WO2010084200A1 - Einrichtung zur amplitudenmodulation - Google Patents

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WO2010084200A1
WO2010084200A1 PCT/EP2010/050837 EP2010050837W WO2010084200A1 WO 2010084200 A1 WO2010084200 A1 WO 2010084200A1 EP 2010050837 W EP2010050837 W EP 2010050837W WO 2010084200 A1 WO2010084200 A1 WO 2010084200A1
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modulation
cell
amplitude
phase
chamber
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PCT/EP2010/050837
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Stephan Reichelt
Steffen Buschbeck
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Seereal Technologies S.A.
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    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/60—Multiple SLMs

Definitions

  • the invention relates to a device for the spatial modulation of the amplitude of
  • Electrowetting cells are arranged in a matrix.
  • An electrowetting cell each has a chamber with transparent covering means, which include three transparent fluids in the chamber and two controllable interfaces formed as a plane plate, wherein with a control means and the EW ZeIIe connected electrodes control tilting of the plane-parallel plate.
  • Fields of application of the invention are modulation devices in which a rapid modulation of the amplitude of incident interfering light is necessary.
  • the invention can be used for complex modulation.
  • Such modulation means are used for coherent light e.g. needed in a holographic display to display 3D objects.
  • the electrowetting technology allows the position and / or shape of the interface between two immiscible fluids within a microvial to be changed.
  • the fluids have a different refractive index and one of the fluids is electrically conductive and thus controllable by electrodes.
  • the microcontainer with the fluids is known as the electrowetting cell (EW cell).
  • a fluid may be a liquid, a gel or a gaseous medium.
  • liquids are preferably used as fluids.
  • the liquids may e.g. Oil and water or any other combinations.
  • all three may be different or two equal fluids may include a third.
  • a liquid can also be replaced by another fluid.
  • EW cells can form a matrix-like arrangement in any number and as
  • Advantages are their fast switching times in the kHz range for modulation of phase and amplitude of light to use. With appropriate formation of the EW cells, phase and amplitude can be modulated together as complex values.
  • the central fluid forms a plane plate when actuated.
  • the two interfaces between the different liquids which define the plane plate are tilted parallel to one another by the predetermined control values of an electrical voltage provided by the control. Tilting the plane plate by setting equal tilt angles at the two interfaces increases the optical path of the light beam in the EW cell.
  • the interference-capable light bundle passes through the EW cell as a plane wavefront. In this way, a phase modulator is realized which alters the phase of the light as a function of the tilt of the two interfaces or the plane plate.
  • a plane-parallel plate in a Fabry-Perot interferometer usually consists of two glass or quartz plates, between which a plane-parallel air plate is formed.
  • the mutually facing surfaces of the plates are permeable mirrored and aligned exactly parallel to each other.
  • a light beam entering the first plate is reflected several times between the plates before leaving the second plate.
  • the emerging light beam has interference patterns.
  • Similar interference phenomena as in the case of the air plate are provided by a transparent mirrored glass or quartz plate on both sides. Absolute determinations of wavelengths can not be made with this plate. However, the accurate determination of small wavelength differences is possible.
  • This property of the Fabry-Perot interferometer for determining small wavelength differences should be used according to the invention for the modulation of light in an EW cell.
  • the object of the invention is to provide a modulation device based on electrowetting cells, which allows using a plane-parallel plate, the modulation of the phase or amplitude or a complex modulation of planar wavefronts without much effort.
  • the solution according to the invention is based on a device for light modulation based on a Fabry-Perot interferometer.
  • the device has, for the amplitude modulation of light, matrix-arranged electrowetting cells in each of which an electrowetting cell (EW cell) contains a chamber with transparent covering means and is connected to a control means and controllable electrodes.
  • the transparent cover means include three transparent fluids in the chamber and two controllable interfaces formed as a plano plate, the cover means having a partially transparent coating which multiply reflects an incident light beam within the chamber, the driven electrodes for the plane-parallel plate setting an angle of inclination realized for the reflected light beam depending on the driving a path length difference.
  • the multiple reflections create multi-beam interferences within the chamber.
  • the light bundle incident into the chamber strikes a plane plate which can be tilted under control with a variably adjustable voltage difference and sets an optical path length for the multiply reflected light bundle which is within half the wavelength of the light used.
  • This implements the principle of the Fabry-Perot interferometer in an EW cell.
  • the control means arbitrary phase values for the light beam passing through the chamber, which then supply a corresponding amplitude value for amplitude modulation. These phase values produce a phase offset of the amplitude-modulated light beam, but this does not affect the amplitude modulation.
  • the amplitude modulating EW cell in the light path of the light beam is serially combined with an EW cell which has a chamber with transparent covering means and modulates the phase of the light beam.
  • the relative phase offset occurring in the amplitude-modulating EW cell, which interferes with the complex modulation, is compensated by the phase-modulating EW cell.
  • the compensation takes place by way of example in that the control means integrates the relative phase offset into the voltage difference of the driving electrodes to be set.
  • the monochrome light beams are modulated in succession for each color in a complex manner.
  • the fluids which enclose the plane plate are identical in their optical properties.
  • An EW cell according to the invention can also be used as an optically variable wavelength-selective filter.
  • the EW cell may optionally be designed to be transmissive or reflective.
  • a display device for displaying two-dimensional stereo images can be realized in a further embodiment of the invention with a device according to at least one of the subclaims.
  • the advantages of the invention are as follows: When the EW cells according to the invention are formed as an array, it is possible to realize a fast switching amplitude modulator. In combination with an array of identical three-phase phase-change EW cells, a sandwich arrangement can be created to modulate complex values. The identical EW cells are advantageous for the manufacturing process.
