CN102725683A - 用于调制与相位调制器相互作用的光的相位调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对与相位调制器（1）相互作用的圆偏振光的相位进行调制的相位调制器（1）。该相位调制器（1）包含第一和第二基板（2，3）、电极设置（4）以及具有液晶分子（6）的液晶层（5）。第一基板（2）与第二基板（3）相对而置。液晶层（5）置于两个基板（2，3）之间。第一基板（2）具有第一表面（7），第二基板（3）具有第二表面（8）。第一表面（7）制成以实质上平行于第一表面（7）的方向排列紧邻第一表面（7）的液晶分子（6）。第二表面（8）制成以实质上垂直于第二表面（8）的方向排列紧邻第二表面（8）的液晶分子（6）。控制电极设置（4），使得液晶分子方向的平面内分量可以设定在大约180度的角度范围内、例如在相对于可指定中心方向的-90度到+90度之间。本发明还涉及一种用于显示二维和/或三维图像内容的显示器。

Description

用于调制与相位调制器相互作用的光的相位调制器

技术领域

本发明涉及一种用于对与相位调制器相互作用的圆偏振光的相位进行调制的相位调制器。本发明还涉及一种用于显示二维和/或三维图像内容的显示器。

背景技术

根据1995年潘查阿特纳姆（S.Pancharatnam）在印度科学院学报第137页（Proc.Ind.Acad.Sci.,p.137）的文章，由于使用圆偏振光并且λ/2板在其平面中旋转，因而可以调制光的相位。这在图1在示意性地表示。圆偏振光落到λ/2板上。圆偏振光的旋转方向改变。另外，相位的出现取决于λ/2板的光轴在平面中的角度。如果λ/2板转动角度φ（图1的下部），那么射出处的相位将改变角度2φ。所以相位的改变是λ/2板旋转角度的两倍。因此，通过转动λ/2板180度实现360度（2π）的相位调制或相位改变。

代替机械地旋转λ/2板的是，可以在基于液晶（LC）的光调制器中转动LC分子的长轴，例如通过施加电场来引发。

然而，当这样做时，向列型（nematic）LC通常仅对绝对值起作用，而对所施加电压的符号不起作用。只有给予LC分子一定的表面方向以及像素平面中的电场，LC分子才能够在0到最大90度之间旋转，如在共面切换液晶模式（IPS LC模式）中，其中以一相对于表面方向的角度施加电场并且该角度能够达到90度。例如屏蔽偏振的层列型液晶（PSS LC）模式中使用的层列型液晶（Smectic LC），当场符号改变时，将改变它们的旋转方向。然而，这样的LC不能+90度旋转或-90度旋转。与向列型液LC相比，层列型LC的分子成层排列，并且当维持这种层状结构时，各分子将不能90度旋转。因此，使用常规的LC模式不能够获得期望的180度的LC分子旋转角度范围。

文献DE 10 2009 045 125.0和国际专利申请PCT/EP2010/064504描述了一种解决这个问题的方案，其通过将可切换表面排列与所述LC模式的其中一种相结合，扩大LC分子旋转的角度范围。这种解决方案的缺点是它需要更复杂、费用更高的制造和控制过程。这是因为，当制造空间光调制器（SLM）时，必须在基板上施加含有不同于当今用于显示板生产的标准材料的特殊对齐层。当对SLM寻址时，可能需要生成用于切换表面方向和用于直接控制LC分子的分别的信号。如果为了通过结合这两个信号设置各相位值而需要这两个信号一个接一个，则对SLM的像素寻址时，可能还需要更快的信号传输。

WO 2008/104533 A1和相似内容的公开、例如2009年欧洲显示国际会议[1]和2009年国际信息显示器会议[2]的会议资料，描述了一种混合排列向列式LC模式（HAN）。夹在两个基板之间的LC分子与一个基板表面垂直对齐，但是平行于另一个基板表面。该表面方向是固定的。例如在IPS或扭曲向列型（twisted nematic）（TN）模式的设置中通常是平行方向，然而在垂直排列（VA）模式的设置中通常是垂直方向。这两个基板需要不同的对齐层，但是两种类型都可以以LCD行业公知的标准流程制成。

在最简单的理论模型中，LC分子通常被称为“刚性杆（rigid rods）”。与这个简单的假设相偏离的是，例如，LC分子还可以具有弯曲的“香蕉形”形状或棒状的“梨形”形状。而在两种理想的杆中，平行和不平行的方向尽量相等，然而，在可选择的形状中，尤其是在引起变形的情况下，如张开或弯曲形状，相对于不平行方向，梨或香蕉形分子最好是平行方向。

因此，LC分子的变形以对应的分子形状在LC材料中引起偏振。这就是所谓的“挠曲电效应（flexo-electric effect）”。如果出现挠曲电偏振，那么LC分子具体地对于所施加的电场符号作出反应。

在HAN设置中，这种引起的变形由LC在两个基板表面的不同表面方向和各个LC之间的弹力造成（由于在LC层的整个厚度中从平行到垂直方向的连续转换），由此产生挠曲电偏振。

如果施加平面内电场，那么LC分子或它们在显示器平面（其平行于SLM的基板表面）的投射将旋转。由于挠曲电偏振，分子的旋转方向将取决于电压的符号。文献WO 2008/104533 A1描述了将电极设置在IPS显示器中的设置以及将额外的基极置于同一基板（如在边缘场开关（FFS）显示器中）的设置。文献WO 2008/104533 A1进一步描述了将平面内电极或FFS电极选择性地置于LC分子平行方向的基板上或LC分子垂直方向的基板上的设置。前者在文献中描述为具有正Δε的LC材料的实施例，后者在文献中描述为具有负Δε的LC材料的实施例。

根据文献WO 2008/104533 A1，这些设置的目的是实现对两个切换过程（开和关）的短的响应时间，因为这两个过程都由一个可以使用不同电压符号的场控制。就振幅调制而言，使用线性偏振光，并且所需的LC分子旋转角度仅在-45度到+45度的范围内。

在文献WO 2008/104533 A1以及相关公开文献[1]所描述的电极设置中，类似于IPS的设置，对每隔一个电极提供相同的电压。这就是说两个电极之间的正电场和负电场出现在交替的设置中。因此，LC分子的旋转方向也在一个像素内的小区域中交替。这对振幅调制器来说并不重要，因为振幅调制取决于绝对值而非旋转角度的符号。然而，就相位调制而言，这种设置将是不适合的，因为不同的相位值将在一个像素内的不同区域实现。FFS型电极设置也存在同样的问题。如公开文献[2]中的图3所示，尽管在每隔一个空间中将实现不同的LC分子旋转方向，但是在网格的两个电极之间的一半空间中实现一个旋转方向。这种设置也适于振幅调制，但不适于相位调制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种基于LC的光调制器或相位调制器，其用于在大约2π的相位值范围内调制光的相位，并且其工作原理是基于LC分子的平面内分量的旋转。需要找到一种在制造和控制方面比LC模式的结合（例如具有如文献DE 10 2009 045 125.0所述的可转换表面排列的IPS或PSS）更简单且成本更低的设置。

上述目的通过一种根据权利要求1的用于对与相位调制器相互作用的圆偏振光的相位进行调制的相位调制器解决。该相位调制器包含第一和第二基板、电极设置以及具有液晶分子的液晶层。第一基板与第二基板相对而置。第一基板最好实质上平行于第二基板设置。液晶层置于两个基板之间。第一基板具有第一表面或表面层，第二基板具有第二表面或表面层。第一表面制成以实质上平行于第一表面的方向排列紧邻第一表面的液晶分子。第二表面制成以实质上垂直于第二表面的方向排列紧邻第二表面的液晶分子。控制电极设置，使得液晶分子方向的平面内分量可以设定在大约180度的角度范围内、例如在相对于可指定中心方向的-90度到+90度之间。

具体地，根据本发明的相位调制器或光调制器依循空间光调制器（SLM）的工作原理，即，可以根据相位调制器的实际空间位置特定地影响或调制与相位调制器相互作用的光的相位，具体地，这取决于相位调制器的实际控制状态。提供根据本发明的相位调制器用于与圆偏振光相互作用。如果光源的光不表现出圆偏振，可以在根据本发明的相位调制器的入射侧提供适当的起偏振器。

