WO2008151980A1 - Einrichtung zur amplituden- und phasemodulation von licht - Google Patents

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molecules
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Norbert Leister
Ralf Häussler
Steffen Buschbeck
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Definitions

  • the invention relates to a device for light modulation with regularly arranged controllable light-modulating elements, which has a birefringent material for the modulation of phase and amplitude of a sufficiently coherent light wave whose molecular axes receive an orientation by the action of controllable forces.
  • Field of application of the invention are light modulation means, e.g. flat spatial light modulators with high image display solution, which are used in display equipment for video and TV sets, projectors or similar devices for holographic reproduction.
  • these devices can be used as a holographic display for holographic reconstruction of a scene.
  • the holographic display can be both a direct view display and a projection display.
  • the controllable elements may be the pixels of a light modulator.
  • the present invention is to be seen in the context of a preferred real-time or near real-time holographic representation of a video.
  • the video consists in the document of a plurality of scenes (frames), each of which is encoded as a hologram in the elements of the light modulation means.
  • frames each of which is encoded as a hologram in the elements of the light modulation means.
  • various methods are known which take into account the properties of the available light modulating means.
  • the term "regularly arranged controllable elements” encompasses both the pixels of a light modulator and a continuously extending, non-pixelated coding surface of a light modulator, which is formally subdivided into discrete regions by the information to be displayed.
  • holographic display is from earlier documents, e.g. (1) EP 1 563 346 A2, (2) DE 10 2004 063 838 A1 or (3) DE 10 2005 023 743 A1, known to the Applicant.
  • a hologram computation is performed on the following basis:
  • a three-dimensional scene is used for coding and holographic Reconstruct decomposed into a plurality of object points.
  • the controllable elements change the amplitude and / or phase of the light to reconstruct each object point of the scene.
  • Each object point is coded, for example, in a separate area of the coding surface of the light modulation means, which reconstructs this object point. This area is called the sub-hologram of this object point.
  • the sub-hologram corresponds approximately to a holographically coded lens function that reconstructs this one object point at its focal point.
  • the object point must be coded in the form of complex values.
  • the amount of the complex values is approximately constant over the extent of the sub-hologram and depends in its height on the axial distance of the object point to the screen and on the intensity of the object point.
  • the phase distribution of the complex values in the region of the sub-hologram corresponds approximately to the function of a lens whose focal length depends on the axial distance of the object point to the light modulation means or screen. Outside the sub-hologram, the value 0 is to be written in the light modulation means for this object point. Only the pixels of the light modulator within the sub-hologram contribute to the reconstruction of the single object point. The entire hologram is obtained by adding up the individual sub-holograms.
  • the holographic reconstruction of the scene is generated, for example, in cooperation with a reconstruction optics in a reconstruction space that is spanned by the visibility area and the light modulation means. Wavefronts emanating from the holograms of the scene encoded in the light modulation means are superimposed in the visibility region and the reconstructed object points can be seen there from an eye position.
  • the reconstruction from the superimposed modulated wavefronts is not simultaneously visible to both eyes of an observer. For each eye of an observer, in time or space multiplex, different perspective 3D representations of the scene are generated which differ in parallax but are seen by the brain as a single holographic 3D representation.
  • the viewer can either look at a light modulation means, in which a hologram of the scene is coded directly and which serves as a screen. This is called a direct-view setup.
  • the viewer may look at a screen onto which either an image or a transform of the hologram values encoded in the light modulation means is projected. This is called projection construction.
  • the eye positions of observers are determined in a known manner by a position finder, which is program-technically coupled to a computing unit
  • a hologram of the scene which may also be computer-generated and whose values are stored in a memory unit as a look-up table
  • complex numbers or complex values for each object point are entered in the arithmetic unit, which are written into the light modulation means must be coded.
  • the complex values are coded into the pixels of a spatial light modulator (SLM) in the case of a pixelated SLM or, in the case of a non-pixelated SLM, into a continuously extending coding surface which is formally divided into discrete regions by the respective information to be displayed.
  • SLM spatial light modulator
  • SLMs For modulating the incident coherent light waves, SLMs are known which perform only a modulation of the phase of the light waves and those which only effect a modulation of the amplitude. Furthermore, there are also SLMs that perform a coupled amplitude / phase modulation. Certain fixed combinations of amplitude and phase values - but not arbitrary complex values - can be written into this SLM.
  • Document US 5 719 650 describes a light modulator for independently controlling amplitude and phase. It consists of two polarization rotating elements, each with a liquid crystal layer, which are each arranged between two carrier substrate plates. The base electrodes and the grid electrodes are also available separately for each layer. An adjustment of the elements to each other is already performed in the manufacturing phase. However, there is currently no single SLM consisting of only one liquid crystal layer into which the complex-valued information of a holographic scene can be written directly and modulated with light.
  • a light modulator is known to be based on the use of liquid crystals (LC).
  • LC liquid crystals
  • Liquid crystals are birefringent materials in which the orientation of the optical axis of the molecules can be adjusted in a desired direction, e.g. through an electric field.
  • the optical axis corresponds to the longitudinal axis of a molecule.
  • the modulation of the incident light in such a light modulator depends on the direction of adjustment of the optical axes of the molecules relative to the direction of passage through the light modulator and on the polarization of the light.
  • LC light modulators are known, which are to be used either as amplitude modulators or as phase modulators.
  • Patent EP 0583114 describes an optically addressable SLM (OASLM). It contains a photoconductive layer in addition to the liquid crystal layer and the electrodes. By means of write light falling on the SLM, the conductivity of the photoconductive layer is changed as a function of the intensity of the writing light. When an electric field is applied across the electrodes and the photoconductive layer, the photoconductive layer is affected due to its conductivity set by the writing light, the field applied to the liquid crystal layer. The alignment of the molecules of the liquid crystal layer is carried out according to the set electric field and then serves to modulate the sufficiently coherent reading light. While an individual drive voltage must be addressed for each pixel in an EASLM, the OASLM has a fixed drive voltage and the local alignment of the molecules takes place via the write light. Nevertheless, a conventional OASLM can only be used to modulate either the phase or the amplitude of the reading light.
  • phase and amplitude can not be modulated independently of each other, because typically only one parameter can be varied with an electric field generated at the LC layer or a similarly effective force to influence the liquid crystal molecules. This will be explained in more detail below with reference to FIGS. 1 for a phase modulation and FIG. 2 for an amplitude modulation.
  • the pixel P is shown with a frame and comprises a birefringent
  • Material for example a liquid crystal layer LC with molecules M, on which almost coherent light falls. Since the direction of light incidence perpendicular to
  • the molecules M can be seen in the plan view of Fig. 1a in a starting position in the off state of the phase modulator.
  • the incident light is vertically polarized, indicated by the double arrow, and the optical axes of the
  • Molecules M are aligned parallel to the incident light.
  • FIGS. 1 b and 1 c schematically show the pixel P in the switched-on state of the phase modulator at a medium voltage.
