegbare Potentiale steuerbar sind, und wobei zwischen mindestens einer der Elektrodenschichten und der der Elektrodenschicht benachbarten Trägerschicht eine strukturierte Verzögerungsschicht eingebracht ist.
Bei diesem Lichtmodulator können zwischen den Elektrodenschichten und den Trägerschichten wahlweise einseitig oder beidseitig zur ebenen Kodierfläche strukturierte Verzögerungsschichten angebracht sein.
Zur Ansteuerung der Kodierfläche, z.B. in Form einer Flüssigkristall-Schicht oder Tröpfchenpixel-Schicht, können die Elektroden und die Ausrichtungsschichten zur Ansteuerung und Orientierung der Pixel auf der oder den Verzögerungsschichten an der der Flüssigkristall-Schicht oder der Tröpfchenpixei-Schicht zugewandten Seite aufgebracht sein.
Zwischen einer Elektrode und den Verzögerungsschichten kann sich auf der Seitenfläche der nach den Pixeln austretenden Lichtstrahlen eine Maske mit einer
Struktur befinden, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen ein
Durchgang der einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen durch zwei unterschiedlich ausgebildete, beidseitig der Kodierfläche sich gegenüberliegend angeordnete Verzögerungsschichten erfolgt. Die zugehörigen Maskenöffnungen sind an den Stellen vorgesehen, an denen gleich ausgebildete
Verzögerungsschichten vor und/oder hinter der Kodierfläche von einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen durchlaufen werden können. Die Strukturabmessungen der strukturierten Verzögerungsschichten können weitgehend der Ausdehnung einer aus mehreren Pixeln bestehenden Pixelgruppe entsprechen. Die Pixel der Pixelgruppe sind dabei häufig so angeordnet, dass die Strukturierung der Verzögerungsschichten nur in einer Dimension erfolgen muss.
Im Folgenden wird die strukturierte Verzögerungsschicht am Beispiel einer Pixelgruppe aus zwei Pixeln beschrieben. Im Allgemeinen ist aber eine Strukturierung auch für Pixelgruppen aus mehr als zwei Pixeln durchführbar.
Bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile in je zwei Pixeln eine komplexe Zahl zu kodieren, können beispielsweise die strukturierten Verzögerungsschichten eine spaltenförmige Anordnung von der Höhe des Lichtmodulators und der Breite aufweisen, die ungefähr den Abmessungen der Pixel entspricht.
Die strukturierten Verzögerungsschichten können jeweils eine strukturierte Schicht eines einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien darsteilen, wobei durch Verwendung von linear polarisierten Lichtstrahlen nur der außerordentliche Strahl die Verzögerungsschicht durchläuft und wobei die doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht aufweisen.
Somit ist es zweckmäßig, dass der Lichtmodulator eingangsseitig einen Linear- Polarisator enthält.
Die jeweils auf die Pixel folgende Verzögerungsschicht bewirkt, dass schräg unter einem Winkel einfallende Lichtstrahlen durch die durch ein Pixel voneinander getrennten Pixel hindurch für den Winkel α unterschiedlich langen optischen Wege OW durchlaufen, so dass der Gangunterschied zu den jeweils benachbarten Pixein teilweise oder vollständig ausgeglichen wird.
Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass das durch die Verzögerungsschicht hindurchtretende Licht linear polarisiert ist, wobei die unterschiedliche Weglänge dadurch erreichbar ist, wenn nur der außerordentliche Strahl die Verzögerungsschicht durchläuft, wobei die lineare Polarisierung mittels einer Lichtquelle, die wie ein Laser, polarisiertes Licht erzeugt, oder durch den Linear- Polarisator auf der Eingangsseite des Lichtmodulators erreicht werden kann.
Die Änderung des optischen Weges OW für den Winkel α ist relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel αo bezogen, wobei für den Referenzwinkel α0 die Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in die Pixel einer Gruppe kompensiert werden.
Die unterschiedlichen Verzögerungsschichten können vor den beiden benachbarten Pixeln der Gruppen angebracht sein, wobei Licht von einem Pixel der Gruppe relativ zum Referenzwinkel αo einen längeren optischen Weg und Licht vor dem anderen Pixel relativ zum Referenzwinkel α0 einen kürzeren optischen Weg aufweisen, da die Verzögerungsschichten unterschiedliche Eigenschaften haben.