根据本发明，为了可选择地实现LC分子方向的平面内分量的旋转，例如从0到+90度或从0到-90度，使用一种HAN设置，这取决于电场的符号，从而通过控制所施加的电压实现整体在0到2π之间的相位调制。-90度的LC分子方向的平面内分量与0相位调制相对应，0度的LC分子方向的平面内分量与π相位调制相对应，以及+90度的LC分子方向的平面内分量与2π相位调制相对应。LC层的厚度最好选择为其光学功能是λ/2板的光学功能。如果在相位调制器的出射侧提供圆偏振器，不同厚度的LC层也是允许的，也可以用于相位调制。然而，由于厚度不同，不利地降低了相位调制器的透射率。根据本发明的相位调制器最好可以设计用于一个以上的波长（例如红色、绿色和蓝色光），其中液晶层的厚度是经过选择的，以使其光学功能对于中间波长（例如绿光）来说是λ/2板的光学功能。通常，LC层的厚度选择为其光学功能是延迟板（retardation plate）的光学功能。

在相位调制SLM中，置于像素表面的典型的多电极的梳状设置在该像素中产生均匀的平面内电压梯度。电压梯度的符号决定LC分子的旋转方向，梯度的倾斜度决定液晶分子的旋转角度。

类似的相位调制器设置也可以用于反射型显示器，其中由于光通过反射型相位调制SLM两次，所以+45度到-45度之间的更小角度范围就可足够实现2π相位调制或者最好是λ/4板的光学功能的更薄的液晶层，并且能够使用整个角度范围。在这种情况下，根据本发明的相位调制器可以设计成使其在透射型或反射型环境都可以运行。

具体地，可以以与文献DE 10 2009 045 125.0和国际专利申请PCT/EP2010/064504中描述的相位偏转器相类似的方式使用根据本发明的相位偏转器。因此，文献DE 10 2009 045 125.0和国际专利申请PCT/EP2010/064504公开的内容全部包含于此。例如在文献10 2009 028 626.8和国际专利申请PCT/EP2010/058625中描述的如相位偏转器这样的衍射光学元件可以在全息显示器中使用，用于观察者跟踪，在这些文献中这些元件被称为衍射装置。由于可以例如以与文献DE 10 2009 028 626.8和PCT/EP2010/058625中描述的衍射装置相类似的方式使用根据本发明的相位偏转器，所以文献DE 10 2009 028 626.8和国际专利申请PCT/EP2010/058625公开的内容全部包含于此。

基于相位调制原理、以与文献DE 10 2009 028 626.8和PCT/EP2010/058625所述相类似的方式使用并且其电极间距与LC层厚度大致处在同一数量级内的可变偏转光栅可以通过离散地控制各平面内的电极实现。在此，最好像在偏振光栅中一样设定周期性旋转的LC方向的平面内分量，从而在一个光栅周期内实现LC分子的平面内投射的0到180度之间的连续旋转。这通过各电极之间的电压梯度和各LC分子之间的弹力来实现。因此，如果对其进行控制，结合可变化调整的折射率分布，可以设定液晶分子的可变化调整的方向，从而可以因此在光学应用中设定可变光栅周期。也就是说，实现了可变偏振光栅。这可以通过现有技术文献已公开的简单方式完成。这种实现例如比文献US 2009/0073331 A1中已公开的可变偏振光栅更简单，其在该文献中被称为V-COPA。

与文献DE 10 2009 045 125.0中描述的程序相比，使用行业中普遍的方法制成的LC分子的常规固定表面方向最好可以用在本发明的内容中，例如通过刷基板表面涂层的方式。因此，对制造和控制根据本发明的相位调制器的要求更低。与PSS LC模式相比，可以使用向列型LC。通常，后者更容易处理（填充、排列）。进一步地，还可以利用如文献WO2008/104533 A1所述的快速开/关开关进行相位调制。对于偏转装置，还可以利用偏振光栅所具有的高衍射效率。