  • Axes of the molecules M are by the applied voltage V by a certain Angles have been oriented out of the plane. At an applied maximum tension, alignment of the axes would be perpendicular to the plane.
  • the liquid crystal layer LC is enclosed according to FIG. 1c by two mutually opposite carrier substrates TS, eg glass.
  • the molecules M are controlled by generating an electric field between opposing electrodes E1 and E2 in their optical properties. The direction of incidence of the light is indicated by arrows.
  • the applied voltage V does not change the polarization direction of the light, but the phase of the light is affected by the orientation of the optical axes of the molecules M.
  • FIGS. 2 a and 2 b show, analogously to FIG. 1, the plan view of a pixel P, while FIG. 2 c shows the side view.
  • the orientation of the optical axes of the molecules M as well as the polarization PO of the incident light in the switched-off state of the pixel P in FIG. 2a correspond to those in FIG. 1a.
  • the electrodes E1 and E2 are arranged differently.
  • the applied voltage V acts in this case from left to right, while there is no electric field in the representation of the side view.
  • This drawing is roughly schematic. Since, as a rule, the lateral extent of a pixel is greater than a few micrometers, usually the transverse electrode is subdivided once again so as not to apply excessive voltages. So there are several electrodes per pixel connected in series. For better clarity, however, only 2 electrodes are shown.
  • Fig. 2b and 2c the pixel P is shown in the on state.
  • a mean voltage V a rotation of the optical axes of the molecules M in Fig. 2b in the plane, recognizable by the slight inclination of the molecules M.
  • Fig. 2c takes place according to Fig. 2c from the plane of plan view out no rotation of the molecular axes .
  • the incident light is rotated in its polarization by the alignment of the optical axes of the molecules M by applying a voltage V at a predetermined thickness of the liquid crystal layer LC from the value PO1 by a certain angle in the position PO2.
  • the size of the rotation angle is twice the angle between the polarization PO of the incident light and the caused alignment of the optical axes of the molecules M.
  • the amplitude of the light be modulated.
  • a maximum amplitude and with applied voltage and a rotation of the optical axis of the molecules by 45 ° - thus a polarization rotation by 90 ° - an amplitude of 0.
  • the incident light waves can always be modulated only with a proportion of a complex value.
  • the pixels of both SLM would have to be congruent with each other so that the light passes through two correspondingly assigned pixels. Due to the unavoidable distance between the LC layers, however, this condition is no longer satisfied even for small angles of the incident light rays, in particular in oblique passage through the SLM. But even in the case of vertical light incidence, e.g. an inaccurate adjustment of the light source associated with the two pixels will result in a passage of the light through respective different pixels in both SLMs.
  • the object of the invention is to avoid the stated disadvantages of the prior art in presenting complex hologram values and to simplify the modulation of light waves in phase and amplitude in a single light modulation device.
  • the invention is based on a device with regularly arranged controllable light-modulating elements, which has a birefringent material in molecular form for modulating the phase and amplitude of a sufficiently coherent light wave, wherein a modulation control controls a force-induced alignment of the optical axes of the molecules.
  • controllable means which align the optical axes of the molecules in the light-modulating elements independently in two dimensions, as well as a polarizer arranged on the output side,
  • the birefringent material consists of a single layer of liquid crystals.
  • Alignment of the optical axes of the molecules may be accomplished by two externally-controllable means according to a feature of the invention. These can act in a stepwise controllable manner on the optical axes of the molecules and so independently set two angles of projection of the optical axes of the birefringent material into two different mutually perpendicular planes.
  • At least one of the externally acting means is an electric field. In a second embodiment of the means, at least one of the externally acting means is a magnetic field.
  • At least one axis of the molecules is aligned by optical means.
  • Another essential feature of the invention is that two means generating an electric or magnetic field are arranged approximately perpendicular to each other on each of a light modulating element in the light modulator.
  • the layer of liquid crystal or other birefringent material is doped with dye molecules and alignment in one plane is accomplished by varying the polarization of writing light falling on the device. Alignment in the other plane is achieved by generating an electric or magnetic field .
  • the alignment of the optical axes of the molecules in a plane takes place by varying the intensity of incident writing light.
  • the device additionally includes a layer of photoconductive material which reacts to the writing light. For alignment in the other plane, an electric or magnetic field can be generated again.
  • the device is a spatial light modulation means with light-modulating elements. If a hologram of a scene is inscribed in these elements and if the device additionally contains a lighting unit and an optical system, then it can be used to reproduce the holographic scenes. Such trained devices can be used as light modulators in a holographic display.
  • the light-modulating elements are pixels and the means for aligning the pixels are pairwise aligned for two-level alignment to concurrently modulate the incident light pixel by pixel with phase and amplitude.
  • the object is further achieved by a method of light modulation using a device comprising a birefringent material in molecular form with a regular array of controllable light modulating elements for modulating the amplitude and phase of sufficiently coherent lightwaves, the optical axes of the molecules being affected by the action of Forces, controlled by a modulation control, be aligned.
  • the method is characterized in that the optical axes of the molecules are aligned independently of one another in two dimensions by controllable means acting externally on the light-modulating elements and a polarizer arranged on the output side is provided.
  • the alignment of the axes of the molecules is carried out in process steps by two externally acting, independently controllable means.
  • the alignment of the axes is continuously controlled.
  • a hologram of a scene is written in the device designed as a spatial light modulation means. If a lighting unit illuminates the hologram, then a holographic reconstruction of the scene can be generated together with an optical system and the components together realize a holographic display means.
  • two electric fields, perpendicular to one another and in their strength independently adjustable electrical fields act on the optical molecular axes, so as to achieve the simultaneous modulation of the incident light in phase and amplitude.
  • two magnetic fields which act perpendicular to one another and can be adjusted independently of one another can also act on the optical molecule axes and change their orientations. It is also possible to use a combination of an electrical and a perpendicular magnetic field to align the optical molecular axes. However, other combinations of the mentioned in the Einhachtungst means for aligning the optical axes of the molecules can be used in the process.
  • optical molecule axes in the plane of the light modulation means can also be aligned optically, for example by photoalignment, by means of polarized writing light in the dye-molecule doped doubly refractive material and in a plane perpendicular thereto by the action of an electric or magnetic field , If the device already contains an illumination means with at least one linearly polarized light source, then the polarization of the light source replaces the function of a polarizer to be arranged on the light entry surface. In this case, the polarization of the writing light can be varied without causing any disturbing effects by the polarizer.
  • Another possibility for using polarized writing light is a reflection of the wavelength of the reading light light modulator, which can be described from the back.
  • a holographic display can be realized to produce a holographic reconstruction.
  • the holographic display device has a light modulation device with a light modulator means with regularly arranged pixels and a liquid crystal layer whose optical molecular axes for modulating the phase and amplitude of sufficiently coherent light waves of a lighting unit independently of each other two-dimensionally by externally acting on the pixels controllable means according to the aforementioned examples by a Modulation control are aligned to simultaneously modulate resulting phase and amplitude values of a holographically encoded 3D scene, wherein the holographic display device further comprises an optical system for reconstructing the 3D scene in a reconstruction space with the modulated light modulated light waves.