  • phase-modulating arrangements may be combined with the modulation means of the invention.
  • the designed as an amplitude modulator device can also be used as a normal 2D display display. Compared to a LC display, the display of the invention can switch much faster. In conjunction with a strongly scattering film on the display surface, the angular range of the emitted light can be increased.
  • a further advantageous embodiment of the EW ZeIIe invention is that it can also be used as a single element in the form of an optically variable filter.
  • Fig. 1 an inventive electrowetting cell (EW ZeIIe) with three
  • Fig. 2 shows the initial position of the plane plate of EW-ZeIIe of FIG. 1 with an incident light beam
  • Fig. 3 is a tilt of the plane plate of FIG. 2 and the resulting course of the light beam.
  • the invention is based on the principle of the optical effect of a plane plate: by tilting the plane plate, an interference-capable light bundle passing through the EW element obtains a phase shift of ⁇ (see FIG. 3) as a function of the predetermined thickness of the plane plate and the tilt angle v.
  • the tilt can be performed variably with different tilt angles Y, whereby variable phase shifts ⁇ of incident light beams can be realized.
  • Tilting is performed by changing the contact angles, which are normally 90 ° between the interface of two immiscible liquids and the sidewalls of the chamber of the EW cell. In the case of three liquids, both contact angles for both boundary surfaces must be set equal in terms of magnitude, since the surfaces of the plane plate must remain parallel even when tilted.
  • the electrowetting equation or calibration indicates the macroscopic contact or wetting angle that forms for a given material and given thickness of the dielectric when a voltage is applied between the conductive liquid and the dielectrically isolated electrode.
  • the chamber of the EW cell here preferably has a quadrangular cross-section.
  • the arrow to the left of the EW row indicates the light incident direction.
  • Fig. 1 shows an EW ZeIIe invention
  • the chamber contains three liquids, two of which are identical and have the refractive index ni and a Surround liquid with the refractive index ri 2 like a sandwich.
  • an electrically non-conductive liquid is enclosed by two electrically conductive liquids, eg oil between two aqueous salt solutions.
  • Control means CM set the voltage of the electrodes Ui, U 2 , U 3 and U 4 so that the boundary surfaces between each two adjacent liquids are tilted parallel to each other and a plane plate is formed.
  • the EW cell has transparent covering means AM at the light entry and light exit sides. These are provided on the inside of the EW ZeIIe with a partially transparent coating V and aligned parallel to each other.
  • each electrode can also be controlled in pairs by cross. The latter can lead to inaccuracies, however, as a result of tolerances or material inequalities, the predetermined voltage difference may be subject to errors.
  • the mirroring V of the covering means AM makes it possible to realize a Fabry-Perot interferometer in the EW cell.
  • One part of the incident light beam passes directly through the EW cell and another part is reflected several times at the cover means AM and leads to multiple interferences within the EW cell. This can be seen in FIGS. 2 and 3.
  • the part of the light beam running directly through the EW cell is drawn as a continuous arrow line, while the reflected part is shown in dashed lines.
  • Fig. 2 the plane plate can be seen in its initial position, wherein the boundary surfaces extend parallel to the fixed cover means.
  • the means for controlling the EW cell are not needed here for the sake of understanding and are therefore not shown.
  • FIG. 3 shows a tilting of the plane plate shown in FIG. 2 and the curve resulting from the tilting of a light bundle entering the EW cell.
  • the flat plate is tilted relative to its initial position in Fig. 2 by the angle 90 ° - Y. This fact can be used to make different changes in the optical spectrum for the light beam due to different tilt angles Y of the plane plate To generate path length within the EW-ZeIIe and thus to modulate the light beam in the phase ⁇ (Fig. 2).
  • the parallelism of the interfaces is maintained by the tilt.
  • the optical path length changes both in the directly passing and in the multiply reflected part of the continuous light beam.
  • the path length of the light beam in the EW cell is greater than in the starting position according to FIG. 2.
  • the light beam passes through the tilting of the plane plate with a relative phase shift by ⁇ to a light beam that is currently passing through the EW cell. This light beam is shown by a dash-dotted line.
  • a phase value is set as a reference value at which the change in the optical path length of the multiply reflected light beam for amplitude modulation is exactly half a wavelength. At this value, a destructive interference of the light beams results, which leads to the total extinction of the amplitude on exit from the EW cell. If you change the phase of the light beam that passes through the EW cell by slightly tilting the plane plate, you get a nonzero amplitude value. If the phase of the light bundle passing through the EW cell is then changed by a corresponding voltage difference at the electrodes, which are controlled by the control means CM, an amplitude value correspondingly assigned to this phase and a phase shift are obtained.
  • phase shift does not interfere with the amplitude modulation. If a plurality of amplitude-modulating EW cells are combined to form an array, a spatial amplitude modulator can be realized.
  • the phase shift follows in a three-liquid containing EW ZeIIe in which the formed plane-parallel plate has a tilt angle 90 ° - Y, no linear course, but is approximately square (see Fig. 1 (a) and (b) in the appendix). This fact leads to a widening of the central peak of the intensity and amplitude curves in the light modulation with the Fabry-Perot amplitude modulator according to the invention (compare Figures 2 (a) and (b)) and thus reduces the edge steepness.
  • the phase of the transmitted light is also modulated.
  • This can be achieved, for example, by serially assigning a phase modulator described in the prior art to the amplitude modulator.
  • Both modulators are identical except for the covering means and the structure of the amplitude modulator then corresponds to the inventive EW cell device, while in the phase modulator the covering means are transparent.
  • the control means CM integrates the value of the phase shift in the voltage difference to be set of the electrodes of the EW cell to be controlled.
  • each color must be modulated successively in a complex manner.
  • the last EW cell is to be provided with an aperture at the light exit side.
  • An EW cell may optionally be embodied as transmissive or reflective and in each case form a transmissive or reflective EW cell array with a plurality of EW cells.
  • the chamber may have a variable cross-section, for example, such that the operation curve / flank of the light modulator becomes more linear.
  • a solid, partially absorbing layer is introduced in the EW cells instead a solid, partially absorbing layer is introduced.
  • the designed as an amplitude modulator device can also be used as a normal 2D display display. Compared to a LC display, the display of EW cells according to the invention can switch much faster. In conjunction with a strongly scattering film on the surface of the display, the angular range of the emitted light can be further increased.
  • the application is not limited to just one amplitude modulator.
  • the device can also be implemented as a variable / tunable filter.
  • Modulation width / contrast can be used in combination with a phase modulator
  • transmissive + reflective also 'tailor-made' cell geometries ('variable-section' cylinders, for example, such that the operation curve / flank becomes more linear; or introducing a solid, partially-absorbing layer);
  • Application is not limited to amplitude SLM, in principle it is a variable / tunable filter, which can also be implemented as a single element.
  • Fig. A1 Typical phase profile in an EW cell (3-liquid) with a composite flat plate
  • phase shift in a 3-liquid EW cell with tiltable inner liquid does not follow a linear course, but is approximately square (FIG. A1 (a)). This fact is favorable for the proposed Fabry-Perot amplitude modulus, since this leads to a widening of the central peak of the intensity and amplitude profiles (see diagrams below) and thus the edge steepness is reduced.
  • FIG. A2 Graphical representation of the different phase progression between a standard Fabry-Perot SLM and an SLM according to the invention with EW cells with a composite plan plate according to Fabry-Perot (influence on half-width and gradient of the central maximum of the amplitude)
  • finesse F is used to characterize the resonator. It is defined as the ratio between the free spectral range and the half-width of a single peak:
  • the finesse assumes high values at high reflectivities R of the mirrors or at low attenuation in the resonator: Fig. A3: Graphic representation of a finesse compromise: A flat edge causes a reduced contrast

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Abstract

Einrichtungen zur Phasenmodulation von Lichtbündeln durch Elektrobenetzungszellen (EW-Zellen) mit einer Planplatte sind in Anmeldungen der Anmelderin beschrieben. Derartige Einrichtungen sollen für eine Amplituden- oder komplexe Modulation von kohärentem Licht nach dem Prinzip des Fabry-Perot Interferometers modifiziert werden. Jede EW-ZeIIe der Einrichtung weist eine Kammer mit drei Flüssigkeiten auf, die zwei Grenzflächen als Planplatte ausbilden. Die Grenzflächen sind durch Steuermittel (CM) über Elektroden (U1, U2, D3, U4) ansteuerbar. Die ausgebildete Planplatte kann zur Phasenmodulation variabel verkippt werden. Zur Amplitudenmodulation weisen die Abdeckmittel (AM) der Kammer eine teildurchlässige Verspiegelung (V) auf, die einfallende Lichtbündel innerhalb der Kammer mehrfach reflektieren. Die Verkippung der planparallelen Platte ist steuerbar mit einer optischen Weglänge, die innerhalb einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts liegt. Aus jeder Phasenänderung in diesem Bereich resultiert ein entsprechender Amplitudenwert. Andere Modulationsarten sind durch eine Modifizierung der Einrichtung möglich. Anwendungsgebiet ist beispielsweise ein holographisches Display.

Description

Einrichtung zur Amplitudenmodulation
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur räumlichen Modulation der Amplitude von
Wellenfronten, die Elektrobenetzungszellen enthalten, welche das Prinzip eines Fabry-Perot Interferometers nutzen. Die Elektrobenetzungszellen sind matrixförmig angeordnet. Eine Elektrobenetzungszelle (EW-ZeIIe) weist jeweils eine Kammer mit transparenten Abdeckmitteln auf, die in der Kammer drei transparente Fluide und zwei als Planplatte ausgebildete steuerbare Grenzflächen einschließen, wobei mit einem Steuermittel und der EW-ZeIIe verbundene Elektroden ein Verkippen der planparallelen Platte steuern.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Modulationseinrichtungen, bei denen eine schnelle Modulation der Amplitude von einfallendem interferenzfähigem Licht notwendig ist. In Kombination mit einer seriell geschalteten phasenmodulierenden EW-ZeIIe kann die Erfindung zur komplexen Modulation eingesetzt werden. Derartige Modulationseinrichtungen werden für kohärentes Licht z.B. in einem holographischen Display zur Darstellung von 3D-Objekten benötigt.
Die Technologie der Elektrobenetzung (engl.: electrowetting) erlaubt es, die Lage und/oder Form der Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Fluiden innerhalb eines Mikrobehälters zu verändern. Die Fluide haben eine unterschiedliche Brechzahl und eines der Fluide ist elektrisch leitend und damit durch Elektroden steuerbar.
Durch eine gezielt über äußere Elektroden und das leitende Fluid einstellbare
Spannungsdifferenz kann die Grenzfläche verändert werden. Der Mikrobehälter mit den Fluiden ist als Elektrobenetzungszelle (EW-ZeIIe) bekannt.
Ein Fluid kann eine Flüssigkeit, ein gelförmiges oder ein gasförmiges Medium sein.
Im vorliegenden Dokument werden als Fluide vorzugsweise Flüssigkeiten verwendet.
Die Flüssigkeiten können z.B. Öl und Wasser oder beliebige andere Kombinationen sein. Bei drei Flüssigkeiten können alle drei unterschiedlich sein oder zwei gleiche Flüssigkeiten können eine dritte einschließen. Eine Flüssigkeit kann auch durch ein anderes Fluid ersetzt werden.
EW-Zellen können in beliebiger Anzahl eine matrixförmige Anordnung bilden und als
Array ausgebildet ein Display zur Informationsdarstellung realisieren. Neben anderen
Vorteilen sind sie durch ihre schnellen Schaltzeiten im kHz-Bereich zur Modulation von Phase und Amplitude von Licht zu verwenden. Bei entsprechender Ausbildung der EW-Zellen können auch Phase und Amplitude zusammen als komplexe Werte moduliert werden.
Es ist bekannt, durch Nutzung einer planparallelen Platte im Lichtweg eines optischen Systems den optischen Weg eines Lichtbündels zu ändern. Durchläuft ein Lichtbündel diese planparallele Platte (Planplatte) aus fluidem Material, kann man den optischen Weg des Lichtbündels vergrößern, indem man die Planplatte um einen vorgegebenen Winkel kippt. Dadurch erhält das Lichtbündel eine Phasendifferenz in Bezug auf einen unverkippten Grundzustand. Diese Tatsache kann man in einer EW- ZeIIe mit drei Flüssigkeiten nutzen, um durch verschiedene Kippwinkel der Planplatte für das Lichtbündel verschiedene Änderungen der Weglänge innerhalb der EW-ZeIIe zu erzeugen und damit das Lichtbündel in der Phase zu modulieren.
Dies wird in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin (GB 0720484) beschrieben. In einer EW-ZeIIe mit drei verschiedenen Flüssigkeiten bildet die mittlere Flüssigkeit bei Ansteuerung eine Planplatte aus. Die zwei Grenzflächen zwischen den unterschiedlichen Flüssigkeiten, welche die Planplatte begrenzen, werden durch die von der Ansteuerung bereitgestellten, vorgegebenen Steuerwerte einer elektrischen Spannung parallel zueinander gekippt. Eine Verkippung der Planplatte durch das Einstellen gleicher Neigungswinkel an den zwei Grenzflächen vergrößert den optischen Weg des Lichtbündels in der EW-ZeIIe. Das interferenzfähige Lichtbündel durchläuft die EW-ZeIIe dabei als eine ebene Wellenfront. Auf diese Weise realisiert man einen Phasenmodulator, der die Phase des Lichts in Abhängigkeit von der Verkippung der zwei Grenzflächen bzw. der Planplatte ändert.
Weiterhin ist die Verwendung einer planparallelen Platte in einem Fabry-Perot- Interferometer bekannt. Dieses Interferometer besteht normalerweise aus zwei Glas- oder Quarzplatten, zwischen denen eine planparallele Luftplatte ausgebildet ist. Die einander zugewandten Flächen der Platten sind durchlässig verspiegelt und genau parallel zueinander ausgerichtet. Ein in die erste Platte eintretendes Lichtbündel wird zwischen den Platten mehrfach reflektiert, bevor es die zweite Platte verlässt. Das austretende Lichtbündel weist Interferenzmuster auf. Ähnliche Interferenzerscheinungen wie bei der Luftplatte liefert eine auf beiden Seiten durchsichtig verspiegelte Planplatte aus Glas oder Quarz. Absolute Bestimmungen von Wellenlängen können mit dieser Platte nicht durchgeführt werden. Jedoch ist die genaue Bestimmung kleiner Wellenlängendifferenzen möglich. Diese Eigenschaft des Fabry-Perot-Interferometers zum Bestimmen kleiner Wellenlängendifferenzen soll erfindungsgemäß für die Modulation von Licht in einer EW-ZeIIe genutzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Modulationseinrichtung auf der Basis von Elektrobenetzungszellen, die unter Verwendung einer planparallelen Platte die Modulation der Phase oder der Amplitude oder eine komplexe Modulation von ebenen Wellenfronten ohne großen Aufwand gestattet.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt eine Einrichtung zur Lichtmodulation auf der Basis eines Fabry-Perot Interferometers zugrunde.
Die Einrichtung weist zur Amplitudenmodulation von Licht matrixförmig angeordnete Elektrobenetzungszellen auf, bei der jeweils eine Elektrobenetzungszelle (EW-ZeIIe) eine Kammer mit transparenten Abdeckmitteln enthält und mit einem Steuermittel und steuerbaren Elektroden verbunden ist. Die transparenten Abdeckmittel schließen in der Kammer drei transparente Fluide und zwei als Planplatte ausgebildete steuerbare Grenzflächen ein, wobei die Abdeckmittel eine teildurchlässige Verspiegelung aufweisen, die ein einfallendes Lichtbündel innerhalb der Kammer mehrfach reflektieren, wobei die angesteuerten Elektroden für die planparallele Platte einen Neigungswinkel einstellen, der für die reflektierten Lichtbündel abhängig von der Ansteuerung eine Weglängendifferenz realisiert.
Durch die mehrfachen Reflexionen werden Mehrstrahlinterferenzen innerhalb der Kammer erzeugt.
In Ausbildung der Erfindung trifft das in die Kammer einfallende Lichtbündel auf eine Planplatte, die mit einer variabel einstellbaren Spannungsdifferenz gesteuert verkippt werden kann und für das mehrfach reflektierte Lichtbündel eine optische Weglänge einstellt, die innerhalb einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts liegt. Damit wird das Prinzip des Fabry-Perot Interferometers in einer EW-ZeIIe realisiert. Auf dieser Grundlage ist es möglich, durch die Steuermittel beliebige Phasenwerte für das die Kammer passierende Lichtbündel einzustellen, die dann einen entsprechenden Amplitudenwert zur Amplitudenmodulation liefern. Diese Phasenwerte erzeugen einen Phasenversatz des amplitudenmodulierten Lichtbündels, der aber die Amplitudenmodulation nicht beeinflusst.
Um eine komplexe Modulation mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zu realisieren, wird die amplitudenmodulierende EW-ZeIIe im Lichtweg des Lichtbündels seriell mit einer EW-ZeIIe kombiniert, die eine Kammer mit transparenten Abdeckmitteln aufweist und die Phase des Lichtbündels moduliert.
Der in der amplitudenmodulierenden EW-ZeIIe auftretende relative Phasenversatz, der bei der komplexen Modulation stört, wird durch die phasenmodulierende EW- ZeIIe kompensiert. Die Kompensation erfolgt beispielgebend dadurch, dass das Steuermittel den relativen Phasenversatz in die einzustellende Spannungsdifferenz der ansteuernden Elektroden integriert.
Um eine mehrfarbige Modulation von einfallenden Lichtbündeln verschiedener Farben, vorzugsweise der Farben rot (R), grün (G) und blau (B), zu erhalten, werden die einfarbigen Lichtbündel nacheinander für jede Farbe komplex moduliert.
Vorteilhafterweise sind die Fluide, welche die Planplatte einschließen, in ihren optischen Eigenschaften identisch.
Eine erfindungsgemäße EW-ZeIIe kann auch als optisch variables wellenlängenselektives Filter verwendet werden. Weiterhin kann die EW-ZeIIe wahlweise transmittiv oder reflektiv ausgebildet sein.
Eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige zweidimensionaler Stereobilder kann in weiterer Ausbildung der Erfindung mit einer Einrichtung nach wenigstens einem der Unteransprüche realisiert werden.
Weitere, hier nicht explizit angeführte Ausbildungen und Verwendungen einer EW- ZeIIe mit der integrierten Funktion eines Fabry-Perot Interferometers, die ein Fachmann auf diesem Gebiet ohne erfinderisches Zutun realisieren kann, werden ebenfalls von der Erfindung erfasst.
Die Vorteile der Erfindung sind folgende: Wenn die erfindungsgemäßen EW-Zellen als ein Array ausgebildet werden, ist es möglich, einen schnell schaltenden Amplitudenmodulator zu realisieren. In Kombination mit einem Array identischer EW-Zellen mit drei Fluiden zur Phasenmodulation kann eine Sandwich-Anordnung zur Modulation komplexer Werte geschaffen werden. Die identischen EW-Zellen sind für den Fertigungsprozess von Vorteil.
Jedoch können auch andere phasenmodulierende Anordnungen mit der erfindungsgemäßen Modulationseinrichtung kombiniert werden. Die als Amplitudenmodulator ausgebildete Einrichtung kann auch als normales 2D Anzeigedisplay verwendet werden. Gegenüber einem LC Display kann das erfindungsgemäße Display wesentlich schneller schalten. In Verbindung mit einer stark streuenden Folie an der Display-Oberfläche kann der Winkelbereich des abgestrahlten Lichts vergrößert werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten Amplitudenmodulatoren für 2D Displays ist die Unabhängigkeit von der Polarisation. Es kann auf polarisiertes Licht und vollständig auf Polarisationsfolien, die nur eine Transmissionseffiziens von 80% besitzen, verzichtet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen EW-ZeIIe besteht darin, dass sie auch als Einzelelement in Form eines optisch variablen Filters verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen schematisch als Schnittdarstellung in Seitenansicht
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektrobenetzungs-Zelle (EW-ZeIIe) mit drei
Flüssigkeiten, die durch angesteuerte Elektroden eine Planplatte erzeugen,
Fig. 2 die Ausgangslage der Planplatte der EW-ZeIIe gemäß Fig. 1 mit einem einfallenden Lichtbündel, und Fig. 3 eine Verkippung der Planplatte gemäß Fig. 2 und den daraus resultierenden Verlauf des Lichtbündels.
Der Erfindung liegt das Prinzip der optischen Wirkung einer Planplatte zugrunde: durch Verkippung der Planplatte erhält ein die EW-ZeIIe passierendes interferenzfähiges Lichtbündel eine Phasenverschiebung um Δφ (s. Fig. 3) in Abhängigkeit von der vorgegebenen Dicke der Planplatte und dem Verkippungswinkel v. Die Verkippung kann variabel mit verschiedenen Verkippungswinkeln Y durchgeführt werden, wodurch variable Phasenverschiebungen Δφ einfallender Lichtbündel realisiert werden können. Die Verkippung wird durch Ändern der Kontaktwinkel, die normalerweise 90° zwischen der Grenzfläche zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten und den Seitenwänden der Kammer der EW-ZeIIe betragen, ausgeführt. Bei drei Flüssigkeiten müssen beide Kontaktwinkel für beide Grenzflächen unabhängig voneinander betragsmäßig gleich eingestellt werden, da die Flächen der Planplatte auch bei einer Verkippung parallel bleiben müssen.
Es ist bekannt, durch Erzeugen von Spannungsdifferenzen zwischen den gegenüberliegenden Elektroden die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten plan zu halten. Dies wird erreicht, indem Kontaktwinkel an gegenüber liegenden Seitenwänden der EW-ZeIIe so eingestellt werden, dass sie addiert insgesamt 180° betragen. Die für diese Bedingung erforderlichen Spannungswerte, die ein elektrisches Feld zwischen den jeweiligen Seitenelektroden und der leitfähigen Flüssigkeit aufbauen, lassen sich näherungsweise aus der sogenannten Electrowetting-Gleichung oder mittels einer Kalibrierung ermitteln. Die Electrowetting- Gleichung oder eine Kalibrierung geben den makroskopischen Kontakt- oder Benetzungswinkel an, der sich bei gegebenem Material und gegebener Dicke des Dielektrikums ausbildet, wenn zwischen der leitfähigen Flüssigkeit und der dielektrisch isolierten Elektrode eine Spannung angelegt wird.
Die Kammer der EW-ZeIIe hat hier vorzugsweise einen viereckigen Querschnitt. In den Figuren zeigt der Pfeil links von der EW-ZeIIe die Lichteinfallsrichtung an.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße EW-ZeIIe, deren Kammer drei Flüssigkeiten enthält, von denen zwei identisch sind und die Brechzahl n-i haben und eine Flüssigkeit mit der Brechzahl ri2 wie ein Sandwich umschließen. Im dargestellten Beispiel wird eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit von zwei elektrisch leitenden Flüssigkeiten eingeschlossen, z.B. Öl zwischen zwei wässrigen Salzlösungen. Steuermittel CM stellen die Spannung der Elektroden U-i, U2, U3 und U4 so ein, dass die Grenzflächen zwischen jeweils zwei benachbarten Flüssigkeiten parallel zueinander verkippt werden und eine Planplatte entsteht. Die EW-ZeIIe weist an der Lichteintritts- und Lichtaustrittsseite transparente Abdeckmittel AM auf. Diese sind an der Innenseite der EW-ZeIIe mit einer teildurchlässigen Verspiegelung V versehen und parallel zueinander ausgerichtet. Bei der Ansteuerung der vier Elektroden U-i, U2, U3 und U4 zum Einstellen der Spannungen ist es vorteilhaft, jede Elektrode einzeln anzusteuern. Die Elektroden können aber auch paarweise über Kreuz angesteuert werden. Letzteres kann aber zu Ungenauigkeiten führen, da infolge von Toleranzen oder Materialungleichheiten die vorgegebene Spannungsdifferenz von Fehlern behaftet sein kann.
Durch die Verspiegelung V der Abdeckmittel AM ist es möglich, ein Fabry-Perot Interferometer in der EW-ZeIIe zu realisieren.
Ein Teil des einfallenden Lichtbündels passiert die EW-ZeIIe direkt und ein anderer Teil wird an den Abdeckmitteln AM mehrfach reflektiert und führt innerhalb der EW- Zelle zu Mehrfachinterferenzen. Dies ist in den Figuren 2 und 3 zu sehen. Der direkt durch die EW-ZeIIe verlaufende Teil des Lichtbündels ist als eine durchgehende Pfeillinie gezeichnet, während der reflektierte Teil gestrichelt dargestellt ist.
In Fig. 2 ist die Planplatte in ihrer Ausgangslage zu sehen, wobei die Grenzflächen parallel zu den festen Abdeckmitteln verlaufen. Die Mittel zur Ansteuerung der EW- ZeIIe werden hier zum Verständnis nicht benötigt und sind deshalb nicht eingezeichnet.
In Fig. 3 ist eine Verkippung der gemäß Fig. 2 gezeigten Planplatte und der aus der Verkippung resultierende Verlauf eines in die EW-ZeIIe eintretenden Lichtbündels dargestellt. Die Planplatte ist gegenüber ihrer Ausgangslage in Fig. 2 um den Winkel 90° - Y verkippt. Diese Tatsache kann man nutzen, um für das Lichtbündel durch verschiedene Kippwinkel Y der Planplatte verschiedene Änderungen der optischen Weglänge innerhalb der EW-ZeIIe zu erzeugen und damit das Lichtbündel in der Phase φ (Fig. 2) zu modulieren.
Die Parallelität der Grenzflächen bleibt durch die Verkippung erhalten. Es ändert sich aber die optische Weglänge sowohl im direkt durchlaufenden als auch im mehrfach reflektierten Teil des durchlaufenden Lichtbündels. Die Weglänge des Lichtbündels in der EW-ZeIIe ist größer als in der Ausgangslage nach Fig. 2. Das Lichtbündel tritt durch die Verkippung der Planplatte mit einer relativen Phasenverschiebung um Δφ zu einem Lichtbündel aus, das gerade durch die EW-ZeIIe läuft. Dieses Lichtbündel ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt.
In der Ausgangslage der Planplatte wird ein Phasenwert als Referenzwert eingestellt, bei dem die Änderung der optischen Weglänge des mehrfach reflektierten Lichtbündels zur Amplitudenmodulation genau eine halbe Wellenlänge beträgt. Bei diesem Wert entsteht eine destruktive Interferenz der Lichtbündel, die zur totalen Auslöschung der Amplitude beim Austritt aus der EW-ZeIIe führt. Ändert man nun die Phase des Lichtbündels, das die EW-ZeIIe passiert, durch leichte Verkippung der Planplatte, erhält man einen von Null verschiedenen Amplitudenwert. Ändert man dann durch eine entsprechende Spannungsdifferenz an den Elektroden, die durch die Steuermittel CM gesteuert werden, nun die Phase des durch die EW- Zelle laufenden Lichtbündels, erhält man einen dieser Phase entsprechend zugeordneten Amplitudenwert und eine Phasenverschiebung. Die entstandene Phasenverschiebung stört bei der Amplitudenmodulation nicht. Wird eine Vielzahl von amplitudenmodulierenden EW-Zellen zu einem Array vereint, kann ein räumlicher Amplitudenmodulator realisiert werden. Die Phasenverschiebung folgt bei einer drei Flüssigkeiten enthaltenden EW-ZeIIe, bei der die ausgebildete planparallele Platte einen Kippwinkel 90°- Y aufweist, keinem linearen Verlauf, sondern ist näherungsweise quadratisch (siehe Fig. 1 (a) und (b) im Anhang). Diese Tatsache führt bei der Lichtmodulation mit dem erfindungsgemäßen Fabry-Perot Amplitudenmodular zu einer Verbreiterung des Zentralpeaks der Intensitäts- und Amplitudenverläufe (vgl. Fig. 2 (a) und (b)) und verringert damit die Flankensteilheit. Um in einer Modulationseinhchtung komplexe Werte für z.B. eine Hologrammkodierung zu realisieren, wird neben der Amplitude auch die Phase des durchtretenden Lichts moduliert. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, dass dem Amplitudenmodulator seriell ein im Stand der Technik beschriebener Phasenmodulator zugeordnet wird. Beide Modulatoren sind dabei bis auf die Abdeckmittel identisch ausgebildet und der Aufbau des Amplitudenmodulators entspricht dann der erfindungsgemäßen EW-Zellen Einrichtung, während im Phasenmodulator die Abdeckmittel transparent ausgebildet sind.
Bei der komplexen Modulation muss die durch die Amplitudenmodulation entstandene Phasenverschiebung, die von ihrer Größe her bekannt ist, wieder kompensiert werden. Dazu integriert das Steuermittel CM den Wert der Phasenverschiebung in die einzustellende Spannungsdifferenz der anzusteuernden Elektroden der EW-ZeIIe.
Soll mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine mehrfarbige Modulation von einfallenden Lichtbündeln verschiedener Farben, vorzugsweise der Farben rot (R), gelb (G) und blau (B) erzeugt werden, muss nacheinander jede Farbe komplex moduliert werden. Um einen lateralen Versatz Δl (siehe Fig. 3) der Lichtbündel nach dem Passieren der seriell im Lichtweg liegenden EW-Zellen zu kompensieren, ist die letzte EW-ZeIIe an der Lichtaustrittsseite mit einer Blende zu versehen.
Eine EW-ZeIIe kann wahlweise transmittiv oder reflektiv ausgebildet sein und jeweils mit einer Vielzahl von EW-Zellen ein transmittives oder reflektives EW-Zellenarray bilden.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sehen vor, dass maßgeschneiderte, für einen vorgegebenen Anwendungsfall der Lichtmodulation ausgebildete Zellengeometrien der EW-Zellen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Kammer einen variablen Querschnitt z.B. derart aufweisen, dass die Operationskurve / -flanke des Lichtmodulators linearer wird. Oder in die EW-Zellen wird stattdessen eine feste, teilweise absorbierende Schicht eingebracht. Die als Amplitudenmodulator ausgebildete Einrichtung kann auch als normales 2D Anzeigedisplay verwendet werden. Gegenüber einem LC Display kann das erfindungsgemäße Display von EW-Zellen wesentlich schneller schalten. In Verbindung mit einer stark streuenden Folie an der Oberfläche des Displays kann der Winkelbereich des abgestrahlten Lichts noch vergrößert werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten Amplitudenmodulatoren für 2D Displays ist die Unabhängigkeit von der Polarisation des Lichts. Es kann daher auf polarisiertes Licht und vollständig auf Polarisationsfolien, die nur eine Transmissionseffizienz von 80% besitzen, verzichtet werden.
Die Anwendung ist nicht nur auf einen Amplitudenmodulator begrenzt. Die Einrichtung ist auch als ein variables / durchstimmbares Filter realisierbar.
Anlage:
■ zugrundeliegendes Prinzip: Mehrstrahl interferenzen an planparallelen Flächen1
■ Die nachfolgend getroffenen Aussagen basieren teilweise auf durch Simulationen gewonnenen Erkenntnissen (vgl. Anhang)
■ Einschätzung zur technischen Realisierbarkeit:
- Phase (Liquid-Kippwinkel) muss genau eingestellt werden (die gleichen oder sogar höhere Anforderungen gelten jedoch für die Phasenmodulatoren)
- Parallelität der teilverspiegelten Flächen muss gewährleistet sein (diese Anforderung liegt über der für reine Phasenmodulatoren; allerdings könnte theoretisch ein Keilfehler der Endflächen durch einen kleinen Keil des inneren Liquids kompensiert werden → wichtig ist nur, dass die Spiegelflächen immer senkrecht getroffen werden)
- Pro Zelle sind 6 Elektroden erforderlich (4 zum planparallelen Kippen des inneren Liquids und 2 zur Gewährleistung des 90°-Winkels an den beiden anderen Seitenwänden)
- Verspiegelung / Teilverspiegelung der Deckgläser ist Stand der Technik
- In Kombination mit allen Phasenmodulatoren als Sandwich-Lösung zur komplexwertigen Modulation verwendbar
- Selbst ein Amplitudenmodulator mit eingeschränkter
Modulationsbreite/Kontrast ist in Kombination mit einem Phasenmodulator einsetzbar
- Fast identische Fertigungstechnologie zu einem EW-3Liquid Phasenmodulator möglich,
1 Die Transmission von Planplattenresonatoren wird durch die Airy-Funktion beschrieben. Lateraler Strahlversatz ist geringer als beim EW-Phasenmodulator, muss aber dennoch berücksichtigt werden (Blendenlösung ist möglich)
Nicht nur Amplitudenmodulator (Array) sondern auch variables Filter
Eingrenzung des Parameterbereichs, weitere Ausführungsformen: transmittiv + reflektiv; auch .maßgeschneiderte' Zellengeometrien (.Zylinder' mit variablem Querschnitt z.B. derart, dass die Operationskurve / -flanke linearer wird; oder Einbringen einer festen, teilweise absorbierende Schicht) ; Anwendung ist nicht auf Amplituden-SLM begrenzt, prinzipiell handelt es sich um ein variables/durchstimmbares Filter, welches auch als Einzelelement realisierbar ist.
Anhang - Simulationen:
Ausgehend von der Phasenverschiebung innerhalb einer 3-Liquid EW Zelle (zusammengesetzte Planplatte) wurden die Intensitäten und Amplituden eines Fabry-Perot Etalons (Interferometers) berechnet
γ = Kippwinkel der Liquide φ = Phasenverschiebung
Fig. A1 : Typischer Phasenverlauf bei einer EW Zelle (3-Liquid) mit zusammengesetzter Planplatte
Die Phasenverschiebung bei einer 3-Liquid-EW Zelle mit kippbarem inneren Liquid folgt keinem linearen Verlauf, sondern ist näherungsweise quadratisch (Fig. A1 (a)). Diese Tatsache ist für den vorgeschlagenen Fabry-Perot Amplitudenmodular günstig, da dies zu einer Verbreiterung des Zentralpeaks der Intensitäts- und Amplitudenverläufe führt (vgl. Diagramme unten) und damit die Flankensteilheit verringert wird.
Fig. A2: Grafische Darstellung des unterschiedlichen Phasenverlaufs zwischen einem Standard Fabry-Perot SLM und einem erfindungsgemäßen SLM mit EW-Zellen mit zusammengesetzter Planplatte nach Fabry-Perot (Einfluss auf Halbwertsbreite und Gradient des Zentralmaximums der Amplitude)
Abhängigkeiten:
Einfluss der Finesse1 F (Anpassung durch Reflexionsgrad / Transmissionsgrad der Endspiegel) auf die Austrittsamplitude bzw. -intensität
Die so genannte Finesse F dient zur Charakterisierung des Resonators. Sie ist definiert als Verhältnis zwischen freiem Spektralbereich und Halbwertsbreite eines einzelnen Peaks:
* Δλ
Die Finesse nimmt große Werte an bei hohen Reflektivitäten R der Spiegel bzw. bei niedriger Dämpfung im Resonator:
Figure imgf000015_0001
Fig. A3: Grafische Darstellung eines Finessenkompromisses: Eine flache Flanke bewirkt einen verminderten Kontrast
Mit steigender Finesse F wird nach Fig. A4a die Halbwertsbreite des Peaks schmaler sowie nach Fig. A4b die Amplitudendynamik größer, das heißt, dass sich bei kleiner Finesse keine Amplituden nahe Null realisieren lassen (vergleiche die Grafik mit dem Verlauf der Finesse F = 5 in Fig. A3).
Einfluss der Brechungsindexdifferenzen der Liquide Wasser und öl nwasser = 1 -34; % first liquid noi = 1.6...1.7; % second liquid nwasser = 1 -34; % third liquid
Fig. A4: Peakverbreiterung bei kleinerem Indexkontrast
Je größer der Indexkontrast, desto kleiner ist der erforderliche Winkelbereich der Flüssigmenisken (Kippung des mittleren Liquids).

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Amplitudenmodulation mit matrixförmig angeordneten Elektrobenetzungszellen, bei der jeweils eine Elektrobenetzungszelle (EW-ZeIIe) mit einem Steuermittel und steuerbaren Elektroden verbunden ist und eine Kammer mit transparenten Abdeckmitteln aufweist, wobei in der Kammer drei transparente Fluide und zwei durch die Fluide eingeschlossene steuerbare Grenzflächen eine planparallele Platte ausbilden, wobei die transparenten Abdeckmittel eine teildurchlässige Verspiegelung aufweisen, die ein einfallendes Lichtbündel innerhalb der Kammer mehrfach reflektieren, wobei die angesteuerten Elektroden für die planparallele Platte einen Neigungswinkel einstellen, der für die mehrfach reflektierten Lichtbündel eine Änderung der optischen Weglänge innerhalb einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts einstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher ein durch die Steuermittel eingestellter Phasenwert für das die Kammer passierende Lichtbündel einen entsprechenden Amplitudenwert zur Amplitudenmodulation liefert.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher jeweils eine amplitudenmodulierende EW-ZeIIe im Lichtweg des Lichtbündels seriell mit einer phasenmodulierenden EW-
ZeIIe kombiniert ist, um eine komplexe Modulation durchzuführen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die amplitudenmodulierende EW-ZeIIe teildurchlässig verspiegelte Abdeckmittel und die phasenmodulierende EW-ZeIIe transparente Abdeckmittel zur komplexen Modulation aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die phasenmodulierende EW-ZeIIe einen bei der komplexen Modulation in der amplitudenmodulierenden EW-ZeIIe auftretenden relativen Phasenversatz kompensiert.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher zum Erzeugen einer mehrfarbigen Modulation einfallende Lichtbündel verschiedener Farben, vorzugsweise RGB, nacheinander für jede Farbe komplex moduliert werden.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher die Fluide, welche die planparallele Platte einschließen, in ihren optischen Eigenschaften identisch sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 , die als optisch variables wellenlängenselektives Filter verwendbar ist.
9. Anzeigeeinrichtung zur Anzeige zweidimensionaler Stereobilder, umfassend eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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