DE102007005821B4

DE102007005821B4 - Lichtmodulator und Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren

Info

Publication number: DE102007005821B4
Application number: DE102007005821A
Authority: DE
Inventors: Norbert Leister
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: DE102007005821A1; WO2008092839A1; US8928825B2; TWI387817B; TW200844603A; JP2010517105A; JP5349331B2; US20100118219A1

Abstract

Phasenmodulierender Lichtmodulator zur Phasenmodulation linear polarisierten Lichts, enthaltend: – eine optisch aktive Schicht (8) mit mindestens einem optisch aktiven Volumenbereich (11, 12, 13, 231, 232, 233), dem Flüssigkristalle mit vororientierten Brechungsindex-Ellipsoiden (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) zugeordnet sind, – Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung eines stationären aber steuerbaren Ausrichtungszustandes der Brechungsindex-Ellipsoide (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) der Flüssigkristalle der optisch aktiven Schicht, die an den Begrenzungsflächen der optisch aktiven Schicht angeordnet sind, und durch die der Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) der Flüssigkristalle pixelweise steuerbar ist, – mindestens einen transparenten Kompensationsvolumenbereich (21, 22, 24, 221, 222, 81), der mindestens ein doppelbrechendes Material mit fixiertem Ausrichtungszustand seiner Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) enthält, und – aufweisend einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator, dadurch gekennzeichnet, dass der fixierte Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95; 99) des doppelbrechenden Materials des Kompensationsvolumenbereiches (24, 21, 22, 221, 222, 81) derart bestimmt ist, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des durch den phasenmodulierenden Lichtmodulator im optisch aktiven Volumenbereich und Kompensationsvolumenbereich modulierten Lichtes für diesen fixierten Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials des Kompensationsvolumenbereiches (21, 22, 24, 221, 222, 81) ein Minimum aufweist, wobei das Minimum über eine numerische Simulation mit folgenden Schritten bestimmt wird: – Festlegung eines Durchstrahlungswinkelbereiches (L-S-R), für den eine minimale gemittelte Amplitudenmodulation vorgesehen ist, – Festlegung eines Variationsbereiches, in dem ein von außen an den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) durch die Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung eines Ausrichtungszustandes einstellbarer physikalischer Parameter (UM1, UM2, UM3), der die Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) der optisch aktiven Schicht (8, 231, 232, 233) beeinflusst, während der Modulation variiert wird, – Festlegung einer ersten Ausrichtung der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator und ein Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren.
Lichtmodulatoren (engl. spatial light modulators – SLM), die z. B. in holografischen Anwendungen eingesetzt werden, sind insbesondere von sichtbarem Licht durch- oder bestrahlbare optische Elemente, deren optische Volumeneigenschaften temporär verändert werden können. Die Veränderung der optischen Volumeneigenschaften kann pixelweise vorgenommen werden.
Die optischen Volumeneigenschaften können z. B. durch Anlegen eines elektrischen Feldes temporär verändert werden. Das elektrische Feld kann jeweils in kleinen Flächenbereichen gesondert eingestellt werden, wodurch sich die Möglichkeit einer zwar pixelweisen, jedoch für viele holografische Anwendungen ausreichend feinen Abstimmung der optischen Eigenschaften ergibt. Diese Möglichkeit wird genutzt, um eine einfallende Wellenfront beispielsweise beim Durchgang durch den Lichtmodulator derart zu verändern, zu modulieren, dass sie im Abstand eines Betrachters einer Wellenfront gleicht, die von einem realen Objekt ausgeht. Dadurch wird bei entsprechender Ansteuerung des Lichtmodulators eine holografische Rekonstruktion eines Objektes möglich, ohne das Objekt zum Zeitpunkt der Betrachtung zur Verfügung haben zu müssen.
Die Funktionsweise eines Lichtmodulators beruht auf einer optisch aktiven Schicht, deren optische Volumeneigenschaften von mindestens einem von außen einstellbaren physikalischen Parameter abhängen und durch Variation des Parameters gezielt beeinflusst werden können. Als physikalische Parameter können elektrische Feldstärken vorgesehen sein. Es sind auch andere physikalische Parameter, z. B. Schalldrücke, bereits mit Erfolg für die gezielte Änderung der optischen Volumeneigenschaften optisch aktiver Schichten eingesetzt worden.
Die häufigste Funktionsweise eines Lichtmodulators beruht auf einer zwischen elektrisch beeinflussbaren Begrenzungsflächen, insbesondere zwischen Deckgläsern eingebetteten Schicht aus einem doppelbrechenden Material in Form von ausrichtbaren Flüssigkristallen (eng. liquid crystal – LC), wobei die Schicht in Form von im Folgenden als Flüssigkristall-Zellen bezeichneten Volumeneinheiten pixelweise angesteuert werden kann. Die Ansteuerung hat Auswirkungen auf das jeweilige Brechungsindex-Ellipsoid der Flüssigkristalle in den einzelnen Flüssigkristall-Zellen. Eine Änderung der Form oder der Ausrichtung des Brechungsindex-Ellipsoids in Bezug auf die Richtung des hindurchtretenden Lichts verändert einerseits die optische Weglänge des Lichts durch die doppelbrechende Schicht und andererseits deren Einfluss auf die Polarisation des hindurchtretenden Lichts. Das Brechungsindex-Ellipsoid ist dabei eine makroskopische Modellgröße, welche die Richtungsabhängigkeit eines effektiven Brechungsindex beschreibt, den ein bestimmtes Volumen einer doppelbrechenden Substanz bei der Wechselwirkung mit Licht in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel des Lichts hat. Die Lage und Form des Brechungsindex-Ellipsoids hängt wesentlich von der Ausrichtung und den Eigenschaften von in dem betrachteten Volumen eingebetteten Flüssigkristallen ab, ist jedoch nicht zwangsläufig mit deren Ausrichtung im Einzelfall identisch. Dennoch wird der Brechungsindex-Ellipsoid im weiteren zur Charakterisierung eindeutiger, von einer Ausrichtung der Flüssigkristalle in doppelbrechenden Volumina abhängender Zustände benutzt. Die Veränderung einer Wellenfront beim Durchtritt durch einen Lichtmodulator erfolgt durch eine pixelweise Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation. Da Lichtmodulatoren, die in einem Durchstrahlungswinkelbereich beide Modulationsformen vollständig voneinander entkoppelt ausführen können, nicht verfügbar sind, werden die Lichtmodulatoren derart ausgelegt, dass sie zumindest eine Modulationsform möglichst effektiv ausführen können.
Ein Problem besteht darin, dass insbesondere bei phasenmodulierenden Lichtmodulatoren störende Nebeneffekte auftreten, die sich in Abhängigkeit vom Durchstrahlungswinkel in unterschiedlich starker Form bemerkbar machen. Dazu zählt in erster Linie eine Winkelabhängigkeit der Transmission des Lichtmodulators, der bei Verwendung herkömmlicher Lichtmodulatoren bisher ungenügend entgegengewirkt wird. Das führt zu einer unerwünschten winkelabhängigen Amplitudenmodulation eines ansonsten phasenmodulierenden Lichtmodulators.
Amplitudenmodulierende Lichtmodulatoren sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und weit verbreitet zur Anwendung in zweidimensionalen (2D)-Displayeinrichtungen. Daher sind sie bereits für einen großen Wellenlängenbereich und für einen großen Betrachterwinkelbereich ausgelegt. Die Wellenlängenabhängigkeit der Transmission wird durch Kalibration bei unterschiedlichen Wellenlängen (rot R, grün G und blau B) kompensiert. Um eine vorgegebene Transmission bei R, G oder B zu erhalten, muss für R, G und B eine unterschiedliche Spannung an die Flüssigkristall-Zelle angelegt werden.
Wenn ein Betrachter schräg auf einen Lichtmodulator schaut, entsteht eine Winkelabhängigkeit dadurch, dass der Betrachter nur Licht wahrnimmt, das die Flüssigkristall-Schicht unter einem anderen Winkel durchläuft und somit mit einem anderen Brechungsindex im Brechungsindex-Ellipsoid wechselwirkt. Daher hat das Licht einen anderen Polarisationszustand am Ausgangspolarisator und der Lichtmodulator hat eine andere, winkelabhängige Transmission.
Es ist eine Flüssigkristall-Displayeinrichtung in den Druckschriften EP 0 793 133 A2 und US 6,141,075 A beschrieben, in der zur Kompensation der Winkelabhängigkeit Kompensationsfolien mit doppelbrechendem uniaxialem oder biaxialem Material auf Begrenzungsflächen oder Deckgläsern von amplitudenmodulierenden Lichtmodulatoren angebracht sind. Das doppelbrechende Material ist so ausgerichtet, dass der Brechungsindex-Ellipsoid komplementär zu dem der Flüssigkristall-Schicht liegt. In einem bestimmten Winkelbereich ergibt sich daher für das Licht ein effektiver Brechungsindex, der unabhängig vom Betrachterwinkel ist. Die Winkelabhängigkeiten des Brechungsindex in der Flüssigkristall-Schicht und der Kompensationsfolie gleichen sich weitgehend aus.
Ein Problem besteht darin, dass dies nur für einen bestimmten Winkel der Flüssigkristalle und somit für eine bestimmte Transmission möglich ist. Einer anderen Transmission ist ein anderer Flüssigkristall-Winkel zugeordnet, an den die Kompensationsfolie nicht angepasst ist. Um einen hohen Kontrast des Lichtmodulators zu erhalten, wird der Lichtmodulator auf einen guten Schwarz-Zustand kompensiert, d. h. auf den Zustand mit einer Transmission gleich Null. Die Winkelabhängigkeit eines Amplituden-Lichtmodulators kann somit zumindest teilweise verringert werden, indem eine Kompensationsfolie oder mehrere Kompensationsfolien z. B. auf einem Deckglas oder beiden Deckgläsern oder unmittelbar angrenzend an die LC-Schicht aufgebracht werden. Die Kompensationsfolie enthält ein uniaxiales oder biaxiales doppelbrechendes Material. Die Brechungsindizes und die Orientierung sind für einen bestimmten Zustand des Amplituden-Lichtmodulators angepasst. Sie sind idealerweise so ausgebildet, dass das Licht unabhängig vom seinem Winkel den gleichen Brechungsindex in Summe aus Flüssigkristall und Kompensationsfolie erfährt. Ist beispielsweise der Brechungsindex-Ellipsoid des Flüssigkristalls zigarrenförmig langgestreckt und mit der Langachse senkrecht zu den Deckgläsern ausgerichtet, muss der Brechungsindex-Ellipsoid der Kompensationsfolie entsprechend abgeplattet pfannkuchenförmig parallel zu den Deckgläsern ausgerichtet sein, wobei die Flächennormale des Lichtmodulators in der Regel eine Symmetrieachse bzw. Hauptachse der Brechungsindex-Ellipsoide der Kompensationsfolie bildet.
Derartige Kompensationsfolien werden beispielsweise in den Druckschriften De Bougrenet de la Tocnaye et al.: Complex amplitude modulation by use of liquidcrystal spatiallight modulators, Appl. Optics, Vol. 36, No. 8 (1997), pp. 1730; Mori H.: The Wide View (WV) Film for Enhancing the Field of View of LCDs, Journal of Display, Technology, Vol. 1, No. 2.2005; DE 43 39 395 A1 ; DE 196 14 210 A1 und DE 103 43 561 A1 beschrieben, die sich auch mit der Frage der Optimierung solcher Folien beschäftigen. So beschreibt die Druckschrift DE 196 14 210 A1 eine Möglichkeit zur Berechnung eines optimierten Neigungswinkels von Flüssigkristallmolekülen in einer Kompensationsfolie mittels numerischer Simulation.
Üblicherweise wird ein Amplituden-Lichtmodulator auf einen guten Kontrast über einen weiten Winkelbereich festgelegt. Dazu wird die Kompensationsfolie an die Flüssigkristall-Orientierung angepasst, die dem Schwarz-Zustand entspricht.
Dabei wird im Wesentlichen darauf geachtet, dass zur Kompensation der Winkelabhängigkeit eines Amplituden-Lichtmodulators die Kompensationsfolie an einen bestimmten Zustand des Lichtmodulators mit einer bestimmten Orientierung der Flüssigkristalle angepasst wird.
Ein Problem besteht darin, dass das genannte Verfahren für einen breiten Bereich von schnell wechselnden Transmissionswerten nicht anwendbar ist, da es immer nur eine Kompensation eines bestimmten Transmissionswertes ermöglicht.
Es ist auch bekannt, die Wellenlängenabhängigkeit von phasenmodulierenden Lichtmodulatoren durch eine Kalibration bei unterschiedlichen Wellenlängen (R, G oder B) zu kompensieren. Diese Kalibration berücksichtigt jedoch nicht die Winkelabhängigkeit der Transmission eines phasenmodulierenden Lichtmodulators.
Eine Phasenmodulation durchführende Lichtmodulatoren sind z. B. in der Druckschrift Somalingam, S.: Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen, Diss., Technische Universität Darmstadt, 3/2006, S. 20, in Form von Flüssigkristall-Zellen beschrieben. Anhand der Vororientierung der Flüssigkristalle werden die eingesetzten Flüssigkristall-Zellen in Freedericksz-Zellen, DAP(engl. distorted alignment phase)-Zellen und TN(engl. twisted nematic)-Zellen eingeteilt. Allen ist gemeinsam die Möglichkeit, die Phase des einfallenden Lichtes mit elektrischen Feldern zu modulieren. Bei der Freedericksz-Zelle sind die Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie versehen und damit parallel zu den Elektroden angeordnet, wodurch im feldfreien Fall die maximale Phasenverzögerung zwischen den beiden Polarisationsrichtungen erreicht wird. Bei der DAP-Zelle sind die Flüssigkristalle mit negativer dielektrischer Anisotropie versehen und senkrecht zu den Elektroden vororientiert, so dass die maximale Phasenverzögerung bei einer vollständigen Auslenkung erreicht wird. Bei TN-Zellen sind die Flüssigkristalle gegeneinander gedreht angeordnet, insgesamt um 90°, so dass einfallendes, linear polarisiertes Licht eine Drehung der Polarisationsrichtung über die Dicke der Zelle erfährt. Bei angelegtem Feld wird die verdrehte Anordnung der Flüssigkristalle gebrochen, so dass die Polarisationsdrehung nicht aufrechterhalten werden kann
Dazu ist in 1 ist eine schematische Darstellung eines eine Phasenmodulation durchführenden und auf pixelbezogenen Freedericksz-Zellen basierenden Lichtmodulators 10 mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel 1, 2, 3 gezeigt. Der Lichtmodulator 1 umfasst eine doppelbrechende Schicht 8, welche Flüssigkristalle 9 enthält und durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen Elektroden 4, 5, 6 und 7 in ihren optischen Eigenschaften gesteuert werden können, wobei an die Elektroden 4, 5, 6 die Modulationsspannungen U_M1, U_M2, U_M3 und an die Elektrode 7 Massepotential gelegt sind. Der jeweilige Zustand der optischen Eigenschaften, der sich durch die Steuerung mit Hilfe des elektrischen Feldes einstellt, kann mit Hilfe von Brechungsindex-Ellipsoiden, die durch ein Achsverhältnis und eine Ausrichtung ihrer Hauptachsen – einer Langachse und zwei senkrecht dazu gegebenen Kurzachsen – charakterisiert sind, beschrieben werden. Die doppelbrechende Schicht 8 wird durch parallel verlaufende Begrenzungsflächen 17, 18 begrenzt, an denen die Elektroden 4, 5, 6 und 7 ausgebildet sein können. Zumindest sind in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen 17, 18 der doppelbrechenden Schicht 8 die Elektroden 4, 5, 6 und 7 angeordnet, um die funktionsbedingte Steuerung der Flüssigkristalle 9 pixelweise und möglichst trennscharf vornehmen zu können. In 1 erfolgt die pixelweise Einstellung des elektrischen Feldes über die pixelweise strukturierten Elektroden 4, 5, 6 auf der Begrenzungsfläche 17 der doppelbrechenden Schicht 8 durch pixelweises Anlegen der Modulationsspannungen U_M1 bis U_M3 gegen ein auf der anderen Begrenzungsfläche 18 der doppelbrechenden Schicht 8 anliegendes gemeinsames Potential an der Elektrode 7. Das gemeinsame Potential ist als gemeinsame Masse G dargestellt. Die Modulationsspannungen U_M1 bis U_M3 weisen unterschiedliche Werte auf, was aufgrund der gemeinsamen Masse G an der Elektrode 7 zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führt. Die unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führen zu einer unterschiedlichen Anordnung der Flüssigkristalle 9 in die Drehpositionen der Flüssigkristall-Moleküle 91, 92, 93 innerhalb der doppelbrechenden Schicht 8, was zu einer unterschiedlichen Einstellung der Brechungsindex-Ellipsoide in den jeweiligen unterschiedlichen elektrischen Feldstärken ausgesetzten Volumenbereichen (engl. bulk regions) 11, 12, 13 der doppelbrechenden Schicht 8 führt und durch eine unterschiedliche Ausrichtung bezüglich der Langachsen der Brechungsindex-Ellipsoide verdeutlicht werden kann.
In den 2a, 2b, 2c sind Querschnitte durch die Pixel 1, 2, 3 des phasenmodulierenden Lichtmodulator 10 gezeigt. Zur Übersichtlichkeit sind nur die Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 sowie das untere Deckglas 19 und das obere Deckglas 20 dargestellt.
Die Pixel 1, 2, 3 enthalten doppelbrechende Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 ohne Twist, d. h. ohne Helixstruktur. Abgesehen von den Randgebieten 14, 15 am oberen Deckglas 19 und am unteren Deckglas 20 sind die Flüssigkristalle 91, 92, 93 in den Volumenbereichen 11, 12, 13 weitgehend parallel ausgerichtet. Unter paralleler Ausrichtung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, welche die optischen Eigenschaften der doppelbrechenden Schicht 8 zumindest in einer Weise homogenisiert, die dazu führt, dass die optischen Eigenschaften von Volumenbereichen 11, 12, 13 mit Abmessungen unterhalb der Pixelgröße durch Brechungsindex-Ellipsoide beschrieben werden können, die bei gleichem Achsverhältnis parallel ausgerichtet sind. Zur Vereinfachung wird im Folgenden nur noch von der Ausrichtung der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 gesprochen.
Zur Phasenmodulation ändert ein elektrisches Feld den Ausrichtungswinkel α – Polarwinkel – zwischen Flüssigkristallen 91, 92, 93 und Deckglas 19, 20 und somit den effektiven Brechungsindex der doppelbrechenden Schicht 8. Dadurch ändert sich für das durch die doppelbrechende Schicht 8 hindurchtretende Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung die optische Weglänge durch die doppelbrechende Schicht 8. Das führt dazu, dass das aus unterschiedlich angesteuerten Pixeln 1, 2, 3 austretende Licht unterschiedliche Phasenzustände aufweisen kann.
In den 2a bis 2c sind die Orientierungen der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 und der Brechungsindex-Ellipsoide bei unterschiedlichen elektrischen Feldern zwischen den Elektroden (nicht dargestellt) angegeben, die sich oberhalb und unterhalb der Schicht 8 befinden. Die Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 können durch die eingezeichneten Brechungsindex-Ellipsoide wiedergegeben werden. In Richtung der Langachse 61 (z-Achse des Ellipsoids) gilt der außerordentliche Brechungsindex n_e, senkrecht dazu für die Kurzachsen (x, y-Achsen des Ellipsoids) 62 für einen uniaxialen Flüssigkristall der ordentliche Brechungsindex n₀. Für einen biaxialen Flüssigkristall mit zwei unterschiedlichen Kurzachsen gibt es statt eines ordentlichen Brechungsindex n₀ zwei Werte n_x und n_y bezogen auf die beiden x, y-Achsen 62. Im Fall eines uniaxialen Flüssigkristalls mit n_e > n₀ hat das Brechungsindex-Ellipsoid die gleiche Orientierung wie der Flüssigkristall 9, 91, 92, 93.
Die 2a zeigt das Pixel 1 ohne angelegtes elektrisches Feld bei U_M1 = G. Die Flüssigkristalle 9, 91 sind unter einem Ausrichtungswinkel α₁ = 90° bezogen auf die Flächennormale 16 der Deckgläser 19, 20 parallel zum oberen Deckglas 19 und zum unteren Deckglas 20 ausgerichtet.
Die 2b zeigt das Pixel 2 mit maximalem elektrischen Feld, bei dem die Flüssigkristalle 92 senkrecht zu den Deckgläsern 19, 20 unter einem Ausrichtungswinkel α₂ mit nahezu 0° ausgerichtet sind, abgesehen von den Randbereichen 14, 15, in denen es durch Grenzflächeneffekte an den Deckgläsern 19, 20 zu einer nahezu feldunabhängigen Anordnung der Flüssigkristalle 9 weitgehend parallel ausgerichtet zu den Deckgläsern 19, 20 kommt. Die Randgebiete 14, 15 mit der Parallelanordnung der Flüssigkristalle 9 entlang der Deckgläser 19, 20 sind jedoch außerordentlich dünn und können bei der Betrachtung der optischen Eigenschaften des Lichtmodulators 10 vorerst vernachlässigt werden.
2c zeigt das Pixel 3 mit einem mittleren elektrischen Feld, bei dem die Flüssigkristalle 93 schräg zu den Deckgläsern 19, 20 unter einem Ausrichtungswinkel α₃ mit ca. 45° ausgerichtet sind.
Die in den 2a bis 2c eingezeichneten Pfeile verdeutlichen die Auswirkung, wenn ein Betrachter Licht sieht, das den Lichtmodulator 10 schräg durchläuft. Der Pfeil S stellt senkrecht durchlaufendes Licht dar, die Pfeile L und R links bzw. rechts schräg durchlaufendes Licht. Da das Licht den Lichtmodulator 10 unter unterschiedlichen Winkeln und somit unterschiedlichen Orientierungen zum Brechungsindex-Ellipsoid durchläuft, erfährt das Licht eine unterschiedliche Verzögerung und Änderung des Polarisationszustands.
Der schräge Durchlauf L, R des Lichts führt im Allgemeinen dazu, dass Licht, das am Eingang des Lichtmodulators 10 linear polarisiert ist, am Ausgang nicht mehr linear polarisiert ist. Wird ein Ausgangspolarisator verwendet, macht sich dieser nichtlineare Polarisationszustand in einer Amplitudenmodulation bemerkbar, die bei dem phasenmodulierenden Lichtmodulator 10 stört.
In 2c ist das Pixel 3 mit mittlerem angelegtem Feld und schräg stehenden Flüssigkristallen 93 dargestellt. Hier werden die größten Änderungen des Polarisationszustandes und somit die größten Amplitudenmodulationen auftreten, wenn der Betrachter das unter dem Durchlasswinkelbereich L, S oder R durchlaufende Licht wahrnimmt. Die relative Orientierung des Lichts zu den Flüssigkristallen 93 ändert sich mehr als bei den in den 2a und 2b gezeigten Orientierungen der Flüssigkristalle 91, 92.
Die in den 2a bis 2c angegebenen Orientierungen der Flüssigkristalle 91, 92, 93 und der Brechungsindex-Ellipsoide sind nur ein Beispiel für mögliche Orientierungen in dem phasenmodulierenden Lichtmodulator 10.
Die Winkelabhängigkeit eines phasenmodulierenden Lichtmodulators muss insbesondere dann kompensiert werden, wenn zur Durchstrahlung benutzte Lichtquellen verschoben oder mehrere Lichtquellen gleichzeitig verwendet werden sollen. Verschiebbare Lichtquellen sind beispielsweise erforderlich, wenn dem Betrachter ein Betrachterfenster nachgeführt werden soll. Ein Betrachterfenster ist in diesem Zusammenhang ein virtuelles Fenster in der Betrachterebene, durch welches der Betrachter die holografische Rekonstruktion eines Objektes sieht. Unter diesen Umständen durchläuft das Licht den phasenmodulierenden Lichtmodulator schräg und in unterschiedlichen Winkeln, und der Polarisationszustand des Lichts ändert sich nur durch Änderung des Durchstrahlungswinkels im Bereich L-S-R. Wird ein Polarisationsfilter zum Abblocken unerwünschter Polarisationszustände verwendet, äußert sich die Änderung des Polarisationszustands in einer zusätzlichen Amplitudenmodulation, die zu einer schlechteren und winkelabhängigen Rekonstruktionsqualität führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtmodulator und ein Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine reduzierte Winkelabhängigkeit der Transmission erreicht wird. Dadurch soll beispielsweise bei der Verwendung in holografischen Displayeinrichtungen die Rekonstruktionsqualität bei der Rekonstruktion farbiger Szenen unter großen Betrachterwinkeln verbessert werden. Das soll insbesondere bei der Realisierung kleiner Betrachterfenster gewährleistet werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Der Lichtmodulator für holografische Displayeinrichtungen enthält eine optisch aktive Schicht mit mindestens einem optisch aktiven Volumenbereich und mit Begrenzungsflächen, an denen Einrichtungen zur Ausbildung eines stationären Ausrichtungszustandes der optisch aktiven Schicht angebracht sind, wobei der optischen Aktivität vororientierte Brechungsindex-Ellipsoide zugeordnet sind, deren Ausrichtung durch die Einrichtungen zur Ausbildung eines stationären Ausrichtungszustandes der Flüssigkristalle pixelweise steuerbar ist, wobei der optisch aktiven Schicht mindestens ein transparenter Kompensationsvolumenbereich zugeordnet ist, der mindestens ein doppelbrechendes Material enthält, dessen Brechungsindex-Ellipsoide gegenüber den Brechungsindex-Ellipsoiden der optisch aktiven Schicht in Abhängigkeit von der Orientierungsausrichtung der jeweils steuerbaren Brechungsindex-Ellipsoide vorgegeben ausgerichtet sind, wobei die optisch aktive Schicht und der Kompensationsvolumenbereich so angeordnet sind, dass das durch den Lichtmodulator hindurchtretendes Licht sowohl die optisch aktive Schicht als auch den Kompensationsvolumenbereich passiert und der Ausrichtungszustand des optischen Materials des Kompensationsvolumenbereiches und der Ausrichtungszustand der optisch aktiven Schicht eine minimale, auf den vorgesehenen Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R der optisch aktiven Schicht bezogene Amplitudenmodulation herbeiführen.
Der Kompensationsvolumenbereich kann eine transparente doppelbrechende Kompensationsfolie darstellen, die zur optischen aktiven Schicht unmittelbar benachbart an einer der Begrenzungsflächen oder benachbart zu einem der Deckgläser angebracht ist.
Die Kompensationsvolumenbereiche können zwei transparente doppelbrechende Kompensationsfolien darstellen, die jeweils an einer Seite der optisch aktiven Schicht an deren Begrenzungsflächen angebracht sind.
Die doppelbrechenden Kompensationsfolien können fixierte Flüssigkristalle enthalten.
Die beiden Kompensationsfolien können eine jeweils gleichgerichtete Ausrichtung Θ₁ der fixierten Flüssigkristalle aufweisen, wobei deren Ausrichtung Θ₁ entgegengesetzt einem Orientierungsausrichtungsbereich α₃ der Flüssigkristalle in der optisch aktiven Schicht ist.
Die beiden Kompensationsfolien können aber auch zueinander sich kreuzende Ausrichtungen mit einem fixierten negativen Orientierungswinkel Θ₁ und einem fixierten positiven Orientierungswinkel Θ₂ der Flüssigkristalle aufweisen.
Die optisch aktive Schicht kann auch mit fixierten Flüssigkristallen versehen sein, in die eine transparente doppelbrechende Matrix mit eigenständigen raumabgeschlossenen und pixelbezogenen Kompensationsgebieten mit darin befindlichen orientierbaren Flüssigkristallen eingebettet ist, die innerhalb der Kompensationsgebiete mittels der Einrichtungen zur Ausbildung eines stationären Zustandes der Flüssigkristalle ausrichtungssteuerbar sind.
Als Einrichtungen zur Ausbildung eines stationären Zustandes der Flüssigkristalle sind im Allgemeinen Elektroden, die den Pixeln der optisch aktiven Schicht zugeordnet sind, vorgesehen.
Dabei kann der Lichtmodulator als phasenmodulierender Lichtmodulator ausgelegt sein.
Der Lichtmodulator als phasenmodulierender Lichtmodulator kann mit Freedericksz-Zellen und/oder DAP-Zellen und/oder TN-Zellen ausgelegt sein.
Dabei können die ausgerichteten Flüssigkristalle im transparenten Kompensationsvolumenbereich derart angeordnet sein, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators minimal ist, wenn die Mittelung über einen gegebenen Winkelbereich L-S-R des transmittierten Lichtes und über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide der optisch aktiven Schicht, die sich bei einer gesteuerten Modulation des Lichtmodulators ergeben, erfolgt ist.
Die ausgerichteten doppelbrechenden Flüssigkristalle im transparenten Kompensationsvolumenbereich können derart angeordnet sein, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators minimal ist, wenn die Mittelung über einen gegebenen Winkelbereich L-S-R des transmittierten Lichtes und über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide der optisch aktiven Schicht, die sich bei einer gesteuerten Modulation des Lichtmodulators ergeben, mit einer vorgegebenen Wichtung erfolgt ist.
Das Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren, die mindestens einen transparenten optisch aktiven Volumenbereich, dessen Brechungsindex-Ellipsoid pixelweise gezielt beeinflusst werden kann, und mindestens einen transparenten optisch aktiven Kompensationsvolumenbereich umfassen, der mindestens ein doppelbrechendes Material enthält, wobei der transparente optisch aktive Volumenbereich und der transparente optisch aktive Kompensationsvolumenbereich so angeordnet sind, dass durch den Lichtmodulator hindurchtretendes Licht beide Volumenbereiche passiert, ist für die Lichtmodulatoren vorgesehen,
wobei
das doppelbrechende Material im transparenten Kompensationsvolumenbereich so ausgerichtet wird, dass die Amplitudenmodulation des Lichtmodulators minimal wird, wenn für einen gegebenen Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R des transmittierten Lichtes die Mittelung über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide des optisch aktiven Volumenbereiches einschließlich der transparenten Kompensationsvolumenbereiche, die sich bei einer gesteuerten Modulation des Lichtmodulators ergeben, vorgenommen wird.
Dabei weist das Verfahren folgende Schritte auf:

– Festlegung eines Durchstrahlungswinkelbereiches L-S-R, für den die minimale Amplitudenmodulation erfolgen soll,
– Festlegung eines Variationsbereiches, in dem ein von außen an den Lichtmodulator anlegbarer Parameter U_M1, U_M2, U_M3, der das Brechungsindex-Ellipsoid der optisch aktiven Schicht beeinflusst, während der Modulation variiert wird,
– Festlegung einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich,
– numerische Simulation der Transmission des Lichtmodulators und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission bei einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich, unter Variation des Durchstrahlungswinkels über den gesamten Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator anlegbaren Parameters U_M1, U_M2, U_M3 über den gesamten Variationsbereich,
– Festlegung einer weiteren Ausrichtung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich und Wiederholung der numerischen Simulation, bis eine Ausrichtung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich gefunden ist, bei welcher die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist und
– Anordnung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich in der Ausrichtung, bei der die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist.

Die durch die numerische Simulation ermittelte Transmission des Lichtmodulators kann bei unterschiedlichen Durchstrahlungswinkeln L, S, R mit unterschiedlicher Wichtung in die Bestimmung des Minimums der Variationsbreite einfließen.
Die Anordnung des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich kann in der Ausrichtung, bei der die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist, durch die Anordnung mindestens einer doppelbrechenden transparenten Folie erfolgen, in der doppelbrechende Flüssigkristalle in der entsprechenden Ausrichtung eingebettet sind.
Der Lichtmodulator für holografische Displayeinrichtungen kann mindestens eine doppelbrechende Schicht aus Flüssigkristallen enthalten, deren Brechungsindex-Ellipsoid pixelweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes steuerbar ist, in dem mindestens ein bezüglich der Flächennormalen der doppelbrechenden Schicht asymmetrischer Kompensationsvolumenbereich vorhanden ist, der mindestens einem wellenlängen- und/oder winkelabhängigen optischen Effekt der doppelbrechenden Schicht entgegenwirkt.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, einen Lichtmodulator anzugeben, bei dem außerhalb der doppelbrechenden Schicht mindestens eine Kompensationsfolie mit fixierten doppelbrechenden Flüssigkristallen angeordnet ist. Es kann außerhalb der doppelbrechenden Schicht beidseits jeweils mindestens eine Kompensationsfolie mit fixierten doppelbrechenden Flüssigkristallen angeordnet sein. In beiden Fällen sind die fixierten doppelbrechenden Flüssigkristalle in den Kompensationsvolumenbereichen so angeordnet, dass ihre Brechungsindex-Ellipsoide in jedem Ansteuerzustand des Lichtmodulators eine andere Ausrichtung aufweisen können als die Brechungsindex-Ellipsoide der ausrichtbaren Flüssigkristallen innerhalb der doppelbrechenden Schicht des Lichtmodulators. Dadurch ergibt sich zwangsläufig, dass die Flächennormale der doppelbrechenden Schicht des Lichtmodulators keine Symmetrieachse der Brechungsindex-Ellipsoide der Flüssigkristallen in der doppelbrechenden Schicht bildet. Somit wird die Winkelabhängigkeit eines phasenmodulierenden Lichtmodulators zumindest teilweise kompensiert, indem am Lichtmodulator mindestens eine doppelbrechende Kompensationsfolie mit einem uniaxialen oder biaxialen doppelbrechenden Material angeordnet wird. Das uniaxiale oder biaxiale doppelbrechende Material dieser Kompensationsfolie ist so ausgerichtet und hat solche Brechungsindizes, dass eine winkelabhängige Amplitudenmodulation des vom Lichtmodulator transmittierten oder reflektierten Lichtes über einen großen Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R des Lichtes weitgehend vermieden wird.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung von Pixeln in verschiedenen Ansteuerzuständen nach 1, wobei
2a ein Pixel ohne angelegtes elektrisches Feld und mit parallel zu den Elektroden ausgerichteten, vororientierten Flüssigkristallen,
2b ein Pixel mit angelegtem maximalem elektrischem Feld und mit nahezu senkrecht zu den Elektroden ausgerichteten Flüssigkristallen,
2c ein Pixel mit angelegtem mittlerem elektrischem Feld und mit schräg zu den Elektroden ausgerichteten Flüssigkristallen
darstellen,
3 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel mit einer Kompensationsfolie,
4 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Pixels eines Lichtmodulators mit an den Begrenzungsflächen angeordneten Kompensationsfolien, wobei
4a die beiden Kompensationsfolien mit bezüglich der Langachsen sich kreuzende Brechungsindex-Ellipsoide und
4b die beiden Kompensationsfolien mit bezüglich der Langachsen parallel gerichtete Brechungsindex-Ellipsoide
aufweisen.
5 eine schematische Darstellung eines Lichtmodulators mit innerhalb der optisch aktiven Schicht eingebrachten Kompensationsgebieten mit ausrichtungssteuerbaren Flüssigkristallen.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators 30 mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel 1, 2, 3 gezeigt, der weitgehend dem im Stand der Technik angegebenen Lichtmodulator 10 entspricht. Der Lichtmodulator 30 umfasst die doppelbrechende Schicht 8, die Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 enthält, deren Ausrichtungszustand durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden 4, 5, 6 und 7 steuerbar ist, wobei an die Elektroden 4, 5, 6 die Modulationsspannungen U_M1, U_M2, U_M3 und an die Elektrode 7 das Massepotential G gelegt sind. Der jeweilige Zustand der optischen Eigenschaften, der sich durch Steuerung mit Hilfe des elektrischen Feldes einstellt, kann mit Hilfe von Brechungsindex-Ellipsoiden 91, 92, 93, die durch ein Achsverhältnis und eine Ausrichtung ihrer Hauptachsen – eine Langachse 61 und zwei Kurzachsen 62, wie in 2c gezeigt ist, – charakterisiert sind, beschrieben werden. Die doppelbrechende Schicht 8 wird durch parallel verlaufende Begrenzungsflächen 17, 18 begrenzt, an denen die Elektroden 4, 5, 6 und 7 ausgebildet sein können. Zumindest sind in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen 17, 18 der doppelbrechenden Schicht 8 die Elektroden 4, 5, 6 und 7 angeordnet, um die funktionsbedingte Drehung der Flüssigkristalle 91, 92, 93 pixelweise und möglichst trennscharf vornehmen zu können. In 3 erfolgt die pixelweise Einstellung des elektrischen Feldes über die pixelweise strukturierten Elektroden 4, 5, 6 auf der Begrenzungsfläche 17 der doppelbrechenden Schicht 8 durch pixelweises Anlegen von Modulationsspannungen U_M1 bis U_M3 gegen ein auf der anderen Begrenzungsfläche 18 der doppelbrechenden Schicht 8 anliegendes gemeinsames Potential an der Elektrode 7. Das gemeinsame Potential ist als gemeinsame Masse G dargestellt. Die Modulationsspannungen U_M1 bis U_M3 weisen unterschiedliche Werte auf, was aufgrund der gemeinsamen Masse G an der Elektrode 7 zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führt. Die unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führen zu einer unterschiedlichen Ausrichtung der Flüssigkristalle 91, 92, 93 innerhalb der doppelbrechenden Schicht 8, was zu einer unterschiedlichen Einstellung der optischen Eigenschaften in den jeweiligen unterschiedlichen elektrischen Feldstärken ausgesetzten Volumenbereichen 11, 12, 13 der doppelbrechenden Schicht 8 führt und durch eine unterschiedliche Ausrichtung der Hauptachsen, insbesondere bezüglich der Langachsen 61 der Brechungsindex-Ellipsoide verdeutlicht werden kann.
Wie in 3 gezeigt ist, ändert zur Phasenmodulation ein elektrisches Feld den Orientierungswinkel α₁, α₂, α₃ zwischen den Flüssigkristallen 91, 92, 93 und den Deckgläsern 19, 20 und somit den effektiven Brechungsindex der doppelbrechenden Schicht 8. Dadurch ändert sich für das durch die doppelbrechende Schicht 8 hindurchtretende Licht die optische Weglänge durch die doppelbrechende Schicht 8. Das führt dazu, dass aus unterschiedlich angesteuerten Pixeln 1, 2, 3 austretendes Licht unterschiedliche Phasenzustände aufweisen kann.
In 3 ist eine Kompensationsfolie 24 z. B. zwischen der Begrenzungsfläche 18 und der Elektrode 7 mit dem Massepotential G angeordnet. Die Ausrichtung der fixierten Flüssigkristalle 94 der Kompensationsfolie 24 kreuzt die Ausrichtung der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 in einem negativen Orientierungswinkel Θ₁ in Bezug auf die Flächennormale 16 der Begrenzungsflächen 17, 18.
Mit dem Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren wird erreicht, dass über alle Orientierungszustände der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93, eine möglichst geringe Amplitudenmodulation erzeugt wird. Es werden deshalb bei der Mittelung alle Orientierungszustände der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93, berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird daher eine gemittelte Amplitudenmodulation des phasenmodulierenden Lichtmodulators 30 minimiert. Die Mittelung erfolgt über einen gegebenen Winkelbereich L-S-R des transmittierten Lichtes und über alle Orientierungen der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93, die für die Phasenmodulation des Lichtmodulators 30 erforderlich sind. Bei der Mittelung ist es auch möglich, die Winkel des transmittierten Lichtes bzw. die Orientierungen der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93, unterschiedlich zu wichten. Beispielsweise kann ein zentraler Bereich in den Volumenbereichen 11, 12, 13 stärker gewichtet werden, um dort eine möglichst geringe verbleibende Amplitudenmodulation zu haben.
Ein Ergebnis einer solchen gemittelten und minimierten Amplitudenmodulation ist in den 3 und 4b für das Pixel 3 dargestellt. Das Brechungsindex-Ellipsoid der Kompensationsfolien 24 und 221 hat einen negativen Kompensationswinkel θ₁ zur Flächennormalen 16, die Kompensationsfolie 222 einen negativen Kompensationswinkel θ₂ zur Flächennormalen der Deckgläser 19, 20 und steht ungefähr senkrecht zu einem mittleren Ausrichtungswinkel α₃ der Flüssigkristalle 93 bei dem mittleren elektrischen Feld. Eine Kompensation ist sowohl mit nur einer Kompensationsfolie 24, wie in 3 gezeigt ist, am oberen Deckglas 19 oder unteren Deckglas 20 als auch mit zwei Kompensationsfolien 221, 222, wie in der 4b gezeigt ist, am oberen Deckglas 19 und unteren Deckglas 20 möglich.
In der 4a sind an den Elektroden 6 und 7 des Lichtmodulators 40 jeweils eine Kompensationsfolie 21 und 22 angebracht, in denen die fixierten Flüssigkristalle 94, 95 unterschiedliche Kompensationswinkel θ₁ (negativ) und θ₂ (positiv) haben, so dass sich die zugehörigen Ausrichtungszustände bzw. die zugehörigen Langachsen in den Kompensationsfolien 21 und 22 kreuzen.
5 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren erfindungsgemäßen Lichtmodulator 50. In diesem Falle umfasst die pixelweise ansteuerbare doppelbrechende Schicht 81 eine transparente Matrix, vorzugsweise aus Polymermaterial, in der sich abgeschlossene optisch aktive Volumenbereiche 231, 232, 233 befinden, in denen doppelbrechende Flüssigkristalle 96, 97, 98 weitgehend beweglich eingeschlossen sind. Außerhalb der abgeschlossenen optisch aktive Volumenbereiche 231, 232, 233 sind doppelbrechende Materialien 99 fest in die transparente Matrix 81 eingebettet und in mindestens einer Orientierungsrichtung ausgerichtet. Der Einschluss der beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 erfolgt in einer Weise, dass die Flüssigkristalle 96, 97, 98 bei Anlegen eines elektrischen Feldes in einem Winkelbereich auslenkbar sind, der für eine Modulationswirkung im Sinne eines phasenmodulierenden Lichtmodulators 50 erforderlich ist. Die nicht steuerbare Einbettung der unbeweglichen doppelbrechenden Materialien 99 in die transparente Matrix 81 erfolgt in einer Weise, in der die Orientierungsrichtung, in welcher die doppelbrechenden Materialien 99 ausgerichtet sind, außerhalb der möglichen Richtungen liegt, in denen die beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 ausgerichtet werden können. Auf diese Weise lässt sich eine Kompensationswirkung der mit fest eingebetteten doppelbrechenden Materialien 99 versehenen transparenten Matrix 81 erzielen, die der der bereits beschriebenen Kompensationsfolien 24, 21, 22, 221, 222 ähnelt oder gleicht. Bei einer Konfigurierung gemäß einer minimierten mittleren Amplitudenmodulation einschließlich der abgeschlossenen optisch aktive Volumenbereiche 231, 232, 233 zur Festlegung und Aufnahme der beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 lässt sich eine die jeweilige Elektrodenstruktur außerhalb der doppelbrechenden Matrix 81 unterstützende, besonders trennscharfe Ansteuerung des Lichtmodulators 50 erzielen.
Als fest in die doppelbrechende Schicht 8, 81 eingebettete optisch aktive Volumenbereiche 231, 232, 233 können Volumina mit Vororientierungszuständen derjenigen Flüssigkristalle eingesetzt sein, wie sie in Freedericksz-Zellen, in DAP-Zellen und/oder in TN-Zellen enthalten sind.
Die Ausrichtungssteuerung der Flüssigkristalle zur weitgehenden Kompensation der Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit wird in den Ausführungsbeispielen anhand der transmissiven Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 beschrieben. Die Erfindung lässt sich analog auch auf reflektive Lichtmodulatoren anwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Ausrichtungssteuerung der phasenmodulierenden Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 angewendet. In einer besonderen Ausführung können die Lichtmodulatoren 30, 40, 50 oder 60 als Freedericksz-Zellen aufgebaut sein, d. h. die Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 haben keinen Twist und werden senkrecht zu den Deckgläsern 19, 20 gedreht. Damit erfährt das Licht eine reine Phasenmodulation ohne Änderung des Polarisationszustands und ohne Amplitudenmodulation, wenn das Licht den Lichtmodulator 30, 40, 50 oder 60 senkrecht und mit linearer Polarisation parallel zu den Flüssigkristallen 91, 92, 93 durchläuft.
Für die Freedericksz-Zellen wird zur Ausrichtungssteuerung bei minimaler Amplitudenmodulation für den Betrachter und somit für das den Lichtmodulator 30, 40, 50 oder 60 durchlaufende Licht ein Ausrichtungswinkel α – Polarwinkel – von 20° und ein beliebiger Azimutwinkel verwendet. Ein Polarwinkel α von 20° bedeutet, dass das Licht einen Winkel von 20° zur Flächennormalen 16 der Deckgläser 19, 20 hat. Die Flüssigkristalle 91, 92, 93 haben einen Azimutwinkel von 0° und einen Polarwinkel α, der sich mit dem angelegten einstellbaren elektrischen Feld von 0° bis 90° ändert. Die Dicke der Flüssigkristall-Schicht 8 ist 4,3 μm.
Beispielsweise ist, wie in 4b gezeigt ist, der Lichtmodulator 60 mit der Kompensationsfolie 221 auf dem oberen Deckglas 19 und mit einer weiteren Kompensationsfolie 222 auf dem unteren Deckglas 20 versehen. Jede der Kompensationsfolien 221, 222 ist etwa 2,15 μm dick und besteht aus doppelbrechendem Material mit den Parametern des Flüssigkristalls, d. h. n_e 1,6727 und n₀ = 1,501. Als vorteilhafte Ausrichtung werden ein Polarwinkel α₃ von 20° und ein Azimutwinkel von 180° ermittelt. Im Querschnitt des Lichtmodulators 60, wie in 4b dargestellt ist, entspricht das einem negativen Kompensationswinkel θ₁ = 20°.
Der Effekt derartiger erfindungsgemäßer Kompensationsfolien 24; 21, 22; 221, 222 zeigt sich im Vergleich mit einem unkompensierten Lichtmodulator und einem Lichtmodulator, der analog zu einem Amplituden-Lichtmodulator kompensiert wird.
Bei einem Azimutwinkel von beispielsweise 60° ergeben sich folgende verbleibende störende Amplitudenmodulationen, wenn die Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93; 96, 97, 98 durch Anlegen eines elektrischen Felds bis zu einem maximalen Polarwinkel von 90° gedreht werden:

• Ohne Kompensation: Amplitudenmodulation um 25%,
• Kompensation wie bei Amplituden-Lichtmodulator: Amplitudenmodulation um 15%,
• Erfindungsgemäße Kompensation: Amplitudenmodulation um 4%.

Das Verfahren zur Ermittlung einer minimalen Amplitudenmodulation in Lichtmodulatoren, die mindestens einen transparenten optisch aktiven Volumenbereich 11, 12, 13, 231, 232, 233 dessen Brechungsindex-Ellipsoid pixelweise gezielt beeinflusst werden kann, und mindestens einen transparenten optisch aktiven Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 umfassen, der mindestens ein doppelbrechendes Material 94, 95, 99 enthält, wobei der transparente optisch aktive Volumenbereich 11, 12, 13, 231, 232, 233 und der transparente optisch aktive Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 so angeordnet sind, dass durch den Lichtmodulator 30, 40, 50, 60 hindurchtretendes Licht beide Volumenbereiche 11, 12, 13; 24, 21, 22, 81, 221, 222, 231, 232, 233 passiert, ist im Wesentlichen zur Festlegung der Kompensationsvolumenbereiche 24, 21, 22, 221, 222, 81 für die Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 vorgesehen. Erfindungsgemäß wird dabei das doppelbrechende Material 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 so ausgerichtet, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 minimal wird, wenn die Mittelung über einen gegebenen Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R des transmittierten Lichtes und über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide des optisch aktiven Volumenbereiches 11, 12, 13, 231, 232, 233 einschließlich der transparenten Kompensationsvolumenbereiche 24, 21, 22, 221, 222, 81, die sich bei einer gesteuerten Modulation des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 ergeben, vorgenommen wird.
In dem Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt:

– Festlegung eines Durchstrahlungswinkelbereiches L-S-R, für den die minimale Amplitudenmodulation erfolgen soll,
– Festlegung eines Variationsbereiches, in dem ein von außen an den Lichtmodulator 30, 40, 50, 60 anlegbarer Parameter U_M1, U_M2, U_M3, der das Brechungsindex-Ellipsoid der optisch aktiven Schicht 8, 231, 232, 233 beeinflusst, während der Modulation variiert wird,
– Festlegung einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81,
– numerische Simulation der Transmission des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission bei einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81, unter Variation des Durchstrahlungswinkels über den gesamten Durchstrahlungswinkelbereich L-S-R und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator 30, 40, 50, 60 anlegbaren Parameters U_M1, U_M2, U_M3 über den gesamten Variationsbereich,
– Festlegung einer weiteren Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 und Wiederholung der numerischen Simulation, bis eine Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 gefunden ist, bei welcher die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist und
– Anordnung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 in der Ausrichtung, bei der die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist.

Dabei kann die durch die numerische Simulation ermittelte Transmission des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 bei unterschiedlichen Durchstrahlungswinkeln L, S, R mit unterschiedlicher Wichtung in die Bestimmung des Minimums der Variationsbreite einfließen.
Die Anordnung des doppelbrechenden Materials 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21, 22, 221, 222, 81 erfolgt in der Ausrichtung, bei der die Variationsbreite der Transmission ein Minimum aufweist, durch die Anordnung mindestens einer doppelbrechenden transparenten Folie, in der doppelbrechende Flüssigkristalle 94, 95, 99 in der entsprechenden Ausrichtung eingebettet sind.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Pixel
2: Zweites Pixel
3: Drittes Pixel
4: Erste Elektrode
5: Zweite Elektrode
6: Dritte Elektrode
7: Massepotential-Elektrode
8: optisch aktive Schicht
81: Kompensationsvolumenbereich
9: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
91: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
92: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
93: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
94: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
95: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
96: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
97: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
98: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
99: Flüssigkristall bzw. dessen Brechungsindex-Ellipsoid
10: Erster Lichtmodulator
11: Erster Volumenbereich
12: Zweiter Volumenbereich
13: Dritter Volumenbereich
14: Erstes Randgebiet
15: Zweites Randgebiet
16: Flächennormale
17: Erste Begrenzungsfläche
18: Zweite Begrenzungsfläche
19: Erstes Deckglas
20: Zweites Deckglas
21: Erste Kompensationsfolie
22: Zweite Kompensationsfolie
221: Erste Kompensationsfolie
222: Zweite Kompensationsfolie
231: Erster optisch aktiver Volumenbereich
232: Zweiter optisch aktiver Volumenbereich
233: Dritter optisch aktiver Volumenbereich
24: Kompensationsfolie
30: Dritter Lichtmodulator
40: Vierter Lichtmodulator
50: Fünfter Lichtmodulator
60: Sechster Lichtmodulator
61: Langachse eines Brechungsindex-Ellipsoids
62: Kurzachsen eines Brechungsindex-Ellipsoids
U_M1: erste Modulationsspannung
U_M2: zweite Modulationsspannung
U_M3: dritte Modulationsspannung
G: Massepotential
S: senkrecht durchlaufendes Licht
R: rechts schräg durchlaufendes Licht
L: links schräg durchlaufendes Licht
θ₁, θ₂: Kompensationswinkel
α₁, α₂, α₃: Orientierungswinkel
L-S-R: Durchstrahlungswinkelbereich

Claims

Phasenmodulierender Lichtmodulator zur Phasenmodulation linear polarisierten Lichts, enthaltend: – eine optisch aktive Schicht (8) mit mindestens einem optisch aktiven Volumenbereich (11, 12, 13, 231, 232, 233), dem Flüssigkristalle mit vororientierten Brechungsindex-Ellipsoiden (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) zugeordnet sind, – Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung eines stationären aber steuerbaren Ausrichtungszustandes der Brechungsindex-Ellipsoide (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) der Flüssigkristalle der optisch aktiven Schicht, die an den Begrenzungsflächen der optisch aktiven Schicht angeordnet sind, und durch die der Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (9, 91, 92, 93; 96, 97, 98) der Flüssigkristalle pixelweise steuerbar ist, – mindestens einen transparenten Kompensationsvolumenbereich (21, 22, 24, 221, 222, 81), der mindestens ein doppelbrechendes Material mit fixiertem Ausrichtungszustand seiner Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) enthält, und – aufweisend einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator, dadurch gekennzeichnet, dass der fixierte Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95; 99) des doppelbrechenden Materials des Kompensationsvolumenbereiches (24, 21, 22, 221, 222, 81) derart bestimmt ist, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des durch den phasenmodulierenden Lichtmodulator im optisch aktiven Volumenbereich und Kompensationsvolumenbereich modulierten Lichtes für diesen fixierten Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials des Kompensationsvolumenbereiches (21, 22, 24, 221, 222, 81) ein Minimum aufweist, wobei das Minimum über eine numerische Simulation mit folgenden Schritten bestimmt wird: – Festlegung eines Durchstrahlungswinkelbereiches (L-S-R), für den eine minimale gemittelte Amplitudenmodulation vorgesehen ist, – Festlegung eines Variationsbereiches, in dem ein von außen an den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) durch die Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung eines Ausrichtungszustandes einstellbarer physikalischer Parameter (U_M1, U_M2, U_M3), der die Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) der optisch aktiven Schicht (8, 231, 232, 233) beeinflusst, während der Modulation variiert wird, – Festlegung einer ersten Ausrichtung der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81), – Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation durch numerische Simulation der Transmission oder Reflexion des Lichtmodulators (30, 40, 50, 60) und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission oder Reflexion bei einem ersten Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) unter Variation des Durchstrahlungswinkels über den gesamten Durchstrahlungswinkelbereich (L-S-R) und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) anlegbaren Parameters (U_M1, U_M2, U_M3) über seinen gesamten Variationsbereich, – Festlegung einer weiteren Ausrichtung der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) und – Wiederholung der numerischen Simulation zur Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation, solange, bis die gemittelten Amplitudenmodulationen für alle fixierbaren Ausrichtungszustände der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) ermittelt wurden, – Auswahl desjenigen Ausrichtungszustandes der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81), bei welcher die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission oder Reflexion minimal ausgebildet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsvolumenbereich (24) eine transparente doppelbrechende Kompensationsfolie darstellt, die parallel zu einer Seite der optischen aktiven Schicht (8) angeordnet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsvolumenbereich (21, 22, 221, 222) durch zwei transparente doppelbrechende Kompensationsfolien dargestellt ist, die jeweils an entgegengesetzten Seiten parallel zur optisch aktiven Schicht (8) angeordnet sind.
Lichtmodulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelbrechenden Kompensationsfolien (21, 22, 221, 222, 24) in ihrer Ausrichtung fixierte Flüssigkristalle (94, 95) enthalten.
Lichtmodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kompensationsfolien (221, 222) eine Ausrichtung mit einem jeweils gleichgerichteten Kompensationswinkel (Θ₁) der fixierten Flüssigkristalle (94) aufweisen, wobei deren Kompensationswinkel (Θ₁) entgegengesetzt dem Orientierungswinkel (α₃) der Flüssigkristalle (93) in der optisch aktiven Schicht (8) ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kompensationsfolien (21, 22) zueinander sich kreuzende Ausrichtungen mit einem fixierten negativen Kompensationswinkel (Θ₁) und einem fixierten positiven Kompensationswinkel (Θ₂) der Flüssigkristalle (94; 95) aufweisen.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Schicht (8) einen Kompensationsvolumenbereich (81) mit in ihrer Ausrichtung fixierten Flüssigkristallen (99) enthält, in dem eigenständige, raumabgeschlossene und pixelbezogene optisch aktive Volumenbereiche (231, 232, 233) mit darin befindlichen, bezüglich des Ausrichtungszustandes ihrer Brechungsindex-Ellipsoide steuerbaren Flüssigkristallen (96, 97, 98) eingebettet sind, wobei die Brechungsindex-Ellipsoide der steuerbaren Flüssigkristalle (96, 97, 98) innerhalb der optisch aktiven Volumenbereiche (231, 232, 233) durch die Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung Ausrichtungszustandes ausrichtungssteuerbar sind.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ausbildung eines stationären aber steuerbaren Ausrichtungszustandes der Brechungsindex-Ellipsoide der Flüssigkristalle (9, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98) Elektroden (4, 5, 6, 7) sind, die Pixeln (1, 2, 3) der optisch aktiven Schicht (8, 231, 232, 233) zugeordnet sind.
Lichtmodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) Freedericksz-Zellen oder DAP-Zellen oder TN-Zellen enthält.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelung über einen gegebenen Durchstrahlungswinkelbereich (L-S-R) und über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide (9, 91, 92, 93; 94, 95, 96, 97, 98, 99) mit einer in Abhängigkeit des Durchstrahlungswinkels vorgegebenen Wichtung erfolgt.
Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren (30, 40, 50, 60), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der optisch aktive Volumenbereich (8, 231, 232, 233) und der transparente Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) so angeordnet sind, dass das durch den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) hindurchtretende Licht beide Volumenbereiche (8, 231, 232, 233; 24, 21, 22, 221, 222, 81) passiert, dadurch gekennzeichnet, dass der zu fixierende Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) dadurch berechnet wird, dass für alle fixierbaren Ausrichtungszustände der Brechungsindex-Ellipsoide des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (21, 22, 24, 221, 222, 81) eine numerische Simulation mit folgenden Schritte durchgeführt wird: – Festlegung eines Durchstrahlungswinkelbereiches (L-S-R), für den eine minimale gemittelte Amplitudenmodulation vorgesehen ist, – Festlegung eines Variationsbereiches, in der ein von außen an den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) durch die Mittel (4, 5, 6, 7) zur Ausbildung eines Ausrichtungszustandes einstellbarer physikalischer Parameter (U_M1, U_M2, U_M3), der die Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) der optisch aktiven Schicht (8, 231, 232, 233) beeinflusst, während der Modulation variiert wird, – Festlegung einer ersten Ausrichtung der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81), – Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation durch numerische Simulation der Transmission oder Reflexion des Lichtmodulators (30, 40, 50, 60) und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission oder Reflexion bei einem ersten Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) unter Variation des Durchstrahlungswinkels über den gesamten Durchstrahlungswinkelbereich (L-S-R) und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator (30, 40, 50, 60) anlegbaren Parameters (U_M1, U_M2, U_M3) über seinen gesamten Variationsbereich, – Festlegung einer weiteren Ausrichtung der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) und Wiederholung der numerischen Simulation zur Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation, solange, bis die gemittelten Amplitudenmodulationen für alle fixierbaren Ausrichtungszustände der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81), ermittelt wurden, – Auswahl desjenigen Ausrichtungszustandes der Brechungsindex-Ellipsoide (94, 95, 99) des doppelbrechenden Materials im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81), bei welcher die berechnete gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission oder Reflexion minimal ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Simulation der Transmission oder Reflektion des Lichtmodulators (30, 40, 50, 60) bei unterschiedlichen Durchstrahlungswinkeln (L, S, R) mit unterschiedlicher Wichtung des Durchstrahlungswinkels in die Bestimmung des Minimums der gemittelten Amplitudenmodulation einfließt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Material im transparenten Kompensationsvolumenbereich (24, 21, 22, 221, 222, 81) in dem Ausrichtungszustand der Brechungsindex-Ellipsoiden (94, 95, 99) fixiert wird, bei dem die gemittelte Amplitudenmodulation ein Minimum aufweist.