DE102007063382A1

DE102007063382A1 - Steuerbarer Lichtmodulator

Info

Publication number: DE102007063382A1
Application number: DE200710063382
Authority: DE
Inventors: Norbert Leister; Ralf Häussler
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5524075B2; TWI403815B; US8218222B2; WO2009080576A1; TW200949407A; US20100265558A1; JP2011507047A; DE102007063382B4

Abstract

Mit der Erfindung soll ein einzelner steuerbarer Lichtmodulator mit regulärer Pixelstruktur gestaltet werden zum Realisieren verschiedener Modulationsarten, wobei die Nachteile bekannter Modulationseinrichtungen vermieden werden. Der räumliche Lichtmodulator ist transmissiv und reflektiv realisierbar. Der Lichtmodulator enthält mindestens eine ansteuerbare transmissive Schicht mit einer Pixelstruktur und mindestens eine Substratschicht mit retro-reflektierenden Elementen sowie Modulationssteuermitteln zum Steuern der Modulation der Pixel. Die Modulationssteuermittel (MM) erzeugen eine Anzahl von Makropixeln aus jeweils mindestens zwei benachbarten Pixeln (P), denen eine ausgewählte Modulationscharakteristik zugewiesen wird. Die retro-reflekt (SR) aufeinander folgend so angeordnet, dass jeweils ein retro-reflektierendes Element (RE) zwei benachbarte Pixel (P) eines Makropixels der ansteuerbaren Schicht (ST) überdeckt, um ein jeweils auf einen Pixel (P) eines Makropixels einfallendes Lichtbündel sequentiell durch weitere Pixel (P) des Makropixels zur Modulation der einfallenden Lichtbündel zu lenken. Anwendungsgebiete sind Lichtmodulationseinrichtungen zum Realisieren verschiedener Modulationsarten wie z. B. holographische Displays.

Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Lichtmodulator, der mindestens eine Substratschicht mit retro-reflektierenden Elementen sowie eine ansteuerbare transmissive Schicht mit einer regulären Pixelstruktur aufweist, wobei mindestens zwei benachbarte Pixel der Pixelstruktur ein Makropixel bilden, wobei die räumliche Lichtmodulation durch eine Systemsteuerung gesteuert wird.
Die Anwendungsgebiete räumlicher Lichtmodulatoren (SLM) sind sehr vielfältig und reichen von Display- und Projektionssystemen für den Verbrauchermarkt über Mikroskopie (Optische Pinzette, Phasenfilter), Strahl- und Wellenfrontformung, optische Messtechnik (Digitale Holographie, optischer Sensor) bis beispielsweise zu Anwendungen in der maskenlosen Lithographie, in der ultra-schnellen Laserpulsmodulation (Dispersionskompensation) oder bei terrestrischen Teleskopen (dynamische Aberrationskorrektur).
Für einige Anwendungen davon ist eine qualitativ hochwertige Wiedergabe von Darstellungen unbedingt notwendig, z. B. für die dreidimensionale Darstellung beweglicher Szenen in holographischen Displays. Die aus einem berechneten Hologramm einer 3D-Szene resultierenden Werte zur Rekonstruktion der Szene oder auch in den pixelierten Lichtmodulator einzuschreibende Werte anderer Anwendungen liegen meistens als matrixförmige Anordnung komplexer Werte vor. Ein komplexer Wert, der zum Modulieren der Phase und Amplitude einer Wellenfront dient, kann einerseits in einem einzelnen Pixel eines herkömmlichen SLM bisher nicht direkt dargestellt werden. Andererseits gibt die Modulation nur eines Wertes im Pixel, also eine reine Phasen- oder Amplitudenmodulation, z. B. eine bewegte 3D-Szene in der holographischen Rekonstruktion nur unzureichend in Qualität und Quantität wieder. Eine vollständige Wiedergabe der komplexen Werte kann nur durch eine komplexwertige Modulation möglichst am gleichen Ort und zur gleichen Zeit auf einem SLM erreicht werden.
Je nach Ausführungsart eines SLM sind verschiedene Methoden bekannt geworden, um die Modulation mit beiden komplexwertigen Anteilen von darzustellenden Werten gleichzeitig durchzuführen.
So kann man zwei getrennt ansteuerbare SLM örtlich eng miteinander kombinieren, um eine gleichzeitige Modulation der Amplitude und Phase von kohärentem Licht durchzuführen. Ein SLM moduliert die Amplitude, der andere die Phase des einfallenden Lichts. Auch andere Kombinationen von Modulationscharakteristiken sind damit möglich.
Das Licht muss dabei erst einen Pixel des ersten SLM und dann den zugeordneten Pixel des zweiten SLM passieren. Das kann beispielsweise realisiert werden durch

– eine Abbildung des ersten SLM auf den zweiten SLM mit einem großflächigen optischen Element, z. B. einer Linse, oder
– eine Abbildung des ersten SLM auf den zweiten SLM mit einem Array kleinformatiger Linsen oder
– ein Sandwich aus zwei SLM.

Bei diesen Kombinationen zweier SLM zur komplexwertigen Modulation entsteht der Nachteil, dass der Abstand zwischen beiden SLM viel größer als ihr Pixel-Pitch ist, also der Abstand zwischen zwei Pixeln.
Ein typischer Pixel-Pitch eines SLM für holographische Anwendungen liegt zwischen 10 μm und 50 μm. Dagegen beträgt der Abstand der beiden SLM bei einem Sandwich mehrere 100 μm, im Falle einer Abbildung ist er noch wesentlich größer.
Viele Typen von Lichtmodulatoren, wie z. B. Flüssigkristall (LC) – SLM, bestehen üblicherweise aus einer ansteuerbaren Schicht von Flüssigkristallen, die zwischen transparenten Glassubstraten eingebettet ist. Oder die ansteuerbare Schicht liegt im Fall eines reflektiven Displays zwischen einem transparenten und einem reflektiven Glassubstrat.
Die Glassubstrate haben typischerweise eine Dicke von 500 bis 700 μm.
Man kann eine Sandwichstruktur zur komplexwertigen Modulation erzeugen, indem man einen einzelnen Phasen-SLM und einen einzelnen Amplituden-SLM mit ihren Glassubstraten nacheinander anordnet. Ein Lichtbündel, das aus der ansteuerbaren Schicht eines Pixels des Phasen-SLM kommt, wäre nach Durchlaufen der Glassubstrate beim Auftreffen auf die ansteuerbare Schicht eines Pixels des Amplituden-SLM durch Beugungseffekte an der Apertur dieses Pixels bereits so verbreitert, dass es zu Übersprechen von Lichtbündeln zwischen benachbarten Pixeln kommt.
Bei der Verwendung von abbildenden Elementen tritt der Nachteil auf, dass über die gesamte Fläche der SLM jeweils genau ein Pixel des ersten SLM wieder auf einen Pixel des zweiten SLM abgebildet werden muss. Das verlangt eine Optik, die in sehr hohem Maße frei von Verzeichnungsfehlern sein muss. Solche Anforderungen sind in der Praxis schwer zu erfüllen. Deshalb kommt es auch bei einer Abbildung zum Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln.
Das Übersprechen kann noch verstärkt werden durch eine Dejustage der beiden SLM, der Abbildungsoptik oder der Lichtquellen relativ zueinander.
Weiterhin besteht bei eng kombinierten SLM eine Fehleranfälligkeit gegenüber schräg einfallenden Lichtbündeln. Diese können von einem Pixel des ersten SLM zu einem anderen, nicht zugeordneten Pixel des zweiten SLM verlaufen. Dieses Übersprechen verschlechtert z. B. die Rekonstruktionsqualität eines holographischen Displays, weil es bei einer Darstellung komplexer Werte durch die SLM einer falschen Kombination von Amplituden- und Phasenwerten entspricht.
Außer der Darstellung komplexer Werte gibt es noch andere Anwendungsfälle, bei denen ein einzelner SLM bzw. ein einzelner Pixel eines SLM für eine qualitativ hochwertige Lichtmodulation nicht ausreicht.
Ein solcher Anwendungsfall ist die Verbesserung des Kontrasts eines Amplituden-SLM. Ein SLM-Pixel, der die Amplitude nicht perfekt moduliert, lässt auch im Ansteuerzustand, in dem der Pixel „schwarz" sein soll, noch eine bestimmte Menge Licht durch. Dagegen könnte man mit einem Sandwich-SLM, das theoretisch kein Übersprechen hat, noch eine Qualitätsverbesserung der Lichtmodulation erreichen. Mit dem Sandwich-SLM und einer Kombination von jeweils zwei SLM-Pixeln als Amplitudenpixel lässt sich im Ansteuerzustand „weiß" beider SLM-Pixel nahezu die volle Helligkeit erzielen. Im Ansteuerzustand „schwarz" erhält man dann durch die Kombination der SLM-Pixel als Amplitudenpixel eine bessere Auslöschung. Damit kann prinzipiell durch ein Sandwich-SLM der Kontrast erhöht werden, jedoch bleibt praktisch das Problem des Übersprechens zwischen den Pixeln bestehen.
Ein anderer Anwendungsfall der Verwendung eines Sandwich-SLM wäre eine Erhöhung des Phasenmodulationsbereiches:
Hat ein einzelner SLM beispielsweise nur eine Phasenmodulation von 0 bis π, so könnte man durch ein Sandwich aus zwei gleichartigen Phasen-SLM den Modulationsbereich ausdehnen auf 0 bis 27.
Eine weitere Möglichkeit des notwendigen Einsatzes von Sandwich-SLM betrifft die Erhöhung der Zahl der Amplituden- oder Phasenstufen. Hat man zum Beispiel einen einzelnen Phasen-SLM mit nur zwei darstellbaren Phasenstufen 0 und π und einen zweiten SLM, der ebenfalls binär ist, aber die Phasenstufen 0 und π/2 hat, so könnte man durch ein Sandwich von zwei solcher SLM insgesamt 4 Phasenstufen: 0, π/2, π und 3π/2 darstellen.
Auch ein Sandwich mit mehr als zwei SLM könnte zum Erhöhen der Stufenzahl der Phasen sinnvoll sein.
Bei den genannten Anwendungen des komplexwertigen SLM und des Sandwich-SLM besteht weiterhin das Problem des Übersprechens zwischen den Pixeln.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen einzelnen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator mit regulär ausgebildeter Pixelstruktur derart auszugestalten, dass mit ihm verschiedene Modulationsarten realisiert werden können und dabei die Nachteile bekannter Modulationseinrichtungen vermieden werden. Der räumliche Lichtmodulator soll sowohl transmissiv als auch reflektiv realisierbar sein.
Die Lösung liegt ein steuerbarer Lichtmodulator zugrunde, der mindestens eine ansteuerbare transmissive Schicht und mindestens eine Substratschicht aufweist, wobei die ansteuerbare transmissive Schicht regulär in Modulatorzeilen oder/und Modulatorspalten angeordnete Pixel und die Substratschicht retro-reflektierende Elemente mit reflektierenden Flächen zum Führen von Licht einfallender Lichtbündel enthält, und bei dem eine Systemsteuerung mit Modulationssteuermitteln die Modulation der Pixel steuert.
In diesem Lichtmodulator wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

– die Modulationssteuermittel eine Anzahl von Makropixeln aus jeweils mindestens zwei in einer Modulatorzeile oder/und einer Modulatorspalte benachbart angeordneten Pixeln erzeugen, denen die Systemsteuerung eine ausgewählte Modulationscharakteristik zuweist, und
– die retro-reflektierenden Elemente in der Substratschicht in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene aufeinander folgend so angeordnet sind, dass jeweils ein retro-reflektierendes Element zwei benachbarte Pixel eines Makropixels in einer Modulatorzeile oder einer Modulatorspalte der ansteuerbaren Schicht überdeckt, um ein jeweils auf einen Pixel eines Makropixels einfallendes Lichtbündel nach Reflexion an mindestens einem retro-reflektierenden Element sequentiell durch mindestens einen weiteren Pixel des Makropixels zur Modulation der einfallenden Lichtbündel zu lenken.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, dass mindestens zwei benachbarte Pixel einer einzigen Pixelstruktur in einem SLM als ein Makropixel angesteuert werden und ein Lichtbündel sequentiell alle Pixel des Makropixels durchläuft, wobei die räumliche Modulation der Lichtbündel in den Pixeln mit Modulationssteuermitteln gesteuert wird.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Makropixeln werden im Gegensatz dazu die Pixel zwar zu einer Einheit zusammengefasst, aber jeder Pixel für sich wird von einem anderen Lichtbündel durchlaufen.
Die prinzipielle Ausgestaltung des steuerbaren Lichtmodulators sieht vor, dass auf beiden Seiten der ansteuerbaren Schicht eine Substratschicht mit retro-reflektierenden Elementen vorgesehen ist, die jeweils so angeordnet sind, dass in mindestens einer Substratschicht zwischen den retro-reflektierenden Elementen transparente Bereiche entstehen und die reflektierenden Flächen der sich gegenüberliegenden retro-reflektierenden Elemente den Pixeln der ansteuerbaren transmissiven Schicht zugewandt und lateral zueinander versetzt positioniert sind. Der laterale Versatz gegeneinander beträgt vorzugsweise einen Pixel.
Ein Lichtmodulator mit diesen Grundkomponenten kann mit weiteren optischen Komponenten ergänzt werden bzw. es können die vorhandenen Komponenten auf andere Weise so angeordnet werden, dass entweder ein transmissiver oder ein reflektiver Lichtmodulator geschaffen wird.
Im Allgemeinen ist die Anzahl an Pixeln im Makropixel nicht beschränkt. Sie kann entsprechend den Anforderungen der zu realisierenden Modulationscharakteristik sowohl gerad- als auch ungeradzahlig sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Lichtmodulator transmissiv ausgebildet werden. Das erreicht man mit einer Lichtführung, die durch jeweils einen Makropixel mit einer ungeraden Anzahl von Pixeln und über mindestens zwei retro-reflektierende Elemente verläuft, wobei die transparenten Bereiche der einen Substratschicht die Einfallsflächen für die Lichtbündel bilden und die andere Substratschicht ebenfalls transparente Bereiche aufweist, welche die Austrittsflächen bilden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Lichtmodulator reflektiv ausgebildet werden. Das erreicht man mit einer Lichtführung, die durch jeweils einen Makropixel mit einer geraden Anzahl von Pixeln und über mindestens drei retro-reflektierende Elemente verläuft, wobei transparente Bereiche einer Substratschicht die Einfallsflächen und andere transparente Bereiche der gleichen Substratschicht die Austrittsflächen für die Lichtbündel bilden.
Beim reflektiven Lichtmodulator ist weiterhin auf beiden Seiten ein strukturiertes Polarisationsmittel vorgesehen, dass die Lichtbündel in den transparenten Bereichen der Einfallsflächen und in den transparenten Bereichen der Austrittsflächen unterschiedlich polarisiert.
In weiterer Ausbildung des steuerbaren transmissiven Lichtmodulators ist auf mindestens einer Seite ein Polarisationsmittel vorgesehen. Innerhalb des Lichtmodulators kann aber sowohl an der ansteuerbaren Schicht als auch an der Substratschicht ein Polarisationsmittel vorgesehen sein.
In den transparenten Bereichen sind weiterhin auf der Lichteinfallsseite optische Abbildungsmittel angeordnet, welche die einfallenden Lichtbündel auf die Einfallsflächen der Makropixel verkleinert abbilden.
Dagegen sind in den transparenten Bereichen auf der Lichtaustrittsseite optische Abbildungsmittel angeordnet, welche die durch die Makropixel geführten Lichtbündel an den Austrittsflächen der Makropixel aufweiten.
Eine besonders einfache Ausführungsform eines reflektiven Lichtmodulators lässt sich mit einer einzigen ansteuerbaren transmissiven Schicht und einer in Lichtrichtung folgenden einzigen Substratschicht realisieren. In der Substratschicht sind die retro-reflektierenden Elemente in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene vertikal ohne Abstand zueinander angeordnet. Hier ist für die Modulation kennzeichnend, dass die auf jeweils ein retro-reflektierendes Element treffenden Lichtbündel den aus zwei benachbarten Pixeln bestehenden Makropixel passieren und mit einem seitlichen Versatz zur Einfallsrichtung den Makropixel verlassen. Durch das retro-reflektierende Element wird erreicht, dass unabhängig von der Position und vom Winkel des Auftreffens im Pixel, also auch für schrägen Lichteinfall auf den SLM, ein Lichtbündel nur durch die Pixel eines Makropixels läuft und nicht durch andere Pixel, so dass kein störendes Übersprechen zwischen Nachbarpixeln auftreten kann.
Damit erreicht man vorteilhaft, dass die Anforderungen an die Justage von Lichtquellen bei einem holographischen Display verringert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein derart ausgebildeter SLM in einem holographischen Display mit Lichtquellentracking einsetzbar ist.
In weiterer Ausbildung dieses einfachen Lichtmodulators ist in Lichtrichtung vor der transmissiven Substratschicht ein strukturiertes Polarisationsmittel vorgesehen, das benachbarten Pixeln in einer Modulatorzeile eine unterschiedliche Polarisation und benachbarten Pixeln in einer Modulatorspalte eine gleiche Polarisation zur Phasen- und Amplitudenmodulation zuweist. Ein Lichtbündel, das den hier aus zwei benachbarten Pixeln einer Modulatorzeile bestehenden Makropixel passiert, wird dadurch vor Auftreffen und nach Verlassen der Pixel unterschiedlich polarisiert.
Weiterhin liegen bei dieser Ausgestaltung die von den einfallenden Lichtbündeln durchlaufenen Weglängen innerhalb des Makropixels in der Größenordnung des Pixelpitches des Lichtmodulators. Dadurch werden Beugungseffekte nur in so geringer Größenordnung erzeugt, dass sie nicht weiter beachtet werden müssen.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Lichtmodulator kann eingesetzt werden, um in jeweils einem Makropixel eine komplexwertige Modulation eines Lichtbündels in Amplitude und Phase auszuführen.
Für eine gemeinsame Amplituden- und Phasenmodulation der Lichtbündel in jeweils einem Makropixel mit drei Pixeln können beispielsweise jeweils zwei Pixel zur Phasenmodulation und ein Pixel zur Amplitudenmodulation angesteuert werden. Dazu ist es aber erforderlich, dass ein strukturiertes Polarisationsmittel zum Ändern der Polarisationsrichtung der geführten Lichtbündel jeweils an der Austrittsfläche eines phasenmodulierenden Pixels eines Makropixels angeordnet ist. So erhalten die Lichtbündel vorteilhaft beim Durchlaufen der einzelnen Pixel des Makropixels, die eine unterschiedliche Modulationscharakteristik aufweisen, durch die Kombination der Modulationscharakteristika insgesamt eine unabhängige Modulation von Amplitude und Phase.
Weisen mehrere Pixel des Makropixels eine gleiche Modulationscharakteristik auf, beispielsweise eine gekoppelte Modulation von Amplitude und Phase, dann können diese Einzelpixel unabhängig voneinander angesteuert werden. Durch eine gewählte Ansteuerung der Einzelpixel erhalten die Lichtbündel beim Durchlaufen der Makropixel ebenfalls insgesamt eine unabhängige Modulation von Amplitude und Phase.
In den steuerbaren Lichtmodulator ist vorzugsweise eine gebeugte Struktur einer Wellenfront einer räumlichen Szene eingeschrieben, mit der die einfallenden Lichtbündel zum Erzeugen einer holographischen Rekonstruktion moduliert werden. Ein derartiger Lichtmodulator ist in einem holographischen Display einsetzbar.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind die Makropixel für weitere Zwecke vorteilhaft einsetzbar.
In einer Ausgestaltung wird beispielsweise mit ansteigender Pixelzahl im Makropixel die Anzahl darstellbarer Quantisierungsstufen der Modulation vergrößert.
In einer weiteren Ausgestaltung wird durch die Modulation in Makropixeln der darstellbare Wertebereich der Phasenmodulation vergrößert. Dies ist der Fall, wenn die Modulationscharakteristik für alle Pixel eine Phasenmodulation ist, die dann für alle Pixel des Makropixels gleich sein kann.
Verschiedene Ausgestaltungen können auch kombiniert werden.
In einem Makropixel können z. B. mehrere Pixel eine Amplitudenmodulation zur Erhöhung des Kontrastes und mehrere Pixel eine Phasenmodulation zur Vergrößerung des Wertebereiches der Phasenmodulation durchführen, wobei alle Amplituden- und Phasenpixel zusammen zur komplexwertigen Modulation verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Lichtmodulationseinrichtung wird nachfolgend näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen die Schnittdarstellungen
1 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Lichtmodulators,
2a eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Lichtmodulators,
2b ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht einer Zeile des Lichtmodulators von 2a,
2c ausschnittsweise eine schematische Rückansicht einer Zeile des Lichtmodulators von 2a,
3 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lichtmodulationseinrichtung,
4 eine weitere Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels und
5 eine weitere Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels mit zweidimensionalem Makropixel.
Als Grundkomponenten weist der erfindungsgemäße steuerbare Lichtmodulator mindestens eine ansteuerbare transmissive Schicht, in der regulär in Modulatorzeilen oder/und Modulatorspalten Pixel angeordnet sind, sowie mindestens eine Substratschicht mit retro-reflektierenden Elementen auf. Der Lichtmodulator wird mit Lichtbündeln von genügend kohärentem Licht eines Lichtquellenmittels beleuchtet. Als Lichtquellenmittel können sowohl Laser als auch LED, deren Licht räumlich und/oder spektral gefiltert wird, eingesetzt werden.
Die Modulation der Pixel wird durch Modulationssteuermittel gesteuert, die Bestandteil der Systemsteuerung sind.
Diese Grundkomponenten sind in den 1 bis 5 in verschiedenen Ausführungsbeispielen und Ausführungsformen enthalten und ausschnittsweise dargestellt. Die Verläufe der ein- und austretenden Lichtbündel sind durch Pfeile gekennzeichnet.
Die 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel die einfachste Ausbildung eines reflektiven Lichtmodulators. In Draufsicht ist eine einzige transmissive Substratschicht SR mit retro-reflektierenden Elementen RE und eine einzige ansteuerbare transmissive Schicht ST mit Pixeln P einer regulär ausgebildeten Pixelstruktur in einer Modulatorzeile zu sehen.
Der Lichtmodulator kann zusätzlich vor der ansteuerbaren Schicht ST eine zweite transparente Substratschicht SR enthalten. Die ansteuerbare transmissive Schicht ST kann eine Flüssigkristallschicht sein, ebenso die Substratschicht SR. Es kommen aber auch andere Modulationstypen in Frage, z. B. Elektrowetting Zellen oder magnetooptische Schichten.
Zwei eindimensional horizontal nebeneinander liegende, benachbarte Pixel P bilden jeweils ein Makropixel. Das Erzeugen eines Makropixels erfolgt durch ein Modulationssteuermittel MM, wobei die Anzahl der Einzelpixel P je nach Anwendungsfall vorgegeben wird.
In einem Makropixel wird ein einfallendes Lichtbündel in 1 durch beide Pixel P separat in Phase φ und Amplitude A, oder umgekehrt, moduliert. Die Lichtführung der einfallenden Lichtbündel wird am retro-reflektierenden Element RE durch Reflexion geändert. Eine Lichtmodulatorspalte enthält hier jeweils nur Phasen- oder nur Amplitudenpixel.
Ein retro-reflektierendes Element RE in der Substratschicht SR besteht aus zwei in vertikaler Richtung parallel zueinander verlaufenden reflektierenden Flächen. Die reflektierenden Flächen sind ohne Abstand zueinander so unter einem vorgegebenen Winkel angeordnet, dass sie mit der Substratschicht SR ein Prisma bilden und ein einfallendes Lichtbündel in sich reflektieren. Der vorgegebene Winkel beträgt hier vorzugsweise 90°. Benachbarte retro-reflektierende Elemente RE sind in der Substratschicht SR ohne Abstand zueinander angeordnet. Die Pixel P und die retro-reflektierenden Elemente RE sind so dimensioniert und zueinander angeordnet, dass ein retro-reflektierendes Element RE in der Breite eine Spalte gleicher Breite eines Makropixels überdeckt.
Je nach Art der ansteuerbaren Schicht, insbesondere für einen Lichtmodulator, dessen ansteuerbare Schicht eine Flüssigkristallschicht ist, enthält der SLM zusätzlich Polarisationsmittel PM. Bei z. B. Electrowetting Zellen werden diese Polarisationsmittel gegebenenfalls nicht benötigt.
Die einem nicht dargestellten Lichtquellenmittel zugewandte Seite des SLM enthält ein Polarisationsmittel PM. Abhängig von der Modulationscharakteristik der Einzelpixel kann dies im einfachsten Fall ein unstrukturiertes Polarisationsmittel sein. Vorteilhaft ist aber der Einsatz eines strukturierten Polarisationsmittels, bei dem die Strukturierung spaltenweise erfolgt. Ein Lichtbündel, das auf den jeweils linken Pixel eines Makropixels auftrifft, wird dann anders polarisiert als Licht, das auf den jeweils rechten Pixel eines Makropixels auftrifft.
Zusätzlich kann auch ein weiteres, gegebenenfalls strukturiertes, Polarisationsmittel jeweils auf der Innenseite der Substratschicht angeordnet sein, dass das retro-reflektierende Element RE enthält. Damit wird erreicht, dass ein Lichtbündel zuerst einen Pixel P des Makropixels, dann das Polarisationsmittel PM und das retro-reflektierende Element RE und abschließend den zweiten Pixel P des Makropixels zum Modulieren durchläuft.
Die retro-reflektierenden Elemente RE können in einer weiteren Ausbildungsform auch um 90° gedreht im SLM angeordnet sein, um jeweils zwei in einer Spalte übereinander liegende Pixel P zu überdecken.
In der allgemeinen Ausführungsform eines reflektiven Lichtmodulators besteht ein eindimensionaler Makropixel aus einer geradzahligen Anzahl von Pixeln. In 4 ist ein Beispiel mit vier horizontal nebeneinander liegenden Pixeln zu sehen, die aber auch vertikal nebeneinander angeordnet sein können.
Dementsprechend sind im allgemeinen Fall die retro-reflektierenden Elemente RE auch horizontal oder vertikal angeordnet. Aber auch eine horizontal und vertikal gemischte Anordnung, wie sie ausschnittsweise in der 5 dargestellt ist, kann eine Modulation realisieren. Dabei bilden jeweils zwei horizontal und zwei vertikal benachbarte Pixel P, also vier Pixel, ein zweidimensionales Makropixel. Für Anwendungen mit kohärentem Licht kann es vorteilhaft sein, wenn der Makropixel insgesamt quadratische Abmessungen hat, da dann der Beugungswinkel in horizontaler und vertikaler Dimension gleich ist. Je nach SLM Typ kann auch eine zweite Substratschicht vorgesehen sein, die dann z. B. bei einem LC SLM transmissiv ausgebildet ist.
Zum Erzeugen der retro-reflektierenden Elemente RE in der Substratschicht SR kann ein zunächst ebenes, transmissives Substrat an der Oberfläche z. B. durch Ätzen so behandelt werden, dass Vertiefungen mit einem vorgegebenen Winkel im Substrat entstehen. Diese können anschließend metallisch beschichtet werden, um eine reflektierende Oberfläche zu erhalten. Anschließend können die Vertiefungen wieder mit einem transmissiven Material, z. B. einem Harz, gefüllt und die Oberfläche der Substratschicht wieder geglättet werden. Weitere Prozessschritte erfolgen dann analog der Herstellung eines herkömmlichen SLM, wie das Aufbringen von Elektroden und Ausrichtungsstrukturen auf die Substratschicht. Mit dieser Herstellung sind alle Pixel P gleich aufgebaut.
Dies ist ein mögliches Herstellungsverfahren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Verfahren beschränkt.
In 2a ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines SLM in Draufsicht dargestellt. Die aus 1 bekannten einzelnen Komponenten werden in einer solchen Zusammenstellung und Anordnung verwendet, dass sie einen transmissiv wirkenden SLM realisieren.
Dazu ist beiderseits der transmissiven ansteuerbaren Schicht ST, welche die Pixelstruktur mit den Pixeln P enthält, jeweils eine transmissive Substratschicht SR mit den integrierten retro-reflektierenden Elementen RE angeordnet. Benachbarte retro-reflektierende Elemente RE in den Substratschichten SR sind im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel mit einem Abstand der Breite eines Pixels P voneinander entfernt angeordnet und bilden transparente Bereiche aus. Die transparenten Bereiche der einen Substratschicht SR, welche dem Lichtquellenmittel zugewandt sind, bilden die Einfallsflächen für die Lichtbündel. Dementsprechend bilden die transparenten Bereiche der anderen Substratschicht die Austrittsflächen. Die retro-reflektierenden Elemente RE der einen Substratschicht SR sind zu den retro-reflektierenden Elementen RE der anderen Substratschicht SR so positioniert, dass sich beide um einen Pixel P versetzt gegenüber liegen und mit den reflektierenden Flächen einander zugewandt sind.
Im transmissiven SLM wird von den Modulationssteuermitteln MM aus jeweils einer ungeraden Anzahl von Pixeln größer 1 ein Makropixel erzeugt. Hier in 2a sind es drei aufeinander folgende Pixel P in einer Modulatorzeile. Für SLM-Typen wie Flüssigkristall SLM können sowohl an der Lichteinfallsseite als auch an der Lichtaustrittsseite Polarisationsmittel PM angeordnet sein.
Abhängig von der Modulationscharakteristik der Einzelpixel können dies im einfachsten Fall unstrukturierte Polarisationsmittel PM sein, die außen auf einem oder auf beiden Substraten angebracht sind. So dass ein Lichtbündel jeweils einmalig beim Eintritt in den SLM und einmalig beim Austritt aus dem SLM polarisiert wird. Zusätzlich können strukturierte Polarisationsmittel PM jeweils auf der Innenseite der Substrate angeordnet sein zwischen ansteuerbarer Schicht und retro-reflektierendem Element. Mit diesen wird die Polarisation der Lichtbündel verändert nachdem sie durch ein Pixel des Maropixels durchgetreten sind und bevor sie das nächste Pixel des Makropixels erreichen.
Die Verläufe der ein- und austretenden Lichtbündel sind durch Pfeile dargestellt.
Die 2b und 2c zeigen in Vorder- und Rückansicht, wie die Pixelstruktur einer Modulatorzeile von 2a in Verbindung mit den retro-reflektierenden Elementen RE zusammen wirkt. Die schraffierten Flächen kennzeichnen die nicht sichtbaren Pixel P des Makropixels, in denen die Reflexion der Lichtbündel stattfindet. Die nicht schraffierten Flächen sind die transparenten Bereiche mit den Pixeln P, in welche die Lichtbündel einfallen bzw. aus denen sie austreten.
In 3 ist eine Lichtmodulationseinrichtung auf der Grundlage des SLM nach 2a mit zusätzlichen Komponenten dargestellt.
In die ansteuerbare Schicht ST der Pixelstruktur ist vor jeder Pixelspalte, in die ein Lichtbündel einfällt oder aus der ein Lichtbündel austritt, ein optisches Abbildungsmittel AM1 positioniert. Weitere optische Abbildungsmittel AM2 sind auf jeder Seite des Lichtmodulators positioniert. Es können z. B. Zylinderlinsen sein.
Die optischen Abbildungsmittel AM1 und AM2 auf der Lichteinfallsseite sind in ihren optischen Eigenschaften so aufeinander abgestimmt, dass sie die einfallenden Lichtbündel auf die jeweilige Pixelspalte bündeln und verkleinert abbilden. Auf der Lichtaustrittsseite des SLM sind die optischen Abbildungsmittel AM1 und AM2 in ihren optischen Eigenschaften so aufeinander abgestimmt, dass sie die austretenden modulierten Lichtbündel aufweiten.
Die optischen Abbildungsmittel AM1 können unmittelbar in die Substratschicht ST der Pixelstruktur integriert sein. Ebenso können die optischen Abbildungsmittel AM2 in einer Ausführungsform der Erfindung in die Substratschicht SR mindestens teilweise integriert sein.
Die Pixel können im allgemeinen Fall über mehrere Modulatorzeilen und/oder Modulatorspalten entsprechend 5 verteilt so angeordnet sein, dass sie insgesamt eine zusammenhängende Struktur benachbarter Pixel bilden. Man benötigt bei dieser Ausgestaltung zwei Substratschichten, die auf beiden Seiten der ansteuerbaren transmissiven Schicht angeordnet sind und retro-reflektierende Elemente enthalten, die jeweils in den beiden Substratschichten aufeinander folgend mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Durch den Abstand zwischen nebeneinander liegenden retro-reflektierenden Elementen werden in den Substratschichten transparente Bereiche gebildet. Die transparenten Bereiche fallen zusammen mit der Position des jeweils ersten Pixels eines Makropixels in der eingangsseitigen Substratschicht, in den Lichtbündel einfallen, und der Position des jeweils letzten Pixels eines Makropixels auf der ausgangsseitigen Substratschicht.
Bevorzugt wird aber die Anwendung mit einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln pro Makropixel in einer einzelnen Modulatorzeile nebeneinander oder in einer einzelnen Modulatorspalte übereinander angeordnet sein, da dann die retro-reflektierenden Elemente einfacher herzustellen sind.
Weiterhin sind die die reflektierenden Flächen der retro-reflektierenden Elemente in beiden transmissiven Substratschichten den Pixeln zugewandt. Durch diese vorzugsweise Anordnung von Reflexionsflächen wird auf einfache Weise ein transmissiver steuerbarer Lichtmodulator realisiert. Die in die Makropixel einfallenden Lichtbündel verlassen diese mit einem seitlichen Versatz zur Einfallsrichtung.
Nachfolgend werden die Wirkungsweise und mögliche Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen räumlichen steuerbaren Lichtmodulators näher beschrieben.
Ein Retroreflektor ist allgemein definiert als ein optisches Element, das auftreffendes Licht durch eine Vielzahl reflektierender Flächen zurückreflektiert in die Richtung, aus der es kommt. Der Retroreflektor hat dafür eine Struktur, in der sehr kleine Struktureinheiten ein- oder zweidimensional angeordnet sind.
In diesem Dokument wird der Retroreflektor durch ein retro-reflektierendes Element aus zwei reflektierenden Flächen gebildet, die ohne Abstand zueinander angeordnet sind und als ein prismatisches Element wirken. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der retro-reflektierenden Elemente in einem steuerbaren Lichtmodulator wird eine Lichtführung erreicht, mit der sowohl eine reflektive als auch eine transmissive Ausführung des SLM möglich wird.
Der reflektive SLM in 1 wird von kohärentem Licht beleuchtet. Die Lichtstrahlen treffen als Lichtbündel gleichzeitig auf jeden Pixel P, durchlaufen ihn und werden am retro-reflektierenden Element RE zum benachbarten Pixel P des Makropixels umgelenkt. Diesen verlassen sie mit einem seitlichen Versatz zur Einfallsrichtung. Unabhängig davon, ob das Lichtbündel erst auf einen amplitudenmodulierenden oder einen phasenmodulierenden Pixel P trifft, werden immer beide Pixel P eines Makropixels durchlaufen und dabei mit einem Amplituden- und einem Phasenwert moduliert. Die Weglänge innerhalb eines retro-reflektierenden Elements RE ist unabhängig vom Auftreffort und vom Auftreffwinkel im jeweiligen Pixel P gleich. Daher bleibt die Kohärenz der Lichtbündel erhalten.
Es ist bekannt, dass bei kohärenter Lichtmodulation normalerweise verschiedene Lichtbündel, die durch einzelne Pixel eines Lichtmodulators laufen und dort moduliert werden, miteinander interferieren. Dies entspricht mathematisch einer komplexwertigen Addition der Lichtmodulation der einzelnen Pixel P. Dies gilt auch in solchen Fällen, wo in einem normalen Lichtmodulator Gruppen von Pixeln logisch zu Makropixeln zusammengefasst werden, wie etwa bei einer 2 Phasenkodierung. Für den reflektiven Lichtmodulator werden aber aufgrund der retro-reflektierenden Elemente innerhalb eines Makropixels mehrere Pixel vom selben Lichtbündel sequentiell durchlaufen. Dies entspricht mathematisch einer komplexwertigen Multiplikation der Lichtmodulation der einzelnen Pixel innerhalb des Makropixels. Durch das sequentielle Durchlaufen mehrerer Pixel lassen sich so die Modulationseigenschaften der einzelnen Pixel für dasselbe Lichtbündel vorteilhaft kombinieren.
Erst die verschiedenen Lichtbündel, die unterschiedliche Makropixel durchlaufen, interferieren anschließend miteinander, was einer komplexwertigen Addition der Lichtmodulation der Makropixel entspricht.
Modulationssteuermittel MM steuern die Modulation der Lichtbündel, indem an jedem Pixel P ein individuelles elektrisches Feld für einen entsprechenden Amplituden- und Phasenwert erzeugt wird. Die Pixel P können prinzipiell gleich aufgebaut sein. Für einen Flüssigkristall SLM kann z. B. ein vor den Pixeln P angeordnetes strukturiertes Polarisationsmittel PM für jeden Pixel P definieren, ob er die Amplitude oder Phase moduliert, indem es benachbarten Pixeln P in einer Modulatorzeile eine unterschiedliche Polarisation und benachbarten Pixeln P in einer Modulatorspalte eine gleiche feste Polarisation zuweist. Die Dicke der ansteuerbaren Schicht ST kann sich für einen Pixel zur Amplitudenmodulation von der Dicke der ansteuerbaren Schicht ST für einen Pixel zur Phasenmodulation unterscheiden. Für andere Typen von SLM kann sich aber im Allgemeinen auch generell die Struktur von Phasen- und Amplitudenpixeln unterscheiden.
Die Ansteuerung zum gleichzeitigen Ausrichten der Flüssigkristalle der ansteuerbaren Schicht ST erfolgt durch eine Systemsteuerung, deren Komponente die Modulationssteuermittel MM sind.
Die Konfiguration der Pixel P zur Amplituden- bzw. Phasenmodulation durch ein räumlich strukturiertes Polarisationsmittel PM bei einem Flüssigkristall SLM kann auch in Kombination mit unterschiedlichen Alignment-Schichten im SLM erfolgen. Weiterhin kann die Konfiguration der Pixel P auch nur durch den Einsatz unterschiedlicher Alignment-Schichten durchgeführt werden, so dass die Flüssigkristalle in einem Amplitudenpixel anders orientiert sind als in einem Phasenpixel.
Bei den weiteren Ausgestaltungen reflektiver SLM sind die jeweils zwei möglichen Richtungen, in denen der Makropixel von Lichtbündeln durchlaufen werden kann, zu berücksichtigen. In 1 könnte ein Lichtbündel entweder den mit A bezeichneten linken Pixel P eines Makropixels zuerst durchlaufen, dann am retro-reflektierenden Element RE reflektiert werden und anschließend den rechten Pixel φ des Makropixel durchlaufen, oder umgekehrt: ein anderes Lichtbündel könnte zuerst den Pixel φ durchlaufen, das retro-reflektierende Element RE und dann Pixel A. Zu beachten ist dabei, dass die Gesamtmodulation im Makropixel unabhängig von der Durchlaufrichtung der Lichtbündel gesteuert wird.
Das kann bei Flüssigkristall SLM z. B. durch zusätzliche Polarisationsmittel zwischen ansteuerbarer Schicht ST und Substratschicht SR erreicht werden. Oder man erzeugt durch ein strukturiertes Polarisationsmittel polarisiertes Licht, dass eine der beiden Richtungen blockiert, so dass z. B. der Lichteintritt in den Pixel φ als ersten Pixel verhindert wird. Dies ist aber mit einem Verlust an Helligkeit verbunden.
Anstelle der beschriebenen Modulation der Amplitude und Phase in zwei Pixeln P des Makropixels ist es auch möglich, mehrere Pixel P zu verwenden, die jeder für sich sowohl Amplitude als auch Phase modulieren, aber als Einzelpixel keine beliebigen Kombinationen von Amplitude und Phase zulassen. Mit einem Makropixel aus mehreren solchen Pixeln P, das sequentiell von einem Lichtbündel durchlaufen wird, können dann alle die Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten realisiert werden, die sich durch komplexwertige Multiplikation der Modulation der Einzelpixel ergeben. Die verschiedenen Kombinationen der Modulation der Einzelpixel werden durch das Modulationssteuermittel eingestellt. Bevorzugt können dabei gleichartige Einzelpixel verwendet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der ansteuerbaren Schicht des SLM, da dann alle Einzelpixel in der gleichen Weise aufgebaut sind.
Ein derartig ausgebildeter SLM moduliert mit einfachen Mitteln kohärente Lichtbündel auf ihrem Weg zu detektierten Betrachteraugen z. B. mit komplexen Werten einer holographisch darzustellenden bewegten Szene. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass man im Wesentlichen nur die Substratschichten eines herkömmlichen pixelierten Flachdisplays modifizieren und sonst keine großen Änderungen vornehmen muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der SLM tolerant gegen leicht schrägen Lichteinfall ist, denn durch die retro-reflektierenden Elemente wird das Lichtbündel sequentiell unabhängig vom Einfallswinkel durch die Pixel der Makropixel geführt.
Die Ausführung eines reflektiven Lichtmodulators mit zwei beiderseits der Pixelstruktur liegenden Substratschichten ist in den 4 und 5 zu sehen. Die Lichteintrittsseite des Lichtmodulators ist auch die Lichtaustrittsseite.
Beide Figuren unterscheiden sich durch die Lage der retro-reflektierenden Elemente RE in den Substratschichten SR und durch die Form der Makropixel. Jeder Makropixel enthält hier vier Pixel P.
In 4 werden die Lichtbündel eindimensional durch die Makropixel geführt. Nach dem Eintritt in den ersten Pixel P des Makropixels werden die Lichtbündel an drei vertikal verlaufenden retro-reflektierenden Elementen RE reflektiert, wodurch sie sequentiell die nachfolgenden Pixel P passieren und dabei mit der entsprechenden Modulationscharakteristik dieser Pixel P moduliert werden. Am vierten Pixel P treten die Lichtbündel mit einem lateralen Versatz zur Einfallsrichtung wieder aus. Zum Realisieren dieser Lichtführung enthält die Substratschicht SR der Lichteintrittsseite vor jedem zweiten und dritten Pixel P eines Makropixels ein retro-reflektierendes Element RE. Vor jedem ersten und vierten Pixel P sind die transparenten Bereiche. In der Substratschicht SR hinter der ansteuerbaren Schicht ST sind die retro-reflektierenden Elemente RE aufeinander folgend ohne Abstand zueinander angeordnet.
In 5 werden die Lichtbündel zweidimensional durch die Makropixel geführt. Jeweils zwei horizontal und zwei vertikal benachbarte Pixel P werden als ein Makropixel angesteuert. Die retro-reflektierenden Elemente RE der Lichteintrittsseite des Lichtmodulators sind vertikal aufeinander folgend ohne Abstand zueinander angeordnet. Sie weisen horizontal einen Abstand in der Breite eines Pixels P auf. Auf diese Weise wechseln sich im Lichtmodulator auf der Lichteintrittsseite vertikal verlaufende Streifen von retro-reflektierenden Elementen RE und vertikale Streifen von transparenten Bereichen miteinander ab.
In der Substratschicht hinter den Pixeln P sind die retro-reflektierenden Elemente RE ohne Abstand zueinander in vertikaler Richtung entsprechend dem Zeilenverlauf des SLM angeordnet, so dass insgesamt eine reflektive Anordnung für die einfallenden Lichtbündel realisiert wird.
Der Lichteinfall in den ersten Pixel P erfolgt senkrecht zur Zeichenebene und ist mit einem Punkt gekennzeichnet. Die Pixel P des Makropixels sind mit 1 bis 4 nummeriert. Sie werden in dieser Reihenfolge von den Lichtbündeln sequentiell nach mehreren Reflexionen durchlaufen. Dies ist an dem zum Teil gestrichelten Lichtweg dargestellt. Die Lichtbündel verlassen den Makropixel, moduliert mit der Kombination der verschieden- oder/und gleichartig vorgegebenen Modulationscharakteristiken der einzelnen Pixel P mit einem horizontalen Versatz zur Einfallsrichtung. Der Lichtaustritt ist durch ein Kreuz markiert.
Wenn ein Lichtstrahl nacheinander durch mehrere Pixel P desselben Makropixels läuft, entspricht die Gesamtmodulation dann mathematisch der Multiplikation der durch die Modulationssteuermittel eingestellten Lichtmodulation dieser Pixel P.
Die Grundkomponenten in 2 und 3 werden in diesen Ausgestaltungen so miteinander kombiniert, dass ein transmissiv wirkender räumlicher Lichtmodulator in einer entsprechend transmissiven Lichtmodulationseinrichtung realisiert werden kann.
Im Lichtmodulator nach 2 sind die retro-reflektierenden Elemente RE in den Substratschichten ST auf beiden Seiten der Pixelstruktur positioniert. Weiterhin sind die einzelnen retro-reflektierenden Elemente RE jeweils durch die Breite eines Pixels P getrennt in der Substratschicht SR angeordnet. Die retro-reflektierenden Elemente RE sind gegenüber liegend um einen Pixel P versetzt positioniert und ihre reflektierenden Flächen sind den Pixeln P zugewandt.
Ein auf den ersten Pixel P des Makropixels einfallendes Lichtbündel passiert durch Reflexionen in zwei retro-reflektierenden Elementen RE die zwei nachfolgenden Pixel P und verlässt den Makropixel in der gleichen Richtung. Während der Lichtführung wird das Lichtbündel, durch Modulationssteuermittel MM gesteuert, mit den von der Systemsteuerung vorgegebenen Modulationscharakteristiken der einzelnen Pixel P moduliert.
Im Falle eines Flüssigkristall SLM kann auf beiden Seiten außen auf den Substratschichten SR ein Polarisationsmittel PM angeordnet sein, das analog zur ersten Ausgestaltung die Modulationsart der Pixel P als Phase und/oder Amplitude bestimmt.
Zusätzlich können strukturierte Polarisationsmittel PM jeweils auf der Innenseite der Substratschichten SR zwischen ansteuerbarer Schicht ST und retro-reflektierendem Element RE angeordnet sein. Mit diesen wird die Polarisation der Lichtbündel verändert, nachdem sie einen Pixel P des Makropixels passiert haben und bevor sie den nächsten Pixel P des Makropixels erreichen.
Als Vorteil ergibt sich hierbei neben der größeren Anzahl von Pixeln P zum Darstellen komplexer Werte, dass im Gegensatz zu den Ausgestaltungen als reflektiver SLM die Lichtbündel die Anzahl der Pixel P, hier z. B. drei, in einer festen Reihenfolge durchlaufen. Durch den festgelegten Lichtweg lässt sich die Anordnung von Pixeln zur Amplituden- und/oder Phasenmodulation optimieren.
Man kann die drei Pixel P des Makropixels zum Darstellen eines komplexen Wertes auf verschiedene Art nutzen. Bei einem Lichtmodulator mit Flüssigkristallschichten unterscheiden sich die Schichten beispielsweise im Fall eines zero-twisted nematic oder ECB genannten LC Mode für eine reine Phasenmodulation bis 2·π und eine reine Amplitudenmodulation nur in den Polarisationsrichtungen und der jeweils benötigten Dicke der Schichten.
Will man dagegen die Pixel auf dem transmissiv gestalteten SLM für eine kombinierte Amplituden- und Phasenmodulation verwenden, so kann man durch die Modulationssteuermittel gesteuert z. B. zwei Pixel P mit einer Phase bis 1·π und einen Pixel P mit einer Amplitude modulieren. Vorteilhafterweise kann dann die Flüssigkristallschicht für alle drei Pixel eine einheitliche Dicke haben. Allerdings ist zwischen Phasenpixeln und Amplitudenpixeln eine Drehung der Polarisation des Lichtes um 45 Grad relativ zur Orientierung der Flüssigkristalle nötig.
Dies erreicht man wie oben beschrieben, indem auf der Substratschicht innen zwischen ansteuerbarer Schicht und retro-reflektierendem Element ein strukturiertes Polarisationsmittel aufgebracht wird. Wenn dann beispielsweise zuerst die Phase moduliert wird, wird das Lichtbündel nach Durchlaufen des zweiten Phasenpixels und vor Durchlaufen des dritten Pixels neu polarisiert.
Alternativ kann die Konfiguration der Pixel P auch nur durch den Einsatz unterschiedlicher Alignment-Schichten durchgeführt werden, so dass die Flüssigkristalle in dem Amplitudenpixel um 45° gedreht orientiert sind. In diesem Fall kann die Polarisation des Lichtes beibehalten werden.
Generell sind auch andere Modulationskombinationen der drei Pixel des Makropixels möglich, um einfallende Lichtbündel mit einem komplexen Wert zu modulieren.
Ein Lichtmodulator der transmissiven Ausgestaltung kann gemäß 3 mit zusätzlichen Komponenten erweitert werden.
Da der Makropixel insgesamt wie ein einheitlicher Pixel wirkt, der aber einen kleinen Füllfaktor hat, ist eine Kombination mit optischen Abbildungsmitteln AM1 und AM2 sinnvoll, um den Füllfaktor des Lichtmodulators zu verbessern.
Die im Abbildungsverhalten aufeinander abgestimmten optischen Abbildungsmittel AM1 und AM2 an der Lichteinfallsseite des Lichtmodulators sorgen dafür, dass die auf die Pixel P einfallenden Lichtbündel auf die transparenten Bereiche der Makropixel verkleinert abgebildet werden.
Auf der Lichtaustrittsseite sind die optischen Abbildungsmittel AM1 und AM2 so aufeinander abgestimmt, dass die Strahlenbündel der modulierten Lichtstrahlen gleichmäßig aufgeweitet werden. Da die Lichtbündel sequentiell alle Pixel P des Makropixels durchlaufen haben und dadurch bereits homogen sind, wird gleichzeitig auch der gesamte SLM homogen ausgeleuchtet.
In weiterer Verwendung des Lichtmodulators kann die zugewiesene Modulationscharakteristik eine von der komplexen bzw. gekoppelten Amplituden- und Phasenmodulation abweichende Gesamtmodulation komplexer Zahlen realisieren. Sie kann eine reine Phasen- oder reine Amplitudenmodulation sein. Beispielsweise kann mit jeweils einem Makropixel eine Amplitudenmodulation des Lichtes durchgeführt werden, um durch die Kombination der amplitudenmodulierten Pixel der Makropixel den Kontrast der Modulation des Makropixels gegenüber dem Kontrast der Modulation eines einzelnen Pixels zu erhöhen.
Mit jeweils einem Makropixel kann aber auch nur eine Phasenmodulation durchgeführt werden, wobei für ein einzelnes Pixel nur zwei Phasenwerte 0 und π angesteuert, für ein zweites Pixel nur zwei Phasenwerte 0 und π/2 angesteuert werden. Das sequentielle Durchlaufen beider Pixel mit einem Lichtbündel erlaubt aber vier mögliche Phasenwerte 0, π/2, π und 3 π/2, also eine Verdoppelung der Zahl der Quantisierungsstufen.
Dieses Prinzip kann auch auf eine größere Anzahl von Pixeln im Makropixel ausgedehnt werden und in analoger Weise kann auch für Amplitudenmodulatoren die Zahl der Quantisierungsstufen erhöht werden.
Vorteilhafterweise erlaubt die Erhöhung der Zahl der Quantisierungstufen den Einsatz bestimmter Typen schneller SLM, wie z. B. ferroelektrische LC, für Anwendungen wie holographische Displays, für die diese Typen von Modulatoren sonst wegen ihrer nur zwei Quantisierungsstufen nicht geeignet sind.
Mehrere Amplituden- und mehrere Phasenpixel können zu einem größeren Makropixel von gleichartig kombinierten Pixeln hintereinander gesetzt werden. Dabei können die Quantisierungsstufen für Amplitude und für Phase unabhängig voneinander gemäß der Anzahl der Amplituden- und Phasenpixel im Makropixel gewählt werden.
Einer der vorstehend beschriebenen Lichtmodulatoren, in den eine gebeugte Struktur einer Wellenfront einer räumlichen Szene eingeschrieben ist, mit der die einfallenden Lichtbündel zum Erzeugen einer holographischen Rekonstruktion moduliert werden, kann für ein holographisches Displaygerät verwendet werden.
Das holographische Displaygerät kann je nach Verwendung des erfindungsgemäßen SLM sowohl transmissiv als auch reflektiv sein.

Claims

Steuerbarer Lichtmodulator mit mindestens einer ansteuerbaren transmissiven Schicht und mindestens einer Substratschicht, wobei die ansteuerbare transmissive Schicht regulär in Modulatorzeilen oder/und Modulatorspalten angeordnete Pixel und die Substratschicht retro-reflektierende Elemente mit reflektierenden Flächen zum Führen von Licht einfallender Lichtbündel enthält, sowie einer Systemsteuerung mit Modulationssteuermitteln zum Steuern der Modulation der Pixel, dadurch gekennzeichnet, dass – die Modulationssteuermittel (MM) eine Anzahl von Makropixeln aus jeweils mindestens zwei in einer Modulatorzeile oder/und einer Modulatorspalte benachbart angeordneten Pixeln (P) erzeugen, denen die Systemsteuerung eine ausgewählte Modulationscharakteristik zuweist, und – die retro-reflektierenden Elemente (RE) in der Substratschicht (SR) in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene aufeinander folgend so angeordnet sind, dass jeweils ein retro-reflektierendes Element (RE) zwei benachbarte Pixel (P) eines Makropixels in einer Modulatorzeile oder einer Modulatorspalte der ansteuerbaren Schicht (ST) überdeckt, um ein jeweils auf einen Pixel (P) eines Makropixels einfallendes Lichtbündel nach Reflexion an mindestens einem retro-reflektierenden Element (RE) sequentiell durch mindestens einen weiteren Pixel (P) des Makropixels zur Modulation der einfallenden Lichtbündel zu lenken.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei dem auf beiden Seiten der ansteuerbaren Schicht (ST) eine Substratschicht (SR) mit retro-reflektierenden Elementen (RE) vorgesehen ist, die jeweils so angeordnet sind, dass in mindestens einer Substratschicht (SR) zwischen benachbarten retro-reflektierenden Elementen (RE) transparente Bereiche entstehen und die reflektierenden Flächen der sich gegenüberliegenden retro-reflektierenden Elemente (RE) den Pixeln (P) der ansteuerbaren transmissiven Schicht (ST) zugewandt und lateral zueinander versetzt positioniert sind.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, der als transmissiver Lichtmodulator ausgebildet ist mit einer Lichtführung, die durch jeweils einen Makropixel mit einer ungeraden Anzahl von Pixeln (P) und über mindestens zwei retro-reflektierende Elemente (RE) verläuft, wobei die transparenten Bereiche der einen Substratschicht (SR) die Einfallsflächen für die Lichtbündel bilden und die andere Substratschicht (SR) ebenfalls transparente Bereiche aufweist, die die Austrittsfläche bilden.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, der als reflektiver Lichtmodulator ausgebildet ist mit einer Lichtführung, die durch jeweils einen Makropixel mit einer geraden Anzahl von Pixeln (P) und über mindestens drei retro-reflektierende Elemente (RE) verläuft, wobei transparente Bereiche einer Substratschicht (SR) die Einfallsflächen und andere transparente Bereiche der gleichen Substratschicht (SR) die Austrittsflächen für die Lichtbündel bilden.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei dem auf mindestens einer Seite des Lichtmodulators ein Polarisationsmittel (PM) vorgesehen ist.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 4, bei dem auf beiden Seiten des Lichtmodulators ein strukturiertes Polarisationsmittel (PM) die Lichtbündel in den transparenten Bereichen der Einfallsflächen und in den transparenten Bereichen der Austrittsflächen unterschiedlich polarisiert.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei dem an der ansteuerbaren Schicht (ST) und der Substratschicht (SR) Polarisationsmittel (PM) vorgesehen sind.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 3, bei dem in den transparenten Bereichen auf der Lichteinfallsseite optische Abbildungsmittel (AM1; AM2) angeordnet sind, welche die einfallenden Lichtbündel auf die Einfallsflächen der Makropixel verkleinert abbilden.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei dem in den transparenten Bereichen auf der Lichtaustrittsseite optische Abbildungsmittel (AM1; AM2) angeordnet sind, welche die durch die Makropixel geführten Lichtbündel an den Austrittsflächen der Makropixel aufweiten.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, der als reflektiver Lichtmodulator mit einer einzigen ansteuerbaren transmissiven Schicht (ST) und einer in Lichtrichtung folgenden einzigen Substratschicht (SR) ausgebildet ist, wobei die retro-reflektierenden Elemente (RE) in einer Ebene parallel zur Lichtmodulatorebene vertikal ohne Abstand zueinander in der Substratschicht (SR) angeordnet sind.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 10, bei welchem das jeweils auf einen Pixel (P) des Makropixels einfallende Lichtbündel unabhängig von der Position und vom Winkel des Auftreffens im Pixel (P) den Makropixel passiert und mit einem seitlichen Versatz zur Einfallsposition den Makropixel verlässt.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 10, der in Lichtrichtung vor der transmissiven Substratschicht (SR) ein strukturiertes Polarisationsmittel (PM) enthält, das beiden Pixeln (P) des Makropixels eine unterschiedliche Polarisation zuweist.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 10, der in Lichtrichtung vor der transmissiven Substratschicht (SR) ein strukturiertes Polarisationsmittel (PM) enthält, das beiden Pixeln (P) des Makropixels die gleiche Polarisation zuweist.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 10, bei welchem die vom einfallenden Lichtbündel durchlaufenen Weglängen im Makropixel in der Größenordnung des Pixelpitches des Lichtmodulators liegen.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 8 und 9, bei welchem die optischen Abbildungsmittel (AM1; AM2) arrayartig angeordnete Zylinderlinsen sind.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 8 und 9, bei welchem die optischen Abbildungsmittel (AM1; AM2) mindestens teilweise in die ansteuerbare Schicht (ST) integriert sind.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei dem in jeweils einem Makropixel eine komplexwertige Modulation eines Lichtbündels in Amplitude und Phase erfolgt.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 17, bei dem für eine gemeinsame Amplituden- und Phasenmodulation des Lichtbündels in einem Makropixel mit drei Pixeln (P) jeweils zwei Pixel (P) zur Phasenmodulation und ein Pixel (P) zur Amplitudenmodulation angesteuert werden.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 18, bei dem ein strukturiertes Polarisationsmittel (PM) zum Ändern der Polarisationsrichtung des geführten Lichtbündels jeweils an der Austrittsfläche eines phasenmodulierenden Pixels (P) eines Makropixels angeordnet ist.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 17, bei dem jeder einzelne Pixel (P) des Makropixels eine unterschiedliche Modulationscharakteristik aufweist und derart einzeln angesteuert wird, dass ein Lichtbündel beim Durchlaufen des Makropixels durch die Kombination der Modulationscharakteristika insgesamt eine unabhängige Modulation von Amplitude und Phase erhält.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2 und 17, bei welchem die Pixel (P) des Makropixels eine gleiche Modulationscharakteristik aufweisen und derart angesteuert werden, dass ein Lichtbündel beim Durchlaufen des Makropixels durch die Kombination der Modulationscharakteristika insgesamt eine unabhängige Modulation von Amplitude und Phase erhält.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, bei dem mit ansteigender Pixelzahl im Makropixel die Anzahl darstellbarer Quantisierungsstufen der Modulation vergrößert wird.
Steuerbarer Lichtmodulator nach Anspruch 2, in den eine gebeugte Struktur einer Wellenfront einer räumlichen Szene eingeschrieben ist, mit der die einfallenden Lichtbündel zum Erzeugen einer holographischen Rekonstruktion moduliert werden.