  • the coding of calculated complex hologram values of a 3D scene and the modulation of incident coherent light waves with phase and amplitude values can be simplified since only a single SLM with a single liquid crystal layer is needed.
  • the prior art uses a combination of several SLMs or an SLM with multiple independent liquid crystal layers.
  • a further advantage results from the fact that, in comparison to solutions with several SLMs, disturbing effects in the propagation of the light between the individual LC and carrier layers are avoided.
  • 1 a is a top view of a pixel of an SLM with molecules of a
  • 1 b is a plan view of a pixel of an SLM with molecules of a
  • FIG. 1 c is a side view of FIG. 1 b
  • 2a is a plan view of a pixel of an SLM with molecules of a
  • Fig. 2b is a top view of a pixel of an SLM with molecules of a
  • Liquid crystal layer in the on state, for amplitude modulation according to the prior art
  • FIG. 2c is a side view of Fig. 2b
  • Fig. 3a is a plan view of a pixel of an SLM with molecules of a liquid crystal layer in the off state according to the
  • FIG. 3b is a side view 1 to Fig. 3a
  • FIG. 3c shows a comparison with FIG. 3b rotated by 90 ° side view 2
  • Fig. 3d is a plan view of a pixel of an SLM with molecules of a liquid crystal layer in the on state
  • FIG. 3f shows a side view 2 rotated by 90 ° with respect to FIG. 3e, FIG.
  • 4a is a plan view of a pixel of an SLM with molecules of a
  • Liquid crystal layer with optical alignment of the molecules 4b is a side view of Fig. 4a,
  • FIG. 5a is a side view of an optical-alignment pixel of FIG.
  • 6 is a graphical representation of amplitude and phase combinations as complex valued modulations.
  • Light modulation means are formed with their pixelated Kodier materials either transmissive or reflective and consist of a regular array of pixels with finite extent, which are due to production separated by gaps.
  • the coding surface is e.g. traversed by a grid of thin electrodes, between which the pixels are at a pixel distance from each other.
  • the electrodes are switched by a control unit, in particular by means of a computer with programmatic means located therein, so that the pixels are encoded in amplitude and phase with regard to transparency or reflection.
  • the transmissive pixels encoded with complex values pass the incident light waves while the reflection pixels reflect the light waves.
  • the presentation of optical / lighting technology and other electrical / electronic means is omitted for clarity.
  • the invention is based on the following consideration:
  • a birefringent material is suitable because it consists of molecules with two optical axes acting in two different planes.
  • the optical axes of the molecules In order to be able to independently influence the phase and amplitude of the light waves, the optical axes of the molecules must be able to be aligned independently of one another in two dimensions. This happens on the following basis: When you enter the birefringent matter! Places a cutting plane and in this cutting plane a coordinate axis, then forms the geometric projection of the optical axis in this cutting plane at an angle with the coordinate axis. This angle can be changed by moving the optical axis of the molecules in this plane.
  • the geometric projection of the optical axis also forms an angle with this coordinate axis.
  • a change in these two angles independently corresponds to an independent two-dimensional alignment of the optical axes of the molecules according to the invention.
  • the alignment of the optical axes is generally combined with the polarization of the incident light.
  • a polarizer is placed in front of the light modulator. If linearly polarized light sources are used for illumination, the polarization of the light source itself takes the place of the polarizer.
  • This path difference depends on the one hand on the thickness of the traversed layer. On the other hand, it can also be influenced by a rotation of the LC molecules out of this plane.
  • the path difference between the two Components lower.
  • elliptically polarized light may be generated in the general case after passing through the LC layer.
  • a polarizer after the LC layer transmits only a portion thereof, which is then linearly polarized. This has a defined amplitude A and a defined phase delay ⁇ .
  • An optical path difference of a wavelength ⁇ generally corresponds to a phase delay ⁇ of 2 ⁇ . It is dependent on the birefringence ⁇ n and the layer thickness d of the LC layer according to the equation
  • n the refractive index is parallel and ru the refractive index perpendicular to the optical axis of the molecules.
  • ⁇ is the phase delay of the light resulting from the plane, depending on the thickness of the LC layer and the angle ⁇ of the optical axes of the molecules, and with ⁇ the angle of rotation of the molecules relative to the polarization direction of the light before entering the LC layer.
  • the variation of both parameters ⁇ and ⁇ then allows a complex-valued modulation of the light.
  • a pixel-wise modulation control preferably takes place in a transmissive light modulation means having a liquid crystal layer LC, wherein at least two electrodes E1 and E2 for the function-dependent control of the molecules M are effective for a pixel P.
  • the alignment of the optical axes of the molecules M of the liquid crystal layer LC is also performed pixel by pixel. If that does not apply, it will be pointed out.
  • means for generating electric fields are used for the pixel-wise alignment of the optical axes of the molecules.
  • a transmissive light modulator is shown in fragmentary form in the form of a pixel P in the switched-off state.
  • the top view shows molecules M of the liquid crystal layer LC in a plane between two mutually perpendicular electrodes E1 and E2 for functionally controlled control of the molecules M.
  • a vertical polarization PO of the incident light in the pixel P is indicated by a double arrow.
  • the alignment of the optical axes of the molecules M 1, the vertical polarization PO and the direction of incidence of coherent light are consistent with the types of light modulators described in the prior art.
  • FIGS. 3b and 3c show the side views 1 and 2 for the molecules M in the pixel P in the switched-off state.
  • the arrows indicate the light incidence direction.
  • the rotated by 90 ° side view 2 is now also shown for clarity.
  • FIG. 3d The drawings of Figs. 3d to 3f show the on state of a pixel P according to the first embodiment.
  • the two opposing electrodes E1 and E2 which can be controlled independently of one another by a modulation control, generate two electric fields for aligning the molecules.
  • the optical axes of the molecules M in the pixel P are rotated within the one plane by rotation through the angle ⁇ (see Fig. 3d) and rotated by the angle ⁇ within the other plane.
  • These angles of rotation ⁇ and ⁇ influence both the amplitude and the phase of incident light waves, as can be seen from the equations given above.
  • the rotation angle ⁇ of the optical axes of the molecules produced by the applied voltage is indicated which acts in the other plane.
  • FIG. 3f shows in the side view 2 rotated by 90 ° to FIG. 3e the pixel P with 4 voltage values VO, Va, Vb and Va + Vb as side view 2.
  • the left lower electrode has the voltage value VO and the left upper electrode the voltage value vb. Between the left and right side can the voltage Va-VO abut, between the bottom and top, the voltage Vb-VO. The upper right electrode then has the voltage value Va + Vb.
  • the optical axes of the molecules of the pixel P can be aligned in both dimensions-in plan view and side view. The alignment of the optical axes modulates the amplitude and phase of the transmitted light.
  • FIGS. 3 a and 3 d can also be replaced by a plurality of series-connected individual electrodes via a pixel in order to take account of the different lateral extent and thickness extent of a pixel.
  • magnetic fields acting perpendicular to one another can be generated in a second embodiment of the means, which is not shown in more detail.
  • the means for this may be arranged analogously to the arrangement for generating the electric fields in order to align the optical axes of the molecules independently of one another in two planes.
  • optical means and / or methods for aligning the optical axes of molecules can be used.
  • the photoalignment is used, in which the molecules in the display plane are optically aligned in a light modulator with birefringent material.
  • a liquid crystal layer is doped with dye molecules and the optical axes of the molecules align themselves with the polarization of incident writing light.
  • Such light modulators are known as so-called dye-doped optically addressable spatial light modulators (English: dye-doped OASLM).
  • the writing light falling from a light source onto the light modulator can be incoherent light.
  • the optical axes of the molecules are aligned with an electric field by conventional electrodes.
  • Such light modulators are known as EASLM.
  • FIG. 4 a shows an example of a combination of an OASLM and an EASLM as a detail at a pixel P in plan view.
  • the molecules M can be seen with a slight rotation out of the one plane. They are aligned perpendicular to the polarization direction of the writing light POS. With writing light here incident light for influencing the orientation of the molecules M in the liquid crystal layer LC is referred to.
  • Reading light is the light modulated by the light modulator. It has in this example a vertical polarization POL, characterized by the double arrow outside the pixel P 1, and may also be different in its further properties and in the wavelength from the reading light. A polarizer in the plane of incidence of the light modulator is not necessary.
  • FIG. 4b shows in side view the orientation of the molecules M in the other plane perpendicular to FIG. 4a, which is generated here by means of an electric field.
  • the molecules are rotated more out of the plane in comparison to the plane in FIG. 4 a by the modulation control in accordance with the complex value to be represented here.
  • the electrode structure and the electrical addressing of the light modulator and the arrangement of the carrier substrates TS, illustrated at the pixel P, are in accordance with a conventional liquid crystal modulator.
  • the direction of incidence of the reading light is indicated by the dotted arrow.
  • a light modulator includes a photoconductive layer in addition to the liquid crystal layer.
  • FIG. 5 a again shows, as a section of a light modulator, a pixel P in side view with molecules M in the liquid crystal layer LC, the electrodes E1 and E2, the carrier substrates TS and the photoconductive layer PS. The molecules can be seen in the starting position.
  • This figure indicates the writing operation in the pixel P and the broken arrows indicate which direction the writing light falls on the photoconductive layer PS.
  • the conductivity of the photoconductive layer PS is changed.
  • FIG. 6 shows in a graphical representation combinations of amplitude and phase values as complex-valued modulations on a light modulator falling light waves.
  • the horizontal axis contains relative amplitudes between 0 and 1
  • the vertical axis contains phases between 0 and 2 ⁇ r.
  • the plotted points represent examples of various complex numbers with the respective amplitude and phase, which can be set via different combinations of the parameters ⁇ and ⁇ .
  • the invention can be used both in pixelated and non-pixelated light modulators. If at least one of the means generates an electric field for aligning the axes of the molecules, the light modulator must be pixelated, that is also in a combination of electrical and optical alignment.
  • a non-pixelized light modulator to which a pixel structure from the outside is formally imprinted by the information to be respectively displayed.
  • an arrangement with two writing light beams may be used, one of which, by varying the intensity of the writing light, makes the alignment of the molecules in one plane and the other writing light beam through the polarization the alignment in the other plane.
  • a hologram of a three-dimensional scene is encoded.
  • a lighting unit with a nearly coherently radiating light source illuminates the light modulator.
  • Modulation control causes the incident light to be modulated independently of one another in two different amplitude and phase planes by appropriate alignment of the molecules of the liquid crystal layer. Together with an optical system will reconstructed the scene in a reconstruction room with the modulated light waves.

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Abstract

Bei bekannten Lichtmodulationsmitteln werden komplexe Phasen- und Amplitudenwerte zur Modulation von Lichtwellen entweder getrennt durch zwei verschiedene Lichtmodulationsmittel oder ein Lichtmodulationsmittel mit zwei Schichten von doppelbrechenden Materialien dargestellt und moduliert. Dies bedeutet einen erhöhten Aufwand an Material und Justierung. Die neue Einrichtung soll die Modulation von Lichtwellen in Phase und Amplitude in einem einzelnen Lichtmodulationsmittel aus doppelbrechendem Material vereinfachen. In einer Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur komplexwertigen Modulation kohärenter Lichtwellen ein doppelbrechendes Material (LC) aufweist und bei der eine Modulationssteuerung eine durch Kraft einwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) des doppelbrechenden Materials (LC) steuert, sind Mittel vorgesehen, um die optischen Achsen der Moleküle (M) in den lichtmodulierenden Elementen unabhängig voneinander zweidimensional auszurichten. Die Ausrichtung kann durch elektrisch, magnetisch oder optisch wirkende Mittel erfolgen. Die Einrichtung ermöglicht durch Einsatz gleichartiger bzw. kombinierter Mittel die komplexwertige Lichtmodulation von Lichtwellen in einem Lichtmodulationsmittel mit einzelner Materialschicht.

Description

EINRICHTUNG ZUR AMPLITUDEN- UND PHASEMODULATION VON LICHT
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Lichtmodulation mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur Modulation von Phase und Amplitude einer hinreichend kohärenten Lichtwelle ein doppelbrechendes Material aufweist, dessen Molekülachsen durch Einwirken von regelbaren Kräften eine Ausrichtung erhalten.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lichtmodulationsmittel, z.B. flache räumliche Lichtmodulatoren mit hoher Bildauflauflösung, die in Displayeinrichtungen für Video- und TV-Geräte, Projektoren oder ähnlichen Geräten zur holographischen Wiedergabe eingesetzt werden. In Kombination mit einem Beleuchtungsmittel und einem optischen System können diese Einrichtungen als holographisches Display zum holographischen Rekonstruieren einer Szene genutzt werden. Das holographische Display kann sowohl ein Direktsichtdisplay als auch ein Projektionsdisplay sein. Die steuerbaren Elemente können die Pixel eines Lichtmodulators sein.
Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit einer vorzugsweisen Echtzeit- oder echtzeitnahen holographischen Darstellung eines Videos zu sehen. Das Video besteht im Dokument aus einer Vielzahl von Szenen (Einzelbildern), die jeweils als ein Hologramm in die Elemente des Lichtmodulationsmittels kodiert werden. Zum Kodieren sind verschiedene Methoden bekannt, die die Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Lichtmodulationsmittel berücksichtigen. In der Beschreibung der Erfindung umfasst der Begriff „regulär angeordnete steuerbare Elemente" sowohl die Pixel eines Lichtmodulators als auch eine kontinuierlich verlaufende, nicht pixelierte Kodierfläche eines Lichtmodulators, die durch die darzustellende Information formal in diskrete Bereiche unterteilt wird.
Ein spezieller Typ eines holografischen Displays ist aus früheren Dokumenten, z.B. (1 ) EP 1 563 346 A2, (2) DE 10 2004 063 838 A1 oder (3) DE 10 2005 023 743 A1 , der Anmelderin bekannt.
Dort wird eine Hologrammberechnung auf folgender Grundlage durchgeführt: Eine dreidimensionale Szene wird zum Kodieren und holographischen Rekonstruieren in eine Vielzahl von Objektpunkten zerlegt. Beim Durchgang von kohärentem Licht durch den Lichtmodulator verändern die steuerbaren Elemente die Amplitude und/oder Phase des Lichts, um jeden Objektpunkt der Szene wieder rekonstruieren zu können. Jeder Objektpunkt wird z.B. in einen separaten Bereich der Kodierfläche des Lichtmodulationsmittels kodiert, der diesen Objektpunkt rekonstruiert. Dieser Bereich wird als das Subhologramm dieses Objektpunktes bezeichnet. Das Subhologramm entspricht ungefähr einer holographisch kodierten Linsenfunktion, die diesen einen Objektpunkt in ihrem Brennpunkt rekonstruiert. Der Objektpunkt muss in Form von komplexen Werten kodiert werden. Der Betrag der komplexen Werte, also die Amplitude, ist über die Ausdehnung des Subhologramms ungefähr konstant und hängt in seiner Höhe von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Bildschirm und von der Intensität des Objektpunktes ab. Die Phasenverteilung der komplexen Werte im Bereich des Subhologramms entspricht ungefähr der Funktion einer Linse, deren Brennweite von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Lichtmodulationsmittel bzw. Bildschirm abhängt. Außerhalb des Subhologramms ist für diesen Objektpunkt im Lichtmodulationsmittel der Wert 0 einzuschreiben. Nur die Pixel des Lichtmodulators innerhalb des Subhologramms tragen zur Rekonstruktion des einzelnen Objektpunkts bei. Das gesamte Hologramm ergibt sich durch Aufaddieren der einzelnen Subhologramme.
Die holographische Rekonstruktion der Szene wird beispielsweise im Zusammenwirken mit einer Rekonstruktionsoptik in einem Rekonstruktionsraum erzeugt, der vom Sichtbarkeitsbereich und dem Lichtmodulationsmittel aufgespannt wird. Von den im Lichtmodulationsmittel kodierten Hologrammen der Szene ausgehende Wellenfronten überlagern sich im Sichtbarkeitsbereich und die rekonstruierten Objektpunkte sind dort von einer Augenposition aus zu sehen. Die Rekonstruktion aus den überlagerten modulierten Wellenfronten ist nicht gleichzeitig für beide Augen eines Betrachters sichtbar. Für jedes Auge eines Betrachters werden im Zeit- oder Raummultiplex unterschiedliche perspektivische 3D-Darstellungen der Szene erzeugt, die sich in der Parallaxe unterscheiden, aber vom Gehirn als eine einzige holographische 3D-Darstellung gesehen werden.
Zum Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann der Betrachter entweder auf ein Lichtmodulationsmittel schauen, in welches ein Hologramm der Szene direkt kodiert ist und das als Bildschirm dient. Dies wird als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Bildschirm schauen, auf den entweder eine Abbildung oder eine Transformierte der im Lichtmodulationsmittel kodierten Hologrammwerte projiziert wird. Dies wird als Projektionsaufbau bezeichnet.
Die Augenpositionen von Betrachtern werden in bekannter Weise von einem Positionsfinder ermittelt, der programmtechnisch mit einer Recheneinheit gekoppelt ist
Als Ergebnis der Berechnung eines Hologramms der Szene, das auch computergeneriert sein kann und dessen Werte in einer Speichereinheit als Look- up-Tabelle gespeichert vorliegen, werden in der Recheneinheit komplexe Zahlen bzw. komplexe Werte für jeden Objektpunkt angegeben, die in das Lichtmodulationsmittel eingeschrieben bzw. kodiert werden müssen. Die komplexen Werte werden in die Pixel eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) im Fall eines pixelierten SLM oder im Fall eines nicht pixelierten SLM in eine durch die jeweils darzustellende Information formal in diskrete Bereiche unterteilte kontinuierlich verlaufende Kodierfläche kodiert.
Zum Modulieren der auftreffenden kohärenten Lichtwellen sind SLM bekannt, die nur eine Modulation der Phase der Lichtwellen durchführen und solche, die nur eine Modulation der Amplitude bewirken. Weiterhin gibt es auch SLM, die eine gekoppelte Amplituden-/Phasenmodulation durchführen. In diese SLM können bestimmte feste Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten - aber nicht beliebige komplexe Werte - eingeschrieben werden.
Herkömmliche Lösungen zum Darstellen komplexer Zahlen auf einem SLM benutzen z.B. mehrere benachbarte Pixel des SLM für die Darstellung einer komplexen Zahl. Dies ist immer mit Nachteilen verbunden. Beispielsweise führt eine Kodierung der Amplituden in mehrere benachbarte Pixel in der Regel zu einer geringen Beugungseffizienz des Lichtmodulationsmittels. Für eine Kodierung nur der Phasenwerte in mehrere benachbarte Pixel benötigt man in der Regel zusätzlich einen zeitaufwendigen iterativen Rechenprozess, um die zu kodierenden Werte so nahe wie möglich an die reale Szene anzunähern. Andere bekannte Lösungen zum Darstellen komplexer Zahlen, z.B. das Dokument US 5 416 618, nutzen eine Kombination mehrerer Lichtmodulatoren, beispielsweise zweier Phasenmodulatoren oder eines Phasen- und eines Amplitudenmodulators. Der Nachteil besteht hier unter anderem in einer sehr aufwendigen Justierung, um das Pixelraster beider Lichtmodulatoren deckungsgleich zueinander auszurichten.
Im Dokument US 5 719 650 ist ein Lichtmodulator beschrieben, um Amplitude und Phase unabhängig voneinander zu steuern. Er besteht aus zwei polarisationsrotierenden Elementen mit jeweils einer Flüssigkristallschicht, die jeweils zwischen zwei Trägersubstratplatten angeordnet sind. Auch die Grundelektroden und die Gitterelektroden sind für jede Schicht extra vorhanden. Eine Justierung der Elemente zueinander wird bereits in der Herstellungsphase durchgeführt. Es ist gegenwärtig jedoch kein einzelner, nur aus einer Flüssigkristallschicht bestehender SLM verfügbar, in den die komplexwertige Information einer holographischen Szene direkt eingeschrieben und mit Licht moduliert werden kann.
Eine Realisierungsform eines Lichtmodulators basiert bekanntermaßen auf dem Einsatz von Flüssigkristallen (LC). Flüssigkristalle sind doppelbrechende Materialien, bei denen die Orientierung der optischen Achse der Moleküle in eine gewünschte Richtung eingestellt werden kann, z.B. durch ein elektrisches Feld. Bei einem nematischen Flüssigkristall entspricht die optische Achse der Längsachse eines Moleküls. Die Modulation des einfallenden Lichts in einem derartig ausgebildeten Lichtmodulator hängt von der Einstellungsrichtung der optischen Achsen der Moleküle relativ zur Durchtrittsrichtung durch den Lichtmodulator sowie von der Polarisation des Lichts ab.
Es sind LC Lichtmodulatoren bekannt, die wahlweise entweder als Amplituden- oder auch als Phasenmodulatoren zu verwenden sind.
Im Dokument EP 0583114 wird ein optisch adressierbarer SLM (OASLM) beschrieben. Er enthält zusätzlich zur Flüssigkristallschicht und den Elektroden eine photoleitende Schicht. Mittels auf den SLM fallendes Schreiblicht wird die Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht in Abhängigkeit von der Intensität des Schreiblichts verändert. Wird dann über die Elektroden und die photoleitende Schicht ein elektrisches Feld angelegt, so beeinflusst die photoleitende Schicht aufgrund ihrer durch das Schreiblicht eingestellten Leitfähigkeit das an der Flüssigkristallschicht anliegende Feld. Die Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht erfolgt entsprechend dem eingestellten elektrischen Feld und dient dann zur Modulation des hinreichend kohärenten Leselichts. Während bei einem EASLM für jedes Pixel eine individuelle Ansteuerspannung adressiert werden muss, liegt beim OASLM eine feste Ansteuerspannung an und die lokale Ausrichtung der Moleküle erfolgt über das Schreiblicht. Ein herkömmlicher OASLM kann trotzdem nur dazu verwendet werden, entweder die Phase oder die Amplitude des Leselichtes zu modulieren.
In einem einzelnen Lichtmodulator mit einer einzelnen LC Schicht können also Phase und Amplitude nicht unabhängig voneinander moduliert werden, weil mit einem an der LC Schicht erzeugten elektrischen Feld oder einer ähnlich wirksamen Kraft in der Regel nur ein Parameter variiert werden kann, um die Orientierung der Achse der Flüssigkristallmoleküle zu beeinflussen. Das wird nachfolgend anhand der Figuren 1 für eine Phasenmodulation und der Figuren 2 für eine Amplitudenmodulation näher erläutert.
In den Zeichnungen der Figur 1 ist schematisch als Stand der Technik ein pixelierter Phasenmodulator dargestellt, dessen Funktion nachfolgend an einem Ausschnitt des
Modulators von der Größe eines Pixels P erklärt wird. Dabei werden nur die wesentlichen Bestandteile wiedergegeben.
Der Pixel P ist mit einem Rahmen dargestellt und umfasst ein doppelbrechendes
Material, beispielsweise eine Flüssigkristallschicht LC mit Molekülen M, auf die nahezu kohärentes Licht fällt. Da die Lichteinfallsrichtung senkrecht zur
Zeichenebene verläuft, ist sie in den Figuren durch einen Kreis mit Kreuz gekennzeichnet.
Die Moleküle M sind in der Draufsicht nach Fig. 1a in einer Ausgangslage im ausgeschalteten Zustand des Phasenmodulators zu sehen. Das einfallende Licht ist vertikal polarisiert, erkennbar durch den Doppelpfeil, und die optischen Achsen der
Moleküle M sind parallel zum einfallenden Licht ausgerichtet.
In den Figuren 1 b und 1 c ist schematisch der Pixel P im eingeschalteten Zustand des Phasenmodulators bei einer mittleren Spannung zu sehen. Die optischen
Achsen der Moleküle M sind durch die angelegte Spannung V um einen bestimmten Winkel aus der Ebene heraus orientiert worden. Bei einer angelegten maximalen Spannung würde eine Ausrichtung der Achsen senkrecht zur Ebene erfolgen. Die Flüssigkristallschicht LC ist gemäß Fig. 1c von zwei sich gegenüber liegenden Trägersubstraten TS, z.B. Glas, eingeschlossen. Die Moleküle M werden durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen sich gegenüber liegenden Elektroden E1 und E2 in ihren optischen Eigenschaften gesteuert. Die Einfallsrichtung des Lichts ist durch Pfeile gekennzeichnet.
Durch die angelegte Spannung V wird die Polarisationsrichtung des Lichts nicht geändert, aber die Phase des Lichts wird durch die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M beeinflusst.
Ähnlich verhält es sich mit einem Amplitudenmodulator entsprechend dem Stand der Technik, der beispielsweise in einem „In-plane switching" (IPS) Display verwendet wird. Seine Funktion ist wieder ausschnittsweise anhand der Größe eines Pixels P in den Zeichnungen der Figur 2 dargestellt.
Die Fig. 2a und 2b zeigen analog Fig. 1 die Draufsicht auf ein Pixel P, während Fig. 2c die Seitenansicht zeigt.
Die Orientierung der optischen Achsen der Moleküle M sowie auch die Polarisation PO des einfallenden Lichts im ausgeschalteten Zustand des Pixels P in Fig. 2a entsprechen denen in Fig. 1 a. Allerdings sind in Fig. 2a die Elektroden E1 und E2 anders angeordnet. Die angelegte Spannung V wirkt in diesem Fall von links nach rechts, während es in der Darstellung der Seitenansicht kein elektrisches Feld gibt. Diese Zeichnung ist grob schematisch. Da in der Regel die laterale Ausdehung eines Pixels größer als wenige Mikrometer ist, wird üblicherweise die transversale Elektrode noch einmal unterteilt, um nicht zu große Spannungen anlegen zu müssen. Es gibt also mehrere Elektroden je Pixel in Reihe geschaltet. Der besseren Übersicht halber sind aber nur 2 Elektroden eingezeichnet.
In Fig. 2b und 2c ist der Pixel P im eingeschalten Zustand gezeigt. Durch das Anlegen einer mittleren Spannung V erfolgt eine Drehung der optischen Achsen der Moleküle M in Fig. 2b in der Ebene, erkennbar durch die leichte Neigung der Moleküle M. Dagegen findet gemäß Fig. 2c aus der Ebene der Draufsicht heraus keine Drehung der Molekülachsen statt. Das einfallende Licht wird in seiner Polarisation durch das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle M bei Anlegen einer Spannung V bei vorgegebener Dicke der Flüssigkristallschicht LC vom Wert PO1 ausgehend um einen bestimmten Winkel in die Position PO2 gedreht. Die Größe des Drehwinkels entspricht dem Doppelten des Winkels zwischen der Polarisation PO des einfallenden Lichts und der hervorgerufenen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M. Durch einen nicht dargestellten Polarisator nach der Flüssigkristallschicht LC kann nach dem Durchtritt des Lichtes durch diese Schicht dann die Amplitude des Lichts moduliert werden. Beispielsweise erhält man für parallele Polarisatoren ohne angelegte Spannung eine maximale Amplitude und mit angelegter Spannung und einer Drehung der optischen Achse der Moleküle um 45° - folglich einer Polarisationsdrehung um 90° - eine Amplitude von 0.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit einem einzigen Lichtmodulator die einfallenden Lichtwellen stets nur mit einem Anteil eines komplexen Wertes moduliert werden können.
Will man zum gleichzeitigen Modulieren von Amplitude und Phase eine Kombination zweier SLM aus Flüssigkristallen beispielsweise bereits in der Herstellungsphase durch eine feste Verbindung realisieren, müssen bestimmte Kriterien beachtet werden. Da die zwei SLM neben der LC Schicht auch Trägersubstrate benötigen, die eine Glasschicht oder eine flexible Schicht sein können, entsteht zwischen beiden LC Schichten ein relativ großer Abstand.
Für eine korrekte komplexwertige Modulation müssten sich die Pixel beider SLM deckungsgleich gegenüberliegen, damit das Licht zwei entsprechend zugeordnete Pixel durchläuft. Aufgrund des nicht zu vermeidenden Abstands zwischen den LC Schichten ist diese Bedingung aber schon für kleine Winkel der einfallenden Lichtstrahlen, insbesondere bei schrägem Durchgang durch die SLM, nicht mehr erfüllt. Aber auch für den Fall eines senkrechten Lichteinfalls kann z.B. eine ungenaue Justierung der den zwei Pixeln zugeordneten Lichtquelle zu einem Durchgang des Lichts durch jeweils verschiedene Pixel in beiden SLM führen.
Dieser Nachteil trifft besonders auf kleine laterale Pixelabmessungen von wenigen Mikrometern zu, die für holografische Rekonstruktionen aber vorteilhaft sind. Daher ist die korrekte Rekonstruktion einer holografischen Szene mit einer aus zwei SLM bestehenden Kombination schwierig zu realisieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die angeführten Nachteile des Standes der Technik beim Darstellen komplexer Hologrammwerte zu vermeiden und das Modulieren von Lichtwellen in Phase und Amplitude in einer einzelnen Lichtmodulationseinrichtung zu vereinfachen.
Die Erfindung geht von einer Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen aus, die zur Modulation von Phase und Amplitude einer hinreichend kohärenten Lichtwelle ein doppelbrechendes Material in molekularer Form aufweist, wobei eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle steuert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch regelbare Mittel, welche die optischen Achsen der Moleküle in den lichtmodulierenden Elementen unabhängig voneinander in zwei Dimensionen ausrichten, sowie einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator,
Einer bevorzugten Ausführung zufolge besteht das doppelbrechende Material aus einer einzelnen Schicht von Flüssigkristallen.
Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle kann gemäß einem Merkmal der Erfindung durch zwei von außen wirkende regelbare Mittel erfolgen. Diese können stufenweise regelbar auf die optischen Achsen der Moleküle einwirken und so zwei Winkel der Projektion der optischen Achsen des doppelbrechenden Materials in zwei verschiedene zueinander senkrechte Ebenen unabhängig voneinander einstellen.
Durch das voneinander unabhängige Ausrichten der optischen Achsen in zwei Dimensionen lassen sich vorteilhaft verschiedene Kombinationen von Amplituden und Phasen als verschiedene komplexe Werte darstellen. Werte für die Modulation einer Amplitude und einer Phase einer Lichtwelle sind im Gegensatz zum Stand der Technik in einem gemäß der Erfindung gestalteten Lichtmodulator nicht mehr fest aneinander gekoppelt bzw. voneinander abhängig.
In einer ersten Ausbildung der Mittel ist mindestens eines der von außen wirkenden Mittel ein elektrisches Feld. In einer zweiten Ausbildung der Mittel ist mindestens eines der von außen wirkenden Mittel ein magnetisches Feld.
In einer dritten Ausbildung der Mittel wird mindestens eine Achse der Moleküle mit optischen Mitteln ausgerichtet. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass zwei ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugende Mittel ungefähr senkrecht zueinander an jeweils einem lichtmodulierenden Element im Lichtmodulator angeordnet sind.
Für die Ausrichtung mit optischen Mitteln werden zwei Varianten vorgeschlagen.
In der ersten Variante ist die Schicht des Flüssigkristalls oder eines anderen doppelbrechenden Materials mit Farbstoffmolekülen dotiert und die Ausrichtung in einer Ebene erfolgt durch das Variieren der Polarisation von auf die Einrichtung fallendem Schreiblicht Die Ausrichtung in der anderen Ebene wird durch Erzeugen eines elektrischen oder magnetischen Feldes erreicht. In der zweiten Variante erfolgt die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle in einer Ebene durch ein Variieren der Intensität von einfallendem Schreiblicht. Zu diesem Zweck enthält die Einrichtung zusätzlich eine Schicht eines photoleitenden Materials, das auf das Schreiblicht reagiert. Für die Ausrichtung in der anderen Ebene kann wieder ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugt werden.
Es sind auch beliebige andere Kombinationen dieser Ausbildungsbeispiele möglich.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Einrichtung ein räumliches Lichtmodulationsmittel mit lichtmodulierenden Elementen. Ist in diese Elemente ein Hologramm einer Szene eingeschrieben und enthält die Einrichtung zusätzlich eine Beleuchtungseinheit und ein optisches System, dann kann sie zur Wiedergabe der holographischen Szenen verwendet werden. Derart ausgebildete Einrichtungen können als Lichtmodulatoren in einem holographischen Display genutzt werden.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die lichtmodulierenden Elemente Pixel sind und die Mittel zur Ausrichtung den Pixeln paarweise für die Ausrichtung in zwei Ebenen zugeordnet sind, um das einfallende Licht pixelweise mit Phase und Amplitude gleichzeitig zu modulieren. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Lichtmodulation unter Verwendung einer Einrichtung gelöst, die ein doppelbrechendes Material in molekularer Form aufweist mit einer regulären Anordnung von steuerbaren lichtmodulierenden Elementen zur Modulation der Amplitude und Phase hinreichend kohärenter Lichtwellen, wobei die optischen Achsen der Moleküle durch Einwirken von Kräften, gesteuert von einer Modulationssteuerung, ausgerichtet werden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die optischen Achsen der Moleküle unabhängig voneinander in zwei Dimensionen durch von außen auf die lichtmodulierenden Elemente wirkende regelbare Mittel ausgerichtet werden und ein ausgangsseitig angeordneter Polarisator vorgesehen ist.
Die Ausrichtung der Achsen der Moleküle wird in Verfahrensschritten durch zwei von außen wirkende, unabhängig voneinander regelbare Mittel vorgenommen. Vorzugsweise wird die Ausrichtung der Achsen kontinuierlich geregelt.
In einer Ausbildung des Verfahrens wird in die als räumliches Lichtmodulationsmittel ausgebildete Einrichtung ein Hologramm einer Szene eingeschrieben. Beleuchtet eine Beleuchtungseinheit das Hologramm, dann kann zusammen mit einem optischen System eine holographische Rekonstruktion der Szene erzeugt werden und die Komponenten realisieren zusammen ein holographisches Wiedergabemittel.
In weiterer Ausbildung des Verfahrens wirken zwei durch elektrische Mittel erzeugte, senkrecht zueinander stehende und in ihrer Stärke unabhängig zueinander einstellbare elektrische Felder auf die optischen Molekülachsen ein, um so die gleichzeitige Modulation des einfallenden Lichts in Phase und Amplitude zu erreichen.
In Abwandlung des vorhergehenden Verfahrensablaufs können auch zwei senkrecht zueinander wirkende und in ihrer Stärke unabhängig zueinander einstellbare magnetische Felder auf die optischen Molekülachsen einwirken und ihre Ausrichtungen ändern. Es ist ebenfalls möglich, eine Kombination eines elektrischen mit einem senkrecht dazu wirkenden magnetischen Feld zum Ausrichten der optischen Molekülachsen zu verwenden. Aber auch andere Kombinationen der in den Einhchtungsansprüchen genannten Mittel zum Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle sind im Verfahren einsetzbar. Die optischen Molekülachsen in der Ebene des Lichtmodulationsmittels können auch auf optischem Weg, beispielsweise durch Photoausrichtung (englisch: photoalignment) mit Hilfe von polarisiertem Schreiblicht in dem durch Farbstoffmoleküle dotierten doppetbrechenden Material und in einer dazu senkrechten Ebene durch die Wirkung eines elektrischen oder magnetischen Feldes ausgerichtet werden. Enthält die Einrichtung schon ein Beleuchtungsmittel mit mindestens einer linear polarisierten Lichtquelle, dann ersetzt die Polarisation der Lichtquelle die Funktion eines an der Lichteintrittsfläche anzuordnenden Polarisators. In diesem Fall kann die Polarisation des Schreiblichtes varriert werden, ohne daß sich störende Effekte durch den Polarisator ergeben.
Eine andere Möglichkeit zur Verwendung von polarisiertem Schreiblicht ist ein für die Wellenlänge des Leselichts reflektiv ausgebildeter Lichtmodulator, der von der Rückseite beschrieben werden kann.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Mittel zur Lichtmodulation kann eine holographische Wiedergabeeinrichtung zum Erzeugen einer holographischen Rekonstruktion realisiert werden. Die holographische Wiedergabeeinrichtung weist eine Lichtmodulationseinrichtung mit einem Lichtmodulationsmittel mit regulär angeordneten Pixeln und einer Flüssigkristallschicht auf, deren optische Molekülachsen zur Modulation von Phase und Amplitude hinreichend kohärenter Lichtwellen einer Beleuchtungseinheit unabhängig voneinander zweidimensional durch von außen auf die Pixel wirkende regelbare Mittel entsprechend den vorgenannten Beispielen durch eine Modulationssteuerung ausgerichtet sind, um resultierende Phasen- und Amplitudenwerte einer holographisch kodierten 3D-Szene gleichzeitig zu modulieren, wobei die holographische Wiedergabeeinrichtung weiterhin ein optisches System aufweist, um mit den im Lichtmodulationsmittel modulierten Lichtwellen die 3D-Szene in einem Rekonstruktionsraum zu rekonstruieren.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können das Kodieren berechneter komplexer Hologrammwerte einer 3D-Szene und das Modulieren auftreffender kohärenter Lichtwellen mit Phasen- und Amplitudenwerten vereinfacht werden, da nur ein einzelner SLM mit einer einzelnen Flüssigkristallschicht benötigt wird. Im Stand der Technik verwendet man dagegen eine Kombination von mehreren SLM oder einen SLM mit mehreren unabhängigen Flüssigkristallschichten. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass im Vergleich zu Lösungen mit mehreren SLM störende Effekte bei der Ausbreitung des Lichts zwischen den einzelnen LC- und Trägerschichten vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Lichtmodulation werden nachfolgend näher beschrieben. In den Darstellungen zeigen schematisch
Fig. 1 a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer
Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand, zur Phasenmodulation nach dem Stand der Technik,
Fig. 1 b eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer
Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand, zur Phasenmodulation nach dem Stand der Technik,
Fig. 1 c eine Seitenansicht zu Fig. 1 b,
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer
Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand, zur Amplitudenmodulation nach dem Stand der Technik, Fig. 2b eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer
Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand, zur Amplitudenmodulation nach dem Stand der Technik,
Fig. 2c eine Seitenansicht zu Fig. 2b,
Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im ausgeschalteten Zustand entsprechend der
Erfindung,
Fig. 3b eine Seitenansicht 1 zu Fig. 3a,
Fig. 3c eine gegenüber Fig. 3b um 90° gedrehte Seitenansicht 2,
Fig. 3d eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer Flüssigkristallschicht im eingeschalteten Zustand
Fig. 3e eine Seitenansicht 1 zu Fig. 3d,
Fig. 3f eine gegenüber Fig. 3e um 90° gedrehte Seitenansicht 2,
Fig. 4a eine Draufsicht auf einen Pixel eines SLM mit Molekülen einer
Flüssigkristallschicht mit optischer Ausrichtung der Moleküle, Fig. 4b eine Seitenansicht zu Fig. 4a,
Fig. 5a eine Seitenansicht eines Pixels mit optischer Ausrichtung der
Moleküle beim Schreibvorgang,
Fig. 5b den Auslesevorgang bei der optischen Ausrichtung in Seitenansicht 1 ,
Fig. 5c eine um 90° gedrehte Seitenansicht 2 zu Fig, 5b und
Fig. 6 eine grafische Darstellung von Amplituden- und Phasenkombinationen als komplexwertige Modulationen.
Die Einrichtung wird in Ausbildung eines Lichtmodulationsmittels beschrieben. Lichtmodulationsmittel sind mit ihrer pixelierten Kodierfläche entweder transmissiv oder reflektiv ausgebildet und bestehen aus einer regulären Anordnung von Pixeln mit endlicher Ausdehnung, die herstellungsbedingt durch Zwischenräume getrennt sind. Im Falle eines Flüssigkristallmodulators ist die Kodierfläche z.B. durchzogen von einem Gitter von dünnen Elektroden, zwischen denen die Pixel mit einem Pixelabstand zueinander vorhanden sind. Die Elektroden werden durch eine Steuereinheit, insbesondere mittels eines Computers mit darin befindiichen programmtechnischen Mitteln, so geschaltet, dass die Pixel in Amplitude und Phase bezüglich einer Transparenz oder einer Reflexion kodiert werden. Die mit komplexen Werten kodierten transmissiven Pixel lassen die einfallenden Lichtwellen durch, während die Reflexionspixel die Lichtwellen reflektieren. Auf die Darstellung optisch/lichttechnischer sowie anderer elektrisch/elektronischer Mittel wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde:
Zum Darstellen komplexer Werte für die Modulation einfallender Lichtwellen ist ein doppelbrechendes Material geeignet, da es aus Molekülen mit zwei optischen Achsen besteht, die in zwei verschiedenen Ebenen wirken. Um Phase und Amplitude der Lichtwellen unabhängig voneinander beeinflussen zu können, müssen die optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen unabhängig voneinander ausgerichtet werden können. Das passiert auf folgender Grundlage: Wenn man in das doppelbrechende Materia! eine Schnittebene legt und in diese Schnittebene eine Koordinatenachse, dann bildet die geometrische Projektion der optischen Achse in diese Schnittebene einen Winkel mit der Koordinatenachse. Dieser Winkel kann verändert werden, indem die optische Achse der Moleküle in dieