DE102007021774B4

DE102007021774B4 - Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen

Info

Publication number: DE102007021774B4
Application number: DE102007021774A
Authority: DE
Inventors: Bo Kroll; Armin Schwerdtner; Nobert Leister
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: JP2010525405A; US20100149617A1; JP5374495B2; WO2008132206A1; KR20100023829A; KR101505929B1; DE102007021774A1; TW200848834A; CN101720447A; US8169682B2; TWI409527B; CN101720447B

Abstract

Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche (2) mit einer Anordnung von Pixeln (131, 132, 141, 142; 13, 14), die in ihrer transmissiven oder reflektiven Phasenverschiebung steuerbar sind, wobei zur Kodierung verschiedender Komponenten einer komplexen Zahl jeweils zumindest einem vorgegebenem Pixel (131, 132; 141, 142; 13, 14) aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln (151, 152; 15) der Kodierfläche (2) jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden Strahlenbündels herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d) der Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) derart ausgebildet ist, dass bei der Kodierung der verschienenen Komponenten einer komplexen Zahl die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes (20, 21) zwischen einzelnen Pixeln (131, 132, 141, 142; 13, 14) der Pixelgruppe...

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche mit einer Anordnung von Pixeln, die in ihrer transmissiven oder reflektiven Phasenverschiebung steuerbar sind.
Die Berechnung computergenerierter Hologramme und ähnlicher diffraktiver Strukturen zur Kodierung in pixelierten Lichtmodulatoren liefert im Allgemeinen komplexwertige Informationen – im Sinne von Zahlen – mit einem Realteil und einem Imaginärteil, die in Form einer Amplituden- und/oder Phaseninformation in den Lichtmodulator mit einer diskreten Pixelstruktur eingeschrieben und mittels hinreichend kohärenter Beleuchtung rekonstruiert werden.
Die Lichtmodulatoren lassen in der Regel nur das Einschreiben der Amplituden oder der Phaseninformation in ein Pixel, aber nicht das Einschreiben der vollständigen komplexen Zahl, d. h. einer beliebigen Kombination von Amplituden- und Phaseninformation gleichzeitig, zu.
Bekannte Verfahren zur Lösung dieses Problems, wie z. B. das in der Druckschrift US 5,416,618 A dargestellte, verwenden entweder eine Kombination mehrerer Lichtmodulatoren - zum Beispiel eines Amplituden- und eines Phasen-Lichtmodulators oder von zwei Amplituden- bzw. Phasen-Lichtmodulatoren, um je Pixel eine komplexe Zahl darzustellen. Dies ist aber mit dem Nachteil einer aufwendigen Justage verbunden, denn die Pixelstruktur der beiden Lichtmodulatoren muss deckungsgleich sein.
Dieser Nachteil tritt nicht auf, wenn eine komplexe Zahl durch eine Gruppe von mehreren Pixeln auf dem gleichen Lichtmodulator repräsentiert wird. Es handelt sich dabei aber um aufwändige Kodierungsverfahren, die meist mit einer iterativen Berechnung der komplexwertigen Kodierung verbunden sind.
Eine Variante dieser Kodierungsverfahren besteht in der Verwendung mehrerer Phasenwerte, insbesondere einer Zwei-Phasenkodierung. Eine komplexe Zahl wird dabei durch eine Summe von zwei Zahlen mit gleichem Betrag und unterschiedlichen Phasenwerten dargestellt und in zwei benachbarte Pixel des gleichen Lichtmodulators eingeschrieben.
Die Interferenz von kohärentem Licht, das durch beide Pixel geht, ergibt dann das gleiche Ergebnis wie Licht, das durch ein einzelnes komplexwertiges Pixel laufen würde. Das gilt aber nur dann, wenn für die Lichtstrahlen zwischen den beiden Pixeln außer dem berechneten kein weiterer optischer Gangunterschied entsteht. Bei der Beugung an den benachbarten Pixeln einer Pixelgruppe tritt jedoch einerseits ein winkelabhängig, sich ändernder optischer Gangunterschied auf, was zu Fehlern in der Hologrammrekonstruktion führt.
Andererseits ist derjenige winkelabhängig variierende, optische Gangunterschied zwischen einer Gruppe von Pixeln, die eine komplexe Zahl repräsentieren, relativ zu benachbarten Gruppen von Pixeln, die andere komplexe Zahlen repräsentieren, für eine Hologrammrekonstruktion unbedingt notwendig, da dies gerade das Prinzip der Beugung darstellt, auf der die Hologrammrekonstruktion basiert.
Die Druckschrift DE 10 2006 003 741 A1 beschreibt für den Fall einer Zwei-Phasen-kodierung eine Modifikation der Hologrammberechnung durch ein iteratives Verfahren, bei dem eine Verbesserung der Rekonstruktion erreicht wird. Dies erfordert jedoch einen erhöhten Berechnungsaufwand, was zum Beispiel für eine Echtzeitberechnung von Hologrammen hinderlich ist.
Aus der Druckschrift US 5 606 441 A ist ein Modulator und ein Verfahren zur komplexwertigen Lichtmodulation durch Mehrphasenkodierung in mindestens 2 benachbarten Pixeln bekannt.
Aus der Druckschrift US 2005/146 768 A1 ist ein Phasen-Lichtmodulator auf Basis von Elastomeren für die Lithographie im extremen UV-Bereich bekannt. Diese Druckschrift beschreibt hauptsächlich den Aufbau und die Herstellung eines derartigen Phasenmodulators.
Die Druckschrift WO 96/1 0771 A1 beschreibt pixelierte Kompensatoren für LC-Displays, welche eine Verbesserung des Kontrasts und der Linearität der Grauwert-Skala des Displays in einem möglichst großen Sichtwinkelbereich ermöglichen.
Ein weiteres Problem in der Displayholografie ist der aufgrund der Pixelabmessungen herkömmlicher Lichtmodulatoren sehr kleine nutzbare Beugungswinkel, wodurch entweder die Ausdehnung oder der Sichtbarkeitsbereich einer holografisch rekonstruierten Szene stark eingeschränkt wird. Werden nun zur Kodierung komplexer Hologrammwerte mehrere benachbarte Pixel verwendet, so wird der Beugungswinkel noch weiter verringert. Dieser Nachteil wird auch dadurch nicht beseitigt, wenn auf die Kodierung der vertikalen Parallaxe verzichtet und nur die. horizontale Parallaxe holografisch kodiert wird.
Eindimensional kodierte Hologramme sind in einem Verfahren in der Displayholografie z. B. in der Druckschrift US 3,633,989 A beschrieben, bei dem eine Hologrammkodierung z. B. nur in horizontaler Richtung erfolgt (engl. horizontal parallax only holograms – HPO). Dabei werden normalerweise in jede Zeile eines Lichtmodulators unabhängig voneinander berechnete Werte für das Hologramm eingeschrieben.
Eine spezielle Einrichtung zur Rekonstruktion eindimensionaler Hologramme entsteht bei der Verwendung eines Lichtmodulators mit einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln. Eine räumliche Szene kann dann beispielsweise rekonstruiert werden, indem zeitlich nacheinander einzelne Zeilen eines Hologramms auf dem Lichtmodulator angezeigt und in Kombination mit einer Scanner-Einheit in vertikaler Richtung aneinandergereiht werden.
Wenn man eine HPO-Kodierung und einen Lichtmodulator mit einer zweidimensionalen Anordnung von Pixeln verwendet und in jede Zeile des Lichtmodulators nicht voneinander abhängige Werte einschreibt, sondern jeweils Gruppen von mehreren Zeilen kombiniert, so ergibt sich die Möglichkeit, den horizontal nutzbaren. Beugungswinkel auf Kosten eines Verlustes an vertikaler Auflösung zu erhöhen. Eine spezielle Möglichkeit ist die kohärente Kombination mehrerer Hologrammzeilen. Bei einer Zwei-Phasenkodierung können zum Beispiel beide Phasenwerte in zwei benachbarte Zeilen des Lichtmodulators eingeschrieben werden. Dazu ist dann aber auch bei der Rekonstruktion eine kohärente Beleuchtung der jeweiligen Gruppen von Zeilen erforderlich.
Bei HPO-Hologrammen ist eine Abhängigkeit der Hologramm-Rekonstruktion vom vertikalen Beugungswinkel nicht erwünscht. Wird aber eine Gruppe von Zeilen eines Lichtmodulators kohärent beleuchtet, so entsteht ein in vertikaler Richtung unerwünschter, winkelabhängig variierender Gangunterschied zwischen den einzelnen Zeilen, während in horizontaler Richtung der Gangunterschied zwischen benachbarten Spalten für die Rekonstruktion notwendig ist, da er bei einer Phasenkodierung die Information über das zu rekonstruierende Objekt enthält.
In beiden Fällen, zum Einen bei der Phasenkodierung mit mehreren Pixeln zur Repräsentation einer komplexen Zahl und zum Anderen bei der kohärenten Kombination mehrerer HPO-kodierter Lichtmodulatorzeilen tritt also das gleiche Problem auf:
Zwischen den Gruppen von wenigen, einander benachbarten Pixeln tritt einerseits ein störender winkelabhängig variierender, optischer Gangunterschied auf, während andererseits der in analoger Weise entstehende optische Gangunterschied zu anderen Pixeln oder Pixelgruppen entweder nicht von Bedeutung oder für die Hologrammrekonstruktion sogar notwendig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass ein störender winkelabhängig variierender, optischer Gangunterschied zwischen benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen weitgehend vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen enthält eine Kodierfläche mit einer Anordnung von Pixeln, die in ihrer Phase steuerbar sind, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 jeweils zumindest einem vorgegebenen Pixel aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln der Kodierfläche jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Schichtdicke der Verzögerungsschicht derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes zwischen einzelnen Pixeln einer Pixelgruppe entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
Die bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht ist im Bereich der Kodierfläche eingebracht, wobei die Verzögerungsschicht vor und/oder nach der Kodierfläche vorzugsweise in engem Kontakt mit den Pixeln angeordnet sein kann.
Die Anordnung der Pixel kann dabei eindimensional streifenförmig oder zweidimensional flächig in Bezug zur Kodierfläche ausgebildet sein.
Die Kodierfläche kann sowohl als eine biegeelastische als auch als eine starre Schicht ausgebildet sein.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mit mindestens einer auf beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche angebrachten Ausrichtungsschicht in Verbindung stehen.
Die Kodierfläche kann eine ebene, planare Flüssigkristall-Schicht sein.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mindestens einer, auf beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche angebrachten, Schaltelementeschicht zur Steuerung der Pixel zugeordnet sein.
Die Schaltelementeschicht kann eine Elektrodenschicht darstellen.
Die die Anordnung der Pixel enthaltende Kodierfläche kann mit mindestens einer Trägerschicht in Verbindung stehen.
Die Trägerschicht kann als flexible Schicht, insbesondere aus Kunststoff, oder als eine starre Kunststoff- oder Glasschicht ausgebildet sein.
Der Lichtmodulator kann aufweisen

– eine die Anordnung von Pixeln enthaltende Kodierfläche,
– wahlweise eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche angebrachte Ausrichtungsschicht,
– mindestens eine auf den beiden angrenzenden freien Seiten angebrachte Elektrodenschicht zur Steuerung der Pixel und
– mindestens eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden freien Seiten angebrachte Trägerschicht,

Bei diesem Lichtmodulator können zwischen den Elektrodenschichten und den Trägerschichten wahlweise einseitig oder beidseitig zur ebenen Kodierfläche strukturierte Verzögerungsschichten angebracht sein.
Zur Ansteuerung der Kodierfläche, z. B. in Form einer Flüssigkristall-Schicht, können die Elektroden und die Ausrichtungsschichten zur Ansteuerung und Orientierung der Pixel auf der oder den Verzögerungsschichten an der der Flüssigkristall-Schicht zugewandten Seite aufgebracht sein.
Zwischen einer Elektrode und den Verzögerungsschichten kann sich auf der Seite der nach den Pixeln austretenden Lichtstrahlen eine Maske mit einer Struktur befinden, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen die einfallenden Lichtstrahlen die Nachbarschaftsgrenze zwischen den Verzögerungsschichten überschreiten.
Die Strukturabmessungen der strukturierten Verzögerungsschichten können weitgehend der Ausdehnung einer aus mehreren Pixeln bestehenden Pixelgruppe entsprechen. Die Pixel der Pixelgruppe sind dabei häufig so angeordnet, dass die Strukturierung der Verzögerungsschichten nur in einer Dimension erfolgen muss.
Im Folgenden wird die strukturierte Verzögerungsschicht am Beispiel einer Pixelgruppe aus zwei Pixeln beschrieben. Im Allgemeinen ist aber eine Strukturierung auch für Pixelgruppen aus mehr als zwei Pixeln durchführbar.
Bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile in je zwei Pixeln eine komplexe Zahl zu kodieren, können beispielsweise die strukturierten Verzögerungsschichten eine spaltenförmige Anordnung von der Höhe des Lichtmodulators und der Breite aufweisen, die ungefähr den Abmessungen der Pixel entspricht.
Die strukturierten Verzögerungsschichten können jeweils eine strukturierte Schicht eines einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien darstellen, wobei die doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht aufweisen.
Die jeweils auf die Pixel folgende Verzögerungsschicht bewirkt, dass schräg unter einem Winkel einfallende Lichtstrahlen durch die durch ein Pixel voneinander getrennten Pixel hindurch für den Winkel α unterschiedlich lange optischen Wege OW durchlaufen, so dass der Gangunterschied zu den jeweils benachbarten Pixeln teilweise oder vollständig ausgeglichen wird.
Die Änderung des optischen Weges OW für den Winkel α ist relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel α₀ bezogen, wobei für den Referenzwinkel α₀ die Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in die Pixel einer Gruppe kompensiert werden.
Die unterschiedlichen Verzögerungsschichten gleicher Schichtdicke d können vor den beiden benachbarten Pixeln der Gruppen angebracht sein, wobei Licht von einem Pixel der Gruppe relativ zum Referenzwinkel α₀ einen längeren optischen Weg und Licht vor dem anderen Pixel relativ zum Referenzwinkel α₀ einen kürzeren optischen Weg aufweisen, da die Verzögerungsschichten unterschiedliche Eigenschaften haben.
Für die benachbarten Verzögerungsschichten kann gleiches doppelbrechendes Material, aber mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse eingesetzt sein, damit in einem Fall der optische Weg OW in der einen Verzögerungsschicht mit dem Winkel α_n zunimmt und im anderen Fall der optische Weg OW in der benachbarten Verzögerungsschicht mit dem Winkel α_n abnimmt oder umgekehrt.
Die Verzögerungsschichten können mit unterschiedlichen doppelbrechenden Materialien versehen sein.
Zur Verringerung der Schichtdicke d können die Verzögerungsschichten in mehrere Teile aufgeteilt sein, die in unterschiedlicher Position angeordnet sind, beispielsweise in zwei Hälften, die zu den beiden ebenen Seiten der Kodierfläche angeordnet sind.
Die Verzögerungsschichten können auch aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten zusammengesetzt sein. Diese können auch durch Zwischenschichten verbunden sein, zum Beispiel durch Klebstoffschichten. Eine solche Aufteilung kann beispielsweise die Herstellung erleichtern.
In ihrer Funktion als Verzögerungsschicht wirken die übereinander liegenden Teilschichten jeweils wie eine einzelne Verzögerungsschicht. Im Folgenden wird für diese Fälle allgemein der Begriff Verzögerungsschicht benutzt.
Die Verzögerungsschichten können sich z. B. im Fall eines Flüssigkristall-Modulators in unmittelbarer Nähe zur Flüssigkristall-Schicht innerhalb der Glasschichten befinden. Grundsätzlich ist der Einsatz strukturierter Verzögerungsschichten aber in verschiedenen Typen von Lichtmodulatoren möglich.
Der Lichtmodulator kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die strukturierten Verzögerungsschichten bei Verwendung einer die Anordnung von Pixeln darstellenden Mikrospiegel-Feldanordnung, insbesondere einer Tip-Spiegel-Feldanordnung für Phasenmodulation, vorgesehen sind, wobei die strukturierten Verzögerungsschichten abwechselnd auf benachbarte Mikrospiegel bzw. Spalten von Mikrospiegeln der Mikrospiegel-Feldanordnung aufgebracht sind.
Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators in einem Längsschnitt,
2 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler Richtung eines herkömmlichen Lichtmodulators mit auftretenden Gangunterschieden der von benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen ausgehenden Lichtstrahlen,
3 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler Richtung eines Lichtmodulators mit Verzögerungsschichten an zwei Pixeln zur Kompensation des auftretenden Gangunterschiedes der von den Pixeln ausgehenden Lichtstrahlen, wobei die Verzögerungsschichten gleiche optische Eigenschaften aufweisen,
4 eine schematische Darstellung von vier benachbarten Pixeln in vertikaler Richtung eines Lichtmodulators mit Verzögerungsschichten an vier Pixeln zur Kompensation des auftretenden Gangunterschiedes der von den Pixeln ausgehenden Lichtstrahlen, wobei die jeweils benachbarten Verzögerungsschichten unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen,
5 eine schematische Darstellung der Winkelabhängigkeit des Brechungsindex bei einem doppelbrechenden Material anhand eines Brechungsindexellipsoids,
6 Brechungsindex-Winkel-Diagramme für doppelbrechendes Material, wobei
6a den Brechungsindex n in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse und
6b die Brechungsindexänderung Δn für eine kleine Winkeländerung ΔΘ in Abhängigkeit vom Winkel Θ in Relation zur optischen Achse,
7 eine Darstellung der Winkeländerung im doppelbrechenden Material relativ zur Winkeländerung in Luft,
8 eine strukturierte Verzögerungsschicht aus einem doppelbrechenden Material mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse und
9 eine schematische Darstellung der Aufspaltung der Verzögerungsschicht in zwei Teilschichten zu beiden Seiten einer Kodierfläche in Form einer Flüssigkristall-Schicht mit eingefügter Maske.
In 1 ist beispielhaft eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators 1 gezeigt, der aus

– einer Flüssigkristall-Schicht 2,
– einer auf beiden angrenzenden Seiten der Flüssigkristall-Schicht 2 angebrachten Ausrichtungsschicht 3, 4,
– einer auf den beiden angrenzenden freien Seiten angebrachten Elektrodenschicht 5, 6 und
– einer auf den beiden angrenzenden freien Seiten angebrachten Glasschicht 7, 8 besteht,

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5

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Erfindungsgemäß ist zumindest zwischen einer der Elektrodenschichten 5, 6 und der der Elektrodenschicht 5, 6 gegenüberliegenden Glasschicht 7, 8 eine strukturierte Verzögerungsschicht 9, 10, 11, 12 eingebracht, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden Strahlenbündels herbeiführt, wobei die Dicke der Verzögerungsschicht 9, 10, 11, 12 derart ausgebildet ist, dass die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht 9, 10, 11, 12 der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes zwischen einzelnen Pixeln 13, 14 einer Pixelgruppe 15 entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes 20, 21 zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
Zwischen den Elektrodenschichten 5, 6 und den Glasschichten 7, 8 kann beidseitig zur Flüssigkristall-Schicht 2 eine strukturierte Verzögerungsschicht 9, 11 und 10, 12 eingebracht sein.
Zur Ansteuerung der Flüssigkristall-Schicht 2 sind die Elektroden 5, 6 und die Ausrichtungsschichten 3, 4 zur Ansteuerung und Orientierung der Flüssigkristallpixel 13, 14 auf den Verzögerungsschichten 9, 11 und 10, 12 an der der Flüssigkristall-Schicht 2 zugewandten Seite und nicht direkt auf einer Glasschicht 7 oder 8 aufgebracht, wie in 1 gezeigt ist.
Des Weiteren kann sich zwischen der Elektrode 6 und der Verzögerungsschicht 10, 12 eine Maske 19 mit einer Struktur befinden, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen die Lichtstrahlen die Nachbarschaftsgrenze zwischen den Verzögerungsschichten, z. B. 12, 10 überschreiten.
Die Strukturbreite der strukturierten Verzögerungsschicht 9, 10, 11, 12 kann in etwa der Ausdehnung einer Pixelgruppe 15 entsprechen.
Bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile je eine komplexe Zahl zu kodieren, kann die strukturierte Verzögerungsschicht 9, 10, 11, 12 eine spaltenförmige Anordnung von ungefähr den Abmessungen der Pixel 13, 14 aufweisen.
Die Verzögerungsschichten 9, 10, 11, 12 können aus einem einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien bestehen, wobei bei optisch doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht auftreten.
Zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lichtmodulators 1 wird Folgendes anhand der 2 bis 9 näher erläutert:
Die 2 zeigt in die Erfindung aufbauender Weise schematisch vier Pixel 131, 132, 141, 142 eines herkömmlichen Lichtmodulators, die zu zwei Pixelgruppen 151, 152 mit je zwei Pixeln 131, 132; 141, 142 angeordnet sind. Die Pixel 131 und 132 sowie die Pixel 141 und 142 repräsentieren beispielsweise je eine komplexe Zahl in einer Zwei-Phasenkodierung. Die einfallenden Lichtstrahlen treten unter einem Winkel α durch die Pixel 131, 132, 141, 142 hindurch.
Zwischen dem Pixel 131 und dem Pixel 132 sowie zwischen dem Pixel 141 und dem Pixel 142 entsteht jeweils nach Durchgang der Strahlen ein unerwünschter Gangunterschied 20, 21, während der Gangunterschied 22 zwischen Pixelgruppe 151 relativ zu Pixelgruppe 152 erwünscht ist.
Die 3 zeigt erfindungsgemäß eine jeweils auf die Pixel 131 und 141 aufgebrachte Verzögerungsschicht 101, 102, die bewirkt, dass die Lichtstrahlen durch die Pixel 131 und 141 für den Winkel α einen längeren optischen Weg OW durchlaufen, so dass der Gangunterschied 20, 21 zu Pixel 132 beziehungsweise 142 teilweise oder vollständig ausgeglichen wird. Entscheidend ist dabei nur die Änderung des optischen Weges OW für den Winkel α relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel α₀ (nicht eingezeichnet). Für den Referenzwinkel α₀ können Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in diesem Fall eines der beiden Pixel einer Gruppe kompensiert werden.
Ein praktischer Nachteil der Pixel-Anordnung in 3 ist es, dass Verzögerungsschichten unterschiedlicher Schichtdicken d vor den einzelnen Pixeln aufgebracht sind.
Eine demgegenüber vorteilhafte Anordnung, wie in 4 gezeigt, nutzt zwei unterschiedliche Verzögerungsschichten 101, 121 und 102, 122 gleicher Schichtdicken vor den beiden Pixeln 131, 132 und 141, 142 der Gruppen 151, 152, wobei das Licht von Pixel 131 relativ zum Referenzwinkel α₀ einen längeren optischen Weg OW und Licht von Pixel 132 relativ zum Referenzwinkel α₀ einen kürzeren optischen Weg OW zurücklegt, da die Verzögerungsschichten 101, 102 gegenüber den Verzögerungsschichten 121, 122 für diesen Winkel unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen.
Die 5 zeigt schematisch die Abhängigkeit des Brechungsindex vom Winkel des durchtretenden Lichtes bei einem doppelbrechenden Material, wenn die optische Achse 16 parallel zum außerordentlichen Brechungsindex n2 verläuft.
Die Winkelabhängigkeit des Brechungsindex wird durch folgende Gleichung beschrieben: n(Θ) = n1·n2/sqrt(n1²cos²Θ + n2²sin²Θ) (1), wobei n1 der ordentliche Brechungsindex und n2 der außerordentliche Brechungsindex ist, die beide senkrecht zueinander gerichtet sind, und Θ den Winkel eines Lichtstrahls relativ zur optischen Achse 16 des doppelbrechenden Materials darstellt. Dabei stellen die beiden Brechungsindizes n1 und n2 ein sogenanntes Brechungsindexellipsoid 17 dar.
Die 6 zeigt als Grafik die Änderung des Brechungsindex n mit einer Winkeländerung als Beispiel für ein Material mit Brechungsindex n mit n1 = 1,5 und n2 = 1,75 Dabei tritt für einen bestimmten Winkel Θ schräg zur optischen Achse 16 eine maximale Änderung auf, wobei in der Umgebung des bestimmten Winkels Θ die Änderung näherungsweise linear zum Winkel Θ verläuft.
Die Nutzung des Winkelbereiches Θ nahe der maximalen Änderung ist vorteilhaft, weil dann die in 7 gezeigte Schichtdicke d der Verzögerungsschicht 101, die benötigt wird, um die bestimmten Gangunterschiede 20, 21 auszugleichen, geringer wird. Die Nutzung in dem Bereich annähernd linearer Änderung des Brechungsindex mit dem Winkel Θ ist ebenfalls vorteilhaft, da die Gangunterschiede 20, 21, die kompensiert werden sollen, sich mit dem Sinus des Winkels Θ ändern, und der Sinus für kleine Winkel ebenfalls näherungsweise linear verläuft. Durch das ähnliche Winkelverhalten kann also ein großer Teil der Gangunterschiede 20, 21 kompensiert werden.
Wie in 7 gezeigt ist, wird bei der Berechnung der zur Kompensation nötigen Schichtdicke d der Verzögerungsschicht 101 berücksichtigt, dass zwischen der zur Kompensation verwendeten Verzögerungsschicht 101 und dem Betrachter des Lichtmodulators 1 noch ein Übergang der Lichtstrahlen 18 von einem optischen Material mit einem Brechungsindex n mit n > 1 zu Luft erfolgt, so dass die Winkeländerungen α_n in der Verzögerungsschicht 101 mit den äußeren Winkeländerungen α, aus denen sich der Gangunterschied errechnet, über das Brechungsgesetz verbunden sind.
Wie in 8 gezeigt ist, bewirkt die Verwendung des gleichen doppelbrechenden Materials, aber mit unterschiedlicher Orientierung 161, 162 der optischen Achse 16, dass in einem Fall der optische Weg OW in der Verzögerungsschicht 101 mit dem Winkel α_n zunimmt und im anderen Fall der optische Weg OW in der Verzögerungsschicht 121 mit dem Winkel α_n abnimmt.
Wie in 8 gezeigt ist, ergeben sich für den optischen Weg OW durch die Verzögerungsschicht 101 hindurch folgende Ausdrücke:
für den Strahl 180 ist der optische Weg OW₁₈₀ = d·n(Θ) und
für den Strahl 181 ist der optische Weg OW₁₈₀ = d·n(Θ + α_n)/cosα_n.
Der optische Weg OW durch die Verzögerungsschicht 121 hindurch beträgt
für den Strahl 180 OW₁₈₀ = d·n(Θ) und
für den Strahl 181 OW₁₈₀ = d·n(Θ – α_n)/cosα_n.
Dies ist eine spezielle Realisierung des bereits in 4 gezeigten Prinzips der Verwendung gleicher doppelbrechender Materialien mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse. Generell können aber auch unterschiedliche doppelbrechende Materialien für die Verzögerungsschichten 101, 102; 121, 122; 9, 10, 11, 12 vorgesehen sein.
Um die Schichtdicke d der Verzögerungsschichten 101, 102; 121, 122 weiter zu reduzieren, kann, wie in 9 gezeigt ist, im Falle eines transmissiven Modulators eine Aufspaltung der Verzögerungsschichten 101, 121 in zwei Teile 9, 10 und 11, 12 durchgeführt werden, die zu beiden ebenen Seiten der Flüssigkristall-Schicht 2 angeordnet sind, was übertragungsbezogen zur bereits beschriebenen 1 führt.
Zusätzlich verbessernd kann eine absorbierende Maske 19 auf der Verzögerungsschicht 10, 12 aufgebracht sein, die verhindert, dass bei schrägem Lichtdurchgang Lichtstrahlen 181 die Grenze zwischen dem einen und dem anderen Teil der Verzögerungsschichtstruktur überschreiten. Dies ist ebenfalls in 9 dargestellt. Dabei kann die Maske 19 zwischen den Verzögerungsschichten 10, 12 und den Pixeln 13, 14 angeordnet sein. Der geneigt gezeichnete Strahl 182 in 9 wird durch die Maske 19 absorbiert.
Bevorzugt befinden sich die Verzögerungsschichten 9, 10, 11, 12 in unmittelbarer Nähe zur Kodierfläche, in diesem Fall zur Flüssigkristall-Schicht 2, also bei einem herkömmlichen Display innerhalb der Glasschichten 7, 8. Der in 7 dargestellte Übergang erfolgt dann nicht direkt zwischen der Verzögerungsschicht 101 und Luft, sondern an einer anderen Stelle zwischen Glas 7 oder 8 und Luft.
Die am Beispiel eines transmissiven Flüssigkristallmodulators getroffenen Aussagen gelten sinngemäß auch für die anderen eingangs genannten Modulatoren, wobei allerdings zu berücksichtigen ist, dass bei einem reflektiven Modulator alle Schichten von den Lichtstrahlen zweimal unter unterschiedlichen Winkeln durchlaufen werden.
Bezugszeichenliste

1: Lichtmodulator
2: Kodierfläche/Flüssigkristall-Schicht
3: erste Ausrichtungsschicht
4: zweite Ausrichtungsschicht
5: erste Elektrode
6: zweite Elektrode
7: erste Trägerschicht/Glasschicht
8: zweite Trägerschicht/Glasschicht
9: erste Verzögerungsschicht
10: zweite Verzögerungsschicht
101: Verzögerungsschicht
102: Verzögerungsschicht
11: dritte Verzögerungsschicht
12: vierte Verzögerungsschicht
13: erstes Pixel
131: Pixel
132: Pixel
14: zweites Pixel
141: Pixel
142: Pixel
15: Pixelgruppe
151: Pixelgruppe
152: Pixelgruppe
16: optische Achse
161: erste Orientierung der optischen Achse
162: zweite Orientierung der optischen Achse
17: Brechungsindexellipsoid
18: Lichtstrahl
180: Lichtstrahl
181: Lichtstrahl
182: absorbierter Lichtstrahl
19: Maske
20: erster Gangunterschied
21: zweiter Gangunterschied
22: Gangunterschied
Θ: Winkel eines Lichtstrahls relativ zur optischen Achse
n: Brechungsindex
n1: ordentlicher Brechungsindex
n2: außerordentlicher Brechungsindex
α: Winkel
α₀: Referenzwinkel
α_n: Winkel
d: Schichtdicke einer Verzögerungsschicht

Claims

Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen, enthaltend eine Kodierfläche (2) mit einer Anordnung von Pixeln (131, 132, 141, 142; 13, 14), die in ihrer transmissiven oder reflektiven Phasenverschiebung steuerbar sind, wobei zur Kodierung verschiedender Komponenten einer komplexen Zahl jeweils zumindest einem vorgegebenem Pixel (131, 132; 141, 142; 13, 14) aus einer Pixelgruppe von benachbarten Pixeln (151, 152; 15) der Kodierfläche (2) jeweils eine bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) zugeordnet ist, die eine winkelabhängige Änderung des optischen Weges eines einfallenden Strahlenbündels herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d) der Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) derart ausgebildet ist, dass bei der Kodierung der verschienenen Komponenten einer komplexen Zahl die Änderung des optischen Weges durch die Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) der winkelabhängigen Änderung des Gangunterschiedes (20, 21) zwischen einzelnen Pixeln (131, 132, 141, 142; 13, 14) der Pixelgruppe (151, 152; 15) entgegengerichtet ist und die winkelabhängige Änderung des Gangunterschiedes (20, 21) zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte strukturierte Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) im Bereich der Kodierfläche (2) eingebracht ist, wobei die Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) vor und/oder nach der Kodierfläche (2) angeordnet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschicht (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) in engem Kontakt mit den Pixeln (131, 132, 141, 142; 13, 14) angeordnet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Pixel (131, 132, 141, 142; 13, 14) eindimensional streifenförmig oder zweidimensional flächig in Bezug zur Kodierfläche (2) ausgebildet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (2) sowohl als eine biegeelastische als auch als eine starre Schicht ausgebildet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mit mindestens einer auf beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche (2) angebrachten Ausrichtungsschicht (3, 4) in Verbindung steht.
Lichtmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (2) eine ebene Flüssigkristall-Schicht ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mindestens einer, auf beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche (2) angebrachten Schaltelementeschicht (5, 6) zur Steuerung der Pixel (13, 14) zugeordnet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelementeschicht (5, 6) eine Elektrodenschicht darstellt.
Lichtmodulator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung der Pixel (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2) mit mindestens einer Trägerschicht (7, 8) in Verbindung steht.
Lichtmodulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (7, 8) als flexible Schicht oder als eine starre Kunststoff- oder Glasschicht ausgebildet ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (7, 8) als flexible Schicht aus Kunststoff ausgebildet ist.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist – die die Anordnung von Pixeln (13, 14) enthaltende Kodierfläche (2), – wahlweise eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden Seiten der Kodierfläche (2) angebrachte Ausrichtungsschicht (3, 4), – mindestens eine auf den beiden angrenzenden freien Seiten angebrachte Elektrodenschicht (5, 6) zur Steuerung der Pixel (13, 14) und – mindestens eine auf mindestens einer der beiden angrenzenden freien Seiten angebrachten Trägerschicht (7, 8), wodurch eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Pixeln (13, 14) vorhanden ist, die über an die Elektrodenschichten (5, 6) anlegbare Potentiale steuerbar sind, und wobei zwischen mindestens einer der Elektrodenschichten (5, 6) und der der Elektrodenschicht (5, 6) benachbarten Trägerschicht (7, 8) eine strukturierte Verzögerungsschicht (9, 10, 11, 12) eingebracht ist.
Lichtmodulator nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektrodenschichten (5, 6) und den Trägerschichten (7, 8) beidseitig zur ebenen Flüssigkristallschicht (2) strukturierte Verzögerungsschichten (9, 11; 10, 12) angebracht sind.
Lichtmodulator nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Flüssigkristall-Schicht (2) die Elektroden (5, 6) und die Ausrichtungsschichten (3, 4) zur Ansteuerung und Orientierung der Flüssigkristall-Pixel (13, 14) auf den Verzögerungsschichten (9, 11; 10, 12) an der der Flüssigkristall-Schicht (2) zugewandten Seite aufgebracht sind.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Elektrode (6) und den Verzögerungsschichten (10, 12) auf der Seite der nach den Pixeln (13, 14) austretenden Lichtstrahlen eine Maske (19) mit einer Struktur befindet, die verhindert, dass bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen die einfallenden Lichtstrahlen die Nachbarschaftsgrenze zwischen den Verzögerungsschichten (11, 10) überschreiten.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturbreite der strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11, 12) der Ausdehnung einer aus mehreren Pixeln (13, 14; 131, 132; 141, 142) bestehenden Pixelgruppe (15; 151; 152) entspricht.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zwei-Phasenkodierung, bei der zwei benachbarte Pixelspalten verwendet werden, um in jeder Zeile je eine komplexe Zahl zu kodieren, die strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11, 12) eine spaltenförmige Anordnung von der Größe aufweisen, die den Abmessungen der Pixel (13, 14) entspricht.
Lichtmodulator nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Verzögerungsschichten (9, 10, 11, 12) jeweils eine strukturierte Schicht eines einzelnen oder einer Kombination mehrerer optisch doppelbrechender Materialien darstellen, wobei bei doppelbrechenden Materialien winkelabhängige Änderungen des optischen Brechungsindex und damit optische Wegänderungen für unter verschiedenen Winkeln durchtretendes Licht auftreten.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils auf die Pixel (131, 141) folgende Verzögerungsschicht (101, 102) bewirkt, dass schräg unter einem Winkel einfallende Lichtstrahlen durch die durch ein Pixel (132) voneinander getrennten Pixel (131, 141) hindurch für den Winkel (α) unterschiedlich lange optischen Wege (OW) durchlaufen, so dass der Gangunterschied (20, 21) zu den jeweils benachbarten Pixeln (132, 142) teilweise oder vollständig ausgeglichen wird.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des optischen Weges (OW) für den Winkel (α) relativ zu einem vorgegebenen Referenzwinkel (α₀) bezogen ist, wobei für den Referenzwinkel (α₀) die Wegunterschiede durch Einschreiben von modifizierten Phasenwerten in eines der beiden Pixel (131, 132; 141, 142; 13, 14) einer Gruppe (151; 152; 15) kompensiert werden.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedliche Verzögerungsschichten (101, 121; 102, 122) gleicher Schichtdicke (d) vor den beiden benachbarten Pixeln (131, 132; 141, 142) der Gruppen (151, 152) angebracht sind, wobei Lichtstrahlen von einem Pixel (131) der Gruppe relativ zum Referenzwinkel (α₀) einen längeren optischen Weg und Lichtstrahlen vor dem anderen Pixel (132) relativ zum Referenzwinkel (α₀) einen kürzeren optischen Weg aufweisen, da die Verzögerungsschichten (101, 102) gegenüber den Verzögerungsschichten (121, 122) unterschiedliche Eigenschaften haben.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die benachbarten Verzögerungsschichten (101, 102, 121, 122; 9, 10, 11, 12) gleiches doppelbrechendes Material, aber mit unterschiedlicher Orientierung (161, 162) der optischen Achse (16) eingesetzt ist, damit in einem Fall der optische Weg (OW) in der einen Verzögerungsschicht (101) mit dem Winkel (α_n) zunimmt und im anderen Fall der optische Weg (OW) in der benachbarten Verzögerungsschicht (121) mit dem Winkel (α_n) abnimmt oder umgekehrt.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschichten (101, 102, 121, 122, 9, 10, 11, 12) mit unterschiedlichen doppelbrechenden Materialien versehen sind.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Schichtdicke (d) die nur auf einer Seite befindlichen Verzögerungsschichten (101, 102, 121, 122) in zweiteilige Verzögerungsschichten (9, 10; 11, 12) aufgespaltet sind, die zu beiden ebenen Seiten der Flüssigkristall-Schicht (2) angeordnet sind.
Lichtmodulator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verzögerungsschichten (9, 10, 11, 12) in unmittelbarer Nähe zur Flüssigkristall-Schicht (2) innerhalb der Glasschichten (7, 8) befinden.
Lichtmodulator nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Verzögerungsschichten bei Verwendung einer eine Anordnung von Pixeln darstellenden Mikrospiegel-Feldanordnung vorgesehen sind, wobei die strukturierten Verzögerungsschichten abwechselnd auf benachbarte Spalten von Mikrospiegeln der Mikrospiegel-Feldanordnung aufgebracht sind.