Für die benachbarten Verzögerungsschichten kann gleiches doppelbrechendes Material, aber mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse eingesetzt sein, damit in einem FaM der optische Weg OW in der einen Verzögerungsschicht mit dem Winkel αn zunimmt und im anderen Fall der optische Weg OW in der benachbarten Verzögerungsschicht mit dem Winkel αn abnimmt oder umgekehrt.
Die Verzögerungsschichten können alternativ dazu mit unterschiedlichen doppelbrechenden Materialien versehen sein.
Zur Verringerung der Schichtdicke d können die Verzögerungsschichten in mehrere Teile aufgeteilt sein, die in unterschiedlicher Position angeordnet sind, beispielsweise in zwei Hälften, die zu den beiden ebenen Seitenflächen der Kodierfläche angeordnet sind.
Die Verzögerungsschichten können auch aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten zusammengesetzt sein. Diese können auch durch Zwischenschichten verbunden sein, zum Beispiel durch Klebstoffschichten. Eine solche Aufteilung kann beispielsweise die Herstellung erleichtern. In ihrer Funktion als Verzögerungsschicht wirken die übereinander liegenden Teilschichten jeweils wie eine einzelne Verzögerungsschicht. Im Folgenden wird für diese Fälle allgemein der Begriff Verzögerungsschicht benutzt.
Die Verzögerungsschichten können sich z.B. im Fall eines Flüssigkristall-Modulators in unmittelbarer Nähe zur Flüssigkristall-Schicht innerhalb der Glasschichten befinden. Grundsätzlich ist der Einsatz strukturierter Verzögerungsschichten aber in verschiedenen Typen von Lichtmodulatoren, vorzugsweise Phasenmodulatoren, möglich.
Der Lichtmodulator kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die strukturierten Verzögerungsschichten bei Verwendung einer die Anordnung von Pixeln darstellenden Mikrospiegel-Feldanordnung, insbesondere einer Tip-Spiegel- Feldanordnung für Phasenmodulation, vorgesehen sind, wobei die strukturierten Verzögerungsschichten abwechselnd auf benachbarte Mikrospiegel bzw. Spalten von Mikrospiegeln der Mikrospiegel-Feldanordnung aufgebracht sind.
Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators in einem Längsschnitt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler Richtung eines herkömmlichen Lichtmodulators mit auftretenden Gangunterschieden der von benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen ausgehenden Lichtstrahlen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler Richtung eines Lichtmodulators mit Verzögerungsschichten an zwei Pixeln zur Kompensation des auftretenden Gangunterschiedes der von den Pixeln ausgehenden Lichtstrahlen, wobei die Verzögerungsschichten gleiche optische Eigenschaften aufweisen, Fig. 4 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler
Richtung eines Lichtmodulators mit Verzögerungsschichten an vier Pixeln zur Kompensation des auftretenden Gangunterschiedes der von den Pixeln ausgehenden Lichtstrahlen, wobei die jeweils benachbarten Verzögerungs- schichten unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Winkelabhängigkeit des Brechungsindex bei einem doppelbrechenden Material anhand eines Brechungsindex- ellipsoids,
Fig. 6 Brechungsindex-Winkel-Diagramme für doppelbrechendes Material, wobei Fig. 6a den Brechungsindex n in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse und
Fig. 6b die Brechungsindexänderung Δn für eine kleine Winkeländerung ΔΘ in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse,
Fig. 7 eine Darstellung der Winkeländerung im doppelbrechenden Material relativ zur Winkeländerung in Luft,
Fig. 8 eine strukturierte Verzögerungsschicht aus einem doppelbrechenden Material mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse und
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Aufspaltung der Verzögerungsschicht in zwei Teilschichten zu beiden Seiten einer Kodierfläche in Form einer Flüssigkristalϊ-Schicht mit eingefügter Maske.
In Fig. 1 ist beispielhaft eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators 1 gezeigt, der aus
- einer Flüssigkristall-Schicht 2, - einer auf beiden angrenzenden Seitenflächen der Flüssigkristall-Schicht 2 angebrachten Ausrichtungsschicht 3, 4,
- einer auf den beiden angrenzenden erneut freien Seitenflächen angebrachten Elektrodenschicht 5, 6 und - einer auf den beiden angrenzenden nachfolgend freien Seitenflächen angebrachten Glasschicht 7, 8 besteht, wodurch eine zweidimensionale Anordnung von Pixeln 13, 14 entsteht, die über an die Elektrodenschichten 5, 6 anlegbare Potentiale in transmittiver Amplitude oder Phase steuerbar sind.
Erfindungsgemäß ist zumindest zwischen einer der Elektrodenschichten 5, 6 und der der Elektrodenschicht 5, 6 gegenüberliegenden Glasschicht 7, 8 eine strukturierte Verzögerungsschicht 9, 10, 11 , 12 eingebracht, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden linear polarisierten Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Dicke der Verzögerungsschicht 9, 10, 11 , 12 derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht 9, 10, 11 , 12 der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes zwischen einzelnen Pixeln 13, 14 einer Pixelgruppe 15 entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes 20, 21 zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
Zwischen den Elektrodenschichten 5, 6 und den Glasschichten 7, 8 kann beidseitig zur Flüssigkristall-Schicht 2 eine strukturierte Verzögerungsschicht 9, 11 und 10, 12 eingebracht sein.
Zur Ansteuerung der Flüssigkristall-Schicht 2 sind die Elektroden 5, 6 und die Ausrichtungsschichten 3, 4 zur Ansteuerung und Orientierung der Flüssigkristallpixe! 13, 14 auf den Verzögerungsschichten 9, 11 und 10, 12 an der der Flüssigkristall- Schicht 2 zugewandten Seite und nicht direkt auf einer Glasschicht 7 oder 8 aufgebracht, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Des Weiteren kann sich zwischen der Elektrode 6 und der Verzögerungsschicht 10, 12 eine Maske 19 mit einer Struktur befinden, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen die Lichtstrahlen die Nachbarschaftsgrenze zwischen den Verzögerungsschichten, z.B. 12, 10 überschreiten.
Die Strukturbreite der strukturierten Verzögerungsschicht 9, 10, 11 , 12 kann in etwa der Ausdehnung einer Pixelgruppe 15 entsprechen. Bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile je eine komplexe Zahl zu kodieren, kann die strukturierte Verzögerungsschicht 9, 10, 11 , 12 eine spaltenförmige Anordnung von ungefähr den Abmessungen der Pixel 13, 14 aufweisen.
Die Verzögerungsschichten 9, 10, 11 , 12 können aus einem einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien bestehen, wobei bei optisch doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht auftreten.
Zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lichtmodulators 1 wird Folgendes anhand der Fig. 2 bis Fig. 9 näher erläutert:
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung vier Pixel 131 , 132, 141 , 142 eines herkömmlichen Lichtmodulators, die zu zwei Pixelgruppen 151 , 152 mit je zwei Pixeln 131 , 132; 141 , 142 angeordnet sind. Die Pixel 131 und 132 sowie die Pixei 141 und 142 repräsentieren beispielsweise je eine komplexe Zahl in einer Zwei- Phasenkodierung. Die einfallenden Lichtstrahlen treten unter einem Winkel α durch die Pixel 131 , 132, 141 , 142 hindurch.
Zwischen dem Pixel 131 und dem Pixel 132 sowie zwischen dem Pixel 141 und dem Pixel 142 entsteht jeweils nach Durchgang der Strahlen ein unerwünschter Gangunterschied 20, 21 , während der Gangunterschied 22 zwischen Pixelgruppe 151 relativ zu Pixelgruppe 152 erwünscht ist.
Fig.3 zeigt erfindungsgemäß eine jeweils auf die Pixel 131 und 141 aufgebrachte Verzögerungsschicht 101 , 102, die bewirkt, dass die Lichtstrahlen durch die Pixei 131 und 141 für den Winkel α einen längeren optischen Weg OW durchlaufen, so dass der Gangunterschied 20, 21 zu Pixel 132 beziehungsweise 142 teilweise oder vollständig ausgeglichen wird. Entscheidend ist dabei nur die Änderung des optischen Weges OW für den Winkel α relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel αo (nicht eingezeichnet). Für den Referenzwinkel αo können Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in diesem Fall eines der beiden Pixel einer Gruppe kompensiert werden.
Ein praktischer Nachteil der Pixel-Anordnung in Fig. 3 ist es, dass Verzögerungs- schichten unterschiedlicher Schichtdicken d vor den einzelnen Pixeln aufgebracht sind.
Eine demgegenüber vorteilhafte Anordnung, wie in Fig. 4 gezeigt, nutzt zwei unterschiedliche Verzögerungsschichten 102, 121 und 102, 122 gleicher Schichtdicken vor den beiden Pixeln 131 , 132 und 141 , 142 der Gruppen 151 , 152, wobei das Licht von Pixel 131 relativ zum Referenzwinkel α0 einen längeren optischen Weg OW und Licht von Pixel 132 relativ zum Referenzwinkel α0 einen kürzeren optischen Weg OW zurücklegt, da die Verzögerungsschichten 101 , 102 gegenüber den Verzögerungsschichten 121 , 122 für diesen Winkel unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen.
Die Fig. 5 zeigt schematisch die Abhängigkeit des Brechungsindex vom Winkel des durchtretenden Lichtes bei einem doppelbrechenden Material, wenn die optische Achse 16 parallel zum außerordentlichen Brechungsindex n2 verläuft.
Die Winkelabhängigkeit des Brechungsindex wird durch folgende Gleichung beschrieben:
n(Θ) = n1 * n2 / sqrt ( n12 cos2 Θ + n22 sin 2 Θ) (I),
wobei n1 der ordentliche Brechungsindex und n2 der außerordentliche Brechungsindex ist, die beide senkrecht zueinander gerichtet sind, und Θ den Winkel eines Lichtstrahls relativ zur optischen Achse 16 des doppelbrechenden Materials darstellt. Dabei stellen die beiden Brechungsindizes n1 und n2 ein sogenanntes Brechungsindexellipsoid 17 dar.
In den beiden Fig. 6a und 6b sind Brechungsindex-Winkel-Diagramme für doppelbrechendes Material angegeben, wobei Fig. 6a den Brechungsindex n in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse und Fig. 6b die Brechungsindexänderung Δn für eine kleine Winkeländerung ΔΘ in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse zeigen. Die Fig. 6a zeigt als Grafik die Änderung des Brechungsindex n mit einer Winkeländerung als Beispiel für ein Material mit Brechungsindex n zwischen n1=1 ,5 und n2 = 1 ,75. Dabei tritt für einen bestimmten Winkel Θ schräg zur optischen Achse 16 eine maximale Änderung Δn auf, wobei in der Umgebung des bestimmten Winkels Θ die Änderung Δn näherungsweise linear zum Winkel Θ verläuft.
Die Nutzung des Winkelbereiches Θ nahe der maximalen Änderung ist vorteilhaft, weil dann die in Fig. 7 gezeigte Schichtdicke d der Verzögerungsschicht 101 , die benötigt wird, um die bestimmten Gangunterschiede 20, 21 auszugleichen, geringer wird. Die Nutzung in dem Bereich annähernd linearer Änderung des Brechungsindex mit dem Winkel Θ ist ebenfalls vorteilhaft, da die Gang unterschiede 20, 21 , die kompensiert werden sollen, sich mit dem Sinus des Winkels Θ ändern, und der Sinus für kleine Winkel ebenfalls näherungsweise linear verläuft. Durch das ähnliche Winkelverhalten kann also ein großer Teil der Gangunterschiede 20, 21 kompensiert werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird bei der Berechnung der zur Kompensation nötigen Schichtdicke d der Verzögerungsschicht 101 berücksichtigt, dass zwischen der zur Kompensation verwendeten Verzögerungsschicht 101 und dem Betrachter des Lichtmodulators 1 noch ein Übergang der Lichtstrahlen 18 von einem optischen Material mit einem Brechungsindex n mit n>1 zu Luft erfolgt, so dass die Winkeländerungen αn in der Verzögerungsschicht 101 mit den äußeren Winkeländerungen α, aus denen sich der Gangunterschied errechnet, über das Brechungsgesetz verbunden sind.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, bewirkt die Verwendung des gleichen doppelbrechenden Materials, aber mit unterschiedlicher Orientierung 161 , 162 der optischen Achse 16, dass in einem Fall der optische Weg OW in der Verzögerungsschicht 101 mit dem Winkel αn zunimmt und im anderen Fall der optische Weg OW in der Verzögerungsschicht 121 mit dem Winkel αn abnimmt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ergeben sich für den optischen Weg OW durch die Verzögerungsschicht 101 hindurch folgende Ausdrücke:
für den Strahl 180 ist der optische Weg OW18O = d*n(Θ) und für den Strahl 181 ist der optische Weg OW18i = d*n(Θ + αn)/cos αn.
Der optische Weg OW durch die Verzögerungsschicht 121 hindurch beträgt für den Strahl 180 OW180 = d*n(Θ) und für den Strahl 181 OW181 = d*n(Θ - αn)/cos αn.
Dies ist eine spezielle Realisierung des bereits in Fig. 4 gezeigten Prinzips der Verwendung gleicher doppelbrechender Materialien mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse. Generell können aber auch unterschiedliche doppelbrechende Materialien für die Verzögerungsschichten 101 , 102; 121 ,122; 9, 10, 11 , 12 vorgesehen sein.
Um die Schichtdicke d der Verzögerungsschichten 101 , 102; 121 , 122 weiter zu reduzieren, kann, wie in Fig. 9 gezeigt ist, im Falle eines transmissiven Modulators eine Aufspaltung der Verzögerungsschichten 101 , 121 in zwei Teile 9, 10 und 11 , 12 durchgeführt werden, die zu beiden ebenen Seitenflächen der Flüssigkristall-Schicht 2 angeordnet sind.
Zusätzlich verbessernd kann eine absorbierende Maske 19 auf der Verzögerungsschicht 10, 12 aufgebracht sein, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen 182 ein Durchgang der einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen 182 durch zwei unterschiedlich ausgebildete, beidseitig der Kodierfläche 2 sich gegenüberliegend angeordnete Verzögerungsschichten 11 , 10 erfolgt. Die zugehörigen Maskenöffnungen 23, 24 sind an den Stellen vorgesehen, an denen gleich ausgebildete Verzögerungsschichten 9,10 und 11 ,12 vor und/oder hinter der Kodierfläche 2 von einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen 181 durchlaufen werden können. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Dabei kann die Maske 19 zwischen den Verzögerungsschichten 10, 12 und den Pixeln 13, 14 angeordnet sein. Der geneigt gezeichnete Strahl 182 in Fig. 9 wird durch die Maske 19 absorbiert. Die Verzögerungsschichten 9, 10, 11, 12 befinden hier sich in unmittelbarer Nähe zur Kodierfläche, in diesem Fall zur Flüssigkristall-Schicht 2, also bei einem herkömmlichen Display innerhalb der Glasschichten 7, 8. Der in Fig. 7 dargestellte Übergang erfolgt dann nicht direkt zwischen der Verzögerungsschicht 101 und Luft, sondern an einer anderen Stelle zwischen Glas 7 oder 8 und Luft.
Die am Beispiel eines transmissiven Flüssigkristallmodulators getroffenen Aussagen gelten sinngemäß auch für die anderen eingangs genannten Modulatoren, wobei allerdings zu berücksichtigen ist, dass bei einem reflektiven Modulator alle Schichten von den Lichtstrahlen zweimal unter unterschiedlichen Winkeln durchlaufen werden.
Bezugszeichenliste
1 Lichtmodulator
2 Kodierfläche
3 erste Ausrichtungsschicht 4 zweite Ausrichtungsschicht
5 erste Elektrode
6 zweite Elektrode
7 erste Trägerschicht
8 zweite Trägerschicht 9 erste Verzögerungsschicht
10 zweite Verzögerungsschicht
101 Verzögerungsschicht
102 Verzögerungsschicht
11 dritte Verzögerungsschicht 12 vierte Verzögerungsschicht
13 erstes Pixel
131 Pixel
132 Pixel
14 zweites Pixel 141 Pixel
142 Pixel
15 Pixelgruppe
151 Pixelgruppe
152 Pixelgruppe 16 optische Achse
161 erste Orientierung der optischen Achse
162 zweite Orientierung der optischen Achse
17 ßrechungsindexellipsoid
18 Lichtstrahl 180 Lichtstrahl
181 Lichtstrahl
182 absorbierter Lichtstrahl
19 Maske
20 erster Gangunterschied 21 zweiter Gangunterschied
22 Gangunterschied
23 Maskenöffnung
24 Maskenöffnung Θ Winkel eines Lichtstrahls relativ zur optischen Achse n Brechungsindex n1 ordentlicher Brechungsindex n2 außerordentlicher Brechungsindex α Winkel Cf0 Referenzwinkel απ Winkel d Schichtdicke einer Verzögerungsschicht

Claims

Patentansprüche
1. Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche (2) mit einer Anordnung von Pixeln (131 , 132, 141 , 142; 13, 14), die in ihrer Phase steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest einem vorgegebenen Pixel (131 , 132; 141 , 142; 13, 14) aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln (151 , 152; 15) der Kodierfläche (2) jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden linear polarisierten Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Schichtdicke (d) der Verzögerungsschicht (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes (20, 21 ) zwischen einzelnen Pixeln (131 , 132, 141 , 142; 13, 14) der Pixelgruppe (151 , 152; 15) entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes (20, 21) zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
2. Lichtmodulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) im Bereich der Kodierfläche (2) eingebracht ist, wobei die Verzögerungsschicht (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) vor und/oder nach der Kodierfläche (2), vorzugsweise in engem Kontakt mit den Pixeln (131 , 132, 141 , 142; 13, 14) angeordnet ist.
3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Pixel (131 , 132, 141 , 142; 13, 14) eindimensional streifenförmig oder zweidimensional in Bezug zur Kodierfläche (2) ausgebildet ist.
4. Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (2) als eine biegeelastische oder als eine starre Schicht ausgebildet ist.
5. Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mit mindestens einer auf beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche (2) angebrachten Ausrichtungsschicht (3, 4) .in Verbindung steht.
6. Lichtmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (2) eine ebene Flüssigkristall-Schicht ist.
7. Lichtmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (2) der Lichtmodulatoren (1) aus einer Anordnung von mikrofluidischen
Tröpfchenpixel besteht, die unter Wirkung eines elektrischen Feldes manipulierbar sind, wobei der Lichtmodulator (1) als Electrowetting-Phasenmodulator ausgebildet ist.
8. Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mindestens einer, auf beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche (2) angebrachten Schaltelementeschicht (5, 6) zur Steuerung der Pixel (13, 14) zugeordnet ist.
9. Lichtmodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelementeschicht (5, 6) eine Elektrodenschicht darstellt.
10. Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mit mindestens einer Trägerschicht (7, 8) in Verbindung steht.
11. Lichtmodulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (7, 8) als flexible Schicht aus Kunststoff oder als eine starre Kunststoff- oder Glasschicht ausgebildet ist
12. Lichtmodulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschicht (9, 11 ; 10, 12) zwischen Elektroden (5, 6) und einer Trägerschicht (7, 8) auf der Innenseitenfläche der Trägerschicht (7, 8) oder auf der Außenseitenfläche der Trägerschicht (7, 8) angebracht ist.
13. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist
- die die Anordnung von Pixeln (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2), - wahlweise eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden Seitenflächen der Kodierfläche (2) angebrachte Ausrichtungsschicht (3, 4),
- mindestens eine auf den beiden angrenzenden erneut freien Seitenflächen angebrachte Elektrodenschicht (5, 6) zur Steuerung der Pixel (13,14) und - mindestens eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden nachfolgend freien Seitenflächen angebrachte Trägerschicht (7, 8), wodurch eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Pixeln (13, 14) vorhanden ist, die über an die Elektrodenschichten (5, 6) anlegbare Potentiale steuerbar sind, und wobei zwischen mindestens einer der Elektrodenschichten (5, 6) und der der Elektrodenschicht (5, 6) benachbarten Trägerschicht (7, 8) eine strukturierte Verzögerungsschicht (9, 10, 11 , 12) eingebracht ist.
14. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektrodenschichten (5, 6) und den Trägerschichten (7, 8) beidseitig zur ebenen Kodierfläche (2) strukturierte Verzögerungsschichten (9, 11 ; 10, 12) angebracht sind.
15. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Kodierfläche (2) die Elektroden (5, 6) und die Ausrichtungsschichten (3, 4) zur Ansteuerung und Orientierung der Pixel (13, 14) auf den Verzögerungsschichten (9, 11 ; 10, 12) an der der Kodierfläche (2) zugewandten Seitenfläche aufgebracht sind.
16. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Elektrode (6) und den
Verzögerungsschichten (10, 12) auf der Seite der nach den Pixeln (13, 14) austretenden Lichtstrahlen eine Maske (19) mit einer Struktur befindet, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen (182) ein Durchgang der einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen (182) durch zwei unterschiedlich ausgebildete, beidseitig der Kodierfläche (2) sich gegenüberliegend angeordnete Verzögerungsschichten (11 , 10; 9, 12) erfolgt und die zugehörigen Maskenöffnungen (23, 24) an den Stellen vorgesehen sind, an denen gleich ausgebildete Verzögerungsschichten (9, 10) und (11 , 12) vor und/oder hinter der Kodierfläche (2) von einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen (181) durchlaufen werden.
17. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturbreite der strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11 , 12) weitgehend der Ausdehnung einer aus mehreren Pixeln (13, 14; 131 , 132; 141 , 142) bestehenden Pixelgruppe (15; 151 ; 152) entspricht.
18. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile je eine komplexe Zahl zu kodieren, die strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11 , 12) eine spaltenförmige Anordnung von der Größe aufweisen, die ungefähr den Abmessungen der Pixel (13, 14) entspricht.
19. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11 , 12) jeweils eine strukturierte Schicht eines einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien darstellen, wobei durch Verwendung von linear polarisierten Lichtstrahlen (181) nur der außerordentliche Strahl die Verzögerungsschicht (9, 10, 11 , 12) durchläuft und wobei bei doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht auftreten.
20. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils auf die Pixel (131 , 141) folgende Verzögerungsschicht (101 , 102) bewirkt, dass schräg unter einem Winkel einfallende Lichtstrahlen durch die durch ein Pixel (132) voneinander getrennten Pixel (131 , 141) hindurch für den Winkel (α) unterschiedlich lange optischen Wege (OW) durchlaufen, so dass der Gangunterschied (20, 21) zu den jeweils benachbarten Pixeln (132) teilweise oder vollständig ausgeglichen wird.
21. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verzögerungsschicht {101 , 102) hindurchtretenden Lichtstrahlen linear polarisiert sind, wobei die Verzögerung dadurch erreichbar ist, wenn nur der außerordentliche Strahl die Verzögerungsschicht durchläuft und mittels einer Lichtquelle, die polarisiertes Licht erzeugt, oder durch den Linear-Polarisator auf der Eingangsseite des Lichtmodulators (1) erzeugt wird..
22. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des optischen Weges (OW) für den
Winkel (α) relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel (α0) bezogen ist, wobei für den Referenzwinkel (α0) die Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in eines der beiden Pixel (131 , 132; 141 , 142; 13, 14) einer Gruppe {151 ; 152; 15) kompensiert werden.
23. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedliche Verzögerungsschichten (101 , 121 ; 102, 122) vor den beiden benachbarten Pixeln (131 , 132; 141 , 142) der Gruppen (151 , 152) angebracht sind, wobei Lichtstrahlen von einem Pixel (131) der Gruppe relativ zum Referenzwinkel (α0) einen längeren optischen Weg und Lichtstrahlen vor dem anderen Pixel (132) relativ zum Referenzwinkel (c-o) einen kürzeren optischen Weg aufweisen, da die Verzögerungsschichten (101 , 102) gegenüber den Verzögerungsschichten (121 , 122) unterschiedliche Eigenschaften haben.
24. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die benachbarten Verzögerungsschichten (101 , 102, 121 , 122; 9, 10, 11 , 12) gleiches doppelbrechendes Material, aber mit unterschiedlicher Orientierung (161 , 162) der optischen Achse (16) eingesetzt ist, damit in einem Fall der optische Weg (OW) in der einen Verzögerungsschicht (101) mit dem Winkel (αn) zunimmt und im anderen Fall der optische Weg (OW) in der benachbarten Verzögerungsschicht (121) mit dem Winkel (αn) abnimmt oder umgekehrt.
25. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschichten (101 , 102, 121 , 122, 9h 10, 11 , 12) mit unterschiedlichen doppelbrechenden Materialien versehen sind.
26. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Schichtdicke (d) die nur auf einer Seite befindlichen Verzögerungsschichten (101 , 102, 121 , 122) in zweiteilige Verzögerungsschichten (9, 10; 11 , 12) aufgespaltet sind, die zu beiden ebenen Seitenflächen der Kodierfläche (2) angeordnet sind.
27. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verzögerungsschichten (9, 10, 11 , 12) in unmittelbarer Nähe zur Kodierfläche (2) innerhalb der Glasschichten (7, 8) oder außerhalb derselben befinden.
28. Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Verzögerungsschichten bei Verwendung einer eine Anordnung von Pixeln darstellenden Mikrospiegel- Feldanordnung, insbesondere einer Tip-Spiegel-Feldanordnung für Phasenmodulation, vorgesehen sind, wobei die strukturierten Verzögerungsschichten abwechselnd auf benachbarte Spalten von MikroSpiegeln der Mikrospiegel-Feldanordnung aufgebracht sind.
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