现在，相位调制器可以设计为由于衍射与相位调制器相互作用的光在可指定的方向上可变地偏转，从而实现偏转光栅的功能。然后，根据本发明的相位调制器将适合于与例如文献DE 10 2009 028 626.8所述相类似的应用。为此，如果因此而控制相位调制器的电极设置中的电极，由于相对应的折射率分布将出现在液晶分子层，因此可以设定液晶分子的可指定的方向，进而实现偏转光栅的功能。

可以控制相位调制器的电极设置中的电极，以使光或光束在可变指定的方向上偏转，这取决于光束射到相位调制器的位置。

可选择地，相位调制器可以包含单独的像素。这样，其可以作为例如根据文献WO 2006/066919 A1的全息显示器的光学组件，其中为了全息显示器重建和呈现三维场景，将全息图信息写入该光学组件。相位调制器中的每个像素包含电极设置的至少两个电极。

可以控制电极设置，以使在像素区域中、尤其是在相位调制器中的像素区域中实现实质上恒定的电压梯度。可以控制电极设置，以使在两个相邻电极之间、尤其在相位偏转器中的两个相邻电极之间实现实质上恒定的电压差。

在常规的IPS光调制器的IPS像素中，LC方向仅受到电压的平方的影响，例如图3所示，通常使用类似于两个相互交错的梳子的电极结构。只需要两个电压值，即：一个与一个梳子（普通电极）的电极相对应的电压值和一个与另一个梳子的电极相对应的电压值。这就是说，具有不同符号（+V和-V）的电压施加于交替设置的两个平面内电极之间。然而，在根据本发明的光调制器的像素中，两个相邻电极之间始终需要相同符号的电压。也就是说，可变地升高或降低的电压值，这取决于相位值，必须施加在像素内电极设置中的各电极上。控制像素所需的电压值因此可以比在其它LC模式（例如IPS）更高。

在一个优选实施例中，基板的表面因此具有用第一和第二构造区域构造的表面涂层或对齐层。第一和第二构造区域设置为彼此紧邻而且在相邻电极之间，并且设计成使得和第一构造区域有联系的液晶与和第二构造区域有联系的液晶实质上不平行地排列。因此，可以为液晶的混合排列在至少一个基板的表面上提供构造的对齐层。这最好是液晶实质上平行于表面方向的基板的表面。例如，如果对齐层由聚酰亚胺制成并且机械地摩擦，该结构与该聚酰亚胺对齐层的不同区域的不平行的摩擦方向相对应。然而，通常还可以使用不同材料和不同的制造方法，例如通过光配向法（photo-alignment）实现这种排列。在光配向法的情况下，将可以在空间构建中使用掩模，以便被掩模覆盖的区域的表面方向与掩模未覆盖的区域不同。该结构的尺寸制成使得一个方向对应于具有平面内电极的基板上的一对相邻电极之间的空间，并且实质上相反的方向对应于这对相邻电极之间的空间。可选择地，该结构还可以施加于其特征不在于电极的基板。然而，对齐层的构造区域必须与相对的基板的电极相匹配。在这些情况下，混合排列的液晶起作用，以致于如果施加正电压，一个电极对上的液晶将顺时针旋转。如果在之后的电极对上施加负电压，液晶将顺时针旋转。最好可以在相互交错的梳状平面内电极提供这样的像素，并且以与常规IPSLC显示板相同的方式进行控制。

文献DE 10 2009 002 987 A1描述了一种用于相位调制的可控装置，其基于PSS LC模式并且其每个LC调制器单元依实际写入的相位值以正或负电压值局部寻址。例如负电压用于设定0到π之间的相位值，正电压用于设定π到2π之间的相位值。在此，一定要注意的是，在显示器中通常使用AC电压，即，这样在一个帧或图像时，在像素施加正电压，在下一个帧时，施加负电压。这用于规避LC材料的化学分解以及如果长时间施加DC电压而发生的电荷载体效应。在仅受所施加电压的平方影响的常规LC模式下，电压符号的改变对LC方向没有任何影响。然而，如果PSS模式用于振幅调制器，不同的符号引起两种不同的LC方向，但是这两种不同的LC方向具有相同的透射率。相反，改变在PSS相位调制器中施加的电压的符号将导致以不需要的方式改变相位值。文献DE 10 2009 002 987 A1提出了解决方案：由于只有两个邻近像素之间的相对相位才与相位调制器的功能有关，而与写入像素的绝对相位无关，所以在随后的帧之间引入相位的整体偏移。这种相位偏移的结果是，对于相位调制器的大多数像素来说，电压的符号在两个帧之间改变。从而规避上述DC电压效应。

例如，HAN与PSS的不同之处在于：同一基板上的两个相邻的平面内电极之间的平面内势差用于对HAN光调制器或HAN相位偏转器寻址，而相对基板上的电极之间的平面外势差用于对PSS型装置寻址。PSS和HAN的相同之处在于：当用在振幅显示器中时，如果改变所施加的平面内电压的符号，那么即使LC方向不同，但最终的透射率也是相同的，而且，当其用在相位显示器中时，改变所施加的平面内电压的符号导致不同的相位值。

这就是为什么还应该将某种相位分布写入在HAN模式（尤其是HAN光调制器或HAN相位偏转器）下运行的相位调制器中的原因，其中应当尽可能避免施加DC电压。如果相位偏转器用于在设计为多用户系统的全息显示器中进行观察者跟踪，由于在不同的眼睛位置之间转变，已经在统计学意义上时间平均的相位偏转器的两个电极之间的正、负电压将会平衡。然而，在单一观察者系统的具体情况中，该观察者停留在一个固定位置很长一段时间（例如几秒钟），在这段时间可能例如需要设定恒定的光栅周期。这将再次带来DC电压效应的风险。在SLM中，例如，如果显示静态图形内容，DC电压效应的风险将是固有的。

在本发明的一个实施例中，为了规避对DC电压效应的干扰，因而在两个随后的帧之间引入写入的相位值的相位偏移。必须注意的是，施加于平面内电极的电压的绝对值没有必要改变其符号，但是需要改变相邻的平面内电极之间的压差。这在图9中表示并且结合附图说明更详细地阐述。

在一个替换实施例中，提出通过常规变化随后的帧的电极的平面内电压的符号规避DC电压效应，但是额外地还在偏振转换元件的帮助下，通过转换两个帧之间的相位调制SLM或相位偏转器的入射偏振。这在图10中表示并且结合附图说明更详细地阐述。

根据本发明，可以提供一种用于显示二维和/或三维图像内容的显示器，其包含具有至少一个光源的照明装置和根据权利要求1到11中任一项权利要求所述的相位调制器。在光的传播方向上，该相位调制器置于照明装置的下游。根据本发明的显示器最好具体设计为可以用于显示全息三维图像内容并且根据文献WO 2006/0669191 A1所述的原理工作。该显示器还可以设计为可以显示立体图像内容和/或立体多视角图像内容。这种显示器（3D显示器）能够以三维方式显示三维图像内容，让人的眼睛感知。至于根据本发明的用于显示器的相位调制器可能的实施例，为避免重复，参考上面的描述。

现在，有许多体现和延续本发明的教导的可能性。为此，一方面要参考遵循权利要求1的从属权利要求，另一方面要参考下面对本发明优选实施例的描述，包括附图。总体上，教导的优选实物形态和延续将结合本发明优选实施例以及附图进行解释说明。

附图说明

图1表示用圆偏振光进行相位调制的原理以及λ/2板的光轴旋转原理；

图2表示根据基于挠曲电效应的现有技术的HAN单元的原理；

图3表示根据现有技术的具有IPS型电极的HAN单元；

图4表示根据本发明的相位调制器的第一实施例；

图5表示根据现有技术的基于LC的偏振光栅；

图6A到6C是横截面视图，每幅横截面视图表示根据本发明的相位调制器的另一实施例的细节；

图7和图8是表示根据本发明的相位调制器的另一实施例的细节的主视图（上部）和侧剖面视图（下部）的示意图；

图7’和图8’是表示图7和图8的像素的细节的示意性三维视图；以及

图9和图10是示意图，每幅示意图表示根据本发明的在两种不同的操作情况下（视图A和视图B）的相位调制器的另一实施例的细节的主视图。

在所有附图中，相同或相对等的部分赋予相同的标识。

具体实施方式

图2表示根据基于挠曲电效应的现有技术的HAN单元的原理。在HAN单元中，位于一个表面7附近的LC分子6与表面7平行排列，而位于另一个表面8附近的LC分子6与表面8垂直排列。如果液晶分子6具有适当的形状，那么这种分子方向将引起挠曲电偏振。液晶分子6光轴的旋转方向将取决于所施加电压V的符号。

图2a表示HAN单元的细节的横截面视图（上部）和透视侧视图（下部），其中电极设置4未激活。图2b再次表示图2a中的同一HAN单元。左边表示第一种激活的操作情况，其中液晶层5的P_挠曲和光轴顺时针转动。图2b的右边表示第二种激活的操作情况，其中液晶层5的P_挠曲和光轴逆时针转动。图2c表示现有技术中已知的HAN单元，其中左边表示第一种操作情况，右边表示第二种操作情况。在该HAN单元中，电极设置4置于第一基板2上，第一表面7制成位于紧邻第一表面7的液晶分子6的纵轴与表面7实质上平行排列。因此，通过电极设置4产生的、用于排列液晶分子6的平面内电场立刻影响HAN单元的要排列液晶分子6的那部分，即邻近第一基板2的第一表面7、以及由此与第一表面7实质上平行排列的液晶分子6的部分。

图3表示根据现有技术的具有IPS型电极设置的HAN单元。负的和正的电压在电极设置中交错。因此，光轴的旋转方向也交错。由于只有旋转角度的绝对值与振幅调制有关，因此振幅调制像素能够以这种设置操作。相反，相位调制取决于电压的符号。因此，图3所示的电极设置不适于相位调制像素。

图4的上部是表示根据本发明的相位调制器1的细节的透视图。相位调制器1包含第一基板2、第二基板3和电极设置4。液晶分子层（图4中未示出）置于第一基板2和第二基板3之间。图4的下部是示意性地表示具有电极设置4的第二基板3的横截面视图。在此省略第一基板。该附图还显示如果激活电极设置4将出现的场力线。电极设置4是条纹图案。对电极设置4最好控制为对电极设置4的各电极施加不同的电压。在图4中，这些不同的电压以V1到V6标出。在根据本发明的相位调制器1的相位调制像素中，必须在像素上施加恒定的电压梯度。也就是说，V6-V5=V5-V4=...=V2-V1=ΔV。在相位偏转器中，分别控制条纹电极。

图5表示一种根据现有技术的基于LC的偏振光栅。LC分子6排列在平面内并且在一个光栅周期内在平面内旋转180度。图5（a）是表示偏振光栅的细节的主视图，即：从观察者观看具有这种设置为与显示器表面平行的偏振光栅的显示器的方向观察。图5（b）是表示图5（a）中偏振光栅的细节的横截面视图。Λ是偏振光栅的光栅周期。

图6A是表示本发明的另一实施例示意性的透视三维视图，即，根据本发明的相位调制器1的细节，其提供基于HAN模式的偏振光栅。这幅简单的附图仅示出了分别具有表面7和表面8的第一基板2和第二基板3、以及具有液晶分子6的液晶层5。虽然图6A中的液晶分子6以对称的椭圆体形式表示，但是实际上，液晶分子6具有引起挠曲电效应的香蕉形状或梨的形状。总之，位于紧邻第一基板表面7的液晶分子6与表面7实质上平行排列，因为表面7是据此设计的。此外，位于紧邻第二基板3表面8的液晶分子6与表面8实质上垂直排列，因为表面8是据此设计的。图6A未示出电极设置。

图6B是表示根据本发明的相位调制器1的另一实施例的细节的横截面视图。在这个根据本发明的相位调制器的实施例中，第一基板2的第一表面7以层的形式制成。接近具有液晶分子6的液晶层5的表面7制成使得位于紧邻表面7的液晶分子6实质上平行于表面7排列。具有实质上条纹型电极的电极设置4置于基板2上并且嵌入表面7的层的材料。第二基板3具有层的形式的表面8，其制成使得位于与表面8紧邻的液晶分子6实质上垂直于表面8排列。图6B中的相位调制器1具有激活的电极设置4，控制电极设置4使得形成光栅周期为16μm的偏振滤波器（polarisationfilter），该偏振滤波器在这里仅显示出一半。液晶层5中不同的灰度值表示实际的电场强度。此外，还示出了实际电场强度的等势线。

图6C是表示相位调制器1的细节的另一实施例的横截面视图，其提供一种基于HAN模式的偏振光栅。根据该HAN的结构，LC分子6在平面内排列，即，平行于一个表面层或表面7，但是在平面外，即，实质上垂直于另一个表面层或表面8。液晶分子6在平面或第一基板7上的投射在一个光栅周期中在偏振光栅中旋转180度，而液晶分子6转出平面的角度基本保持不变。边缘情况是：靠近上基板2的纯粹的平面内旋转以及液晶分子6靠近下基板3围绕它们自身的轴的纯粹的旋转，因为它们在那里垂直于表面7排列。

图7是表示根据本发明的光调制器的像素的细节的示意图，其中像素是显示器的光调制器的一部分，并且它是从观察者将要观察光调制器或显示器的方向看去的。为了使情况更加清楚，在下面将相同的单元或像素转动90度（右手边是具有电极E2的下基板2）。在上部的视图中，底部的液晶分子6位于紧邻更接近观察者的基板并且指向绘图平面外。顶部的液晶分子6位于紧邻更远离观察者的基板并且位于绘图平面内。为了实现在绘图平面内的相同的旋转角度，电极E1和E2之间需要正电压V1，而且在电极E2和E3之间也需要正电压V1。这就是说，对E3施加2x V1的电压。

图8是在侧面具有构造的对齐层A1和A2的设置，其中液晶分子6实质上平行于表面7排列。该附图的上部表示与上述电极E1和电极E2之间相同的分子排列。然而，分子在电极E2和E3之间以相反方式排列，即，在顶部垂直，在底部水平。这就是说，如果施加相同的电压，将发生相反的旋转方向。如果对电极E1施加0V电压，对电极E2施加电压V1，对电极E3施加0V电压，那么两个电极之间的电压符号相交替，但是旋转方向仍然相同。可以继续向其它电极交替地提供电压V1和0V电压。本实施例最好只需要两个梳状电极，而且不必要分别控制像素的各电极。

图7’和图8’是表示图7和图8中所示的光调制器的相同细节的三维视图，其中液晶分子6以极度放大的方式绘制并且具有理想化的三维形状。

图9示意性地表示主视图，每幅主视图表示根据本发明的相位调制器的另一实施例的细节。这些附图表示了对引入随后的帧之间的相位偏移的使用，特别是在HAN相位偏转器中。位于靠近液晶分子6具有平面方向的基板的液晶分子6的方向仅示意性地示出。图9（B）表示相位偏移后维持图9（A）的光栅周期，但是改变所施加的电压，使得不会出现DC电压。该附图表示在这些电极上面，施加于两个相邻电极之间的是相对电压，在这些电极下面，施加于各电极的是绝对电压。对于大多数电极来说，相对电压在正和负之间发生变化，对于某些电极来说，它还在零、正或负之间变化。在本例中，两个帧之间的相位偏移是π，其与液晶分子6的90度的平面内旋转角度的变化相对应。通常，为了进一步减少最终的暂时平均电压，例如以下序列：0,π/2,π,3π/2，可以赋予两个以上的帧不同的相位偏移。因此，写入相位调制器的某一个帧的相位值与写入相位调制器的随后的帧的相位值相差一个相位偏移，使得相邻的平面内电极之间的电压不同。

图10（A）和10（B）是示意性的主视图，每幅主视图表示根据本发明的相位调制器的另一实施例的细节。它们示意性地示出了位于基板附近的液晶分子6的方向，其中相位偏转器平面方向。所有施加的电压的符号在图10（A）和10（B）之间都发生了改变。这导致液晶的方向分布，从该分布得到与相位调制器相互作用的光的折射率分布。该折射率分布具有偏振光栅的效果，其中光栅周期相同但是圆偏振光旋转方向相反。对于同一入射偏振的光，该偏振光栅将与具有不同符号的相位图相对应，并且在不同方向上偏转光。然而，如果在图10（A）和10（B）所示的两个操作情况之间，入射光的偏振也发生改变，例如从逆时针圆变为顺时针圆（由箭头表示），那么比起图10（A）中液晶分子6对于初始偏振的方向，图10（B）中的液晶分子6对于改变的偏振的方向导致相同的相位图。本实施例一个有利方面是：暂时平均的施加电压在两个帧后变为零。所示实施例全部是相位偏转器。然而，同样可以应用所说明的理念，尤其是投射型和反射型光调制器。例如，偏振切换元件可以在具有平面（非像素化）电极的LC基础上以可切换开/关的λ/2板的形式实现。也就是说，在两个随后的帧中，施加于根据本发明的相位调制器的电极设置中的电极上的电压经受符号的变化。在多个帧的其中一个帧中，用偏振切换元件使与相位调制器相互作用的光达到第一偏振状态。在随后的帧中，使与相位调制器相互作用的光达到第二偏振状态。

引文：

[1]2009年欧洲显示国际会议记录，报告4-6

[2]2009年国际信息显示器会议摘要，报告1-3，第14-16页

最后，必须指出，以上所描述的实施例应当只理解为说明权利要求所声称的教导，而权利要求所声称的教导不限于这些实施例。

Claims (12)

1.用于对与相位调制器（1）相互作用的圆偏振光的相位进行调制的相位调制器（1），其特征在于，包含第一和第二基板（2，3）、电极设置（4）以及具有液晶分子（6）的液晶层（5），其中第一基板（2）与第二基板（3）相对而置，其中液晶层（5）置于两个基板（2，3）之间，其中第一基板（2）具有第一表面（7），第二基板（3）具有第二表面（8），其中第一表面（7）制成以实质上平行于第一表面（7）的方向排列紧邻第一表面（7）的液晶分子（6），其中第二表面（8）制成以实质上垂直于第二表面（8）的方向排列紧邻第二表面（8）的液晶分子（6），其中，控制电极设置（4），使得液晶分子方向的平面内分量可以设定在大约180度的角度范围内、例如在相对于可指定中心方向的-90度到+90度之间。

2.根据权利要求1所述的相位调制器，其特征在于，所述相位调制器设计成使得由于衍射，与相位调制器（1）相互作用的光在可指定的方向上被可变地偏转，从而实现偏转光栅的功能。

3.根据权利要求2所述的相位调制器，其特征在于，控制电极设置（4），使得光束取决于光束射向相位调制器（1）的位置在可变化指定的方向上偏转。

4.根据权利要求1所述的相位调制器，其特征在于，所述相位调制器（1）包含单独的像素，其中相位调制器（1）中的每个像素至少包含电极设置（4）的两个电极。

5.根据权利要求4所述的相位调制器，其特征在于，控制所述电极设置（4），使得在像素区域中实现实质上恒定的电压梯度。

6.根据权利要求4或5所述的相位调制器，其特征在于，控制所述电极设置（4），使得在两个相邻电极之间施加实质上恒定的电压差。

7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的相位调制器，其特征在于，在像素内提供梳状设置的多个电极，用于在像素中生成均匀的平面内电压梯度。

8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的相位调制器，其特征在于，所述相位调制器设计为其在透射型或反射型环境中都可以操作。

9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的相位调制器，其特征在于，一个基板的表面具有用第一和第二构造区域构造的表面涂层，所述第一和第二构造区域设置为彼此紧邻而且在相邻电极之间，并且设计成使得和第一构造区域有联系的液晶与和第二构造区域有联系的液晶实质上不平行地排列。

10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的相位调制器，其特征在于，写入相位调制器的用于某一个帧的相位值与写入相位调制器的用于随后的帧的相位值相差一个相位偏移，使得相邻的平面内电极之间的电压不同。

11.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的相位调制器，其特征在于，在随后的帧中，施加于电极的电压包含符号的变化，其中在连续的帧的其中一个帧中，通过偏振切换元件使与相位调制器相互作用的光达到第一偏振状态，其中在随后的帧中，使与相位调制器相互作用的光达到第二偏振状态。

12.用于显示二维和/或三维图像内容的显示器，其特征在于，具有包含至少一个光源的照明装置和根据权利要求1到11中任一项权利要求所述的相位调制器，其中在光的传播方向上，所述相位调制器置于照明装置的下游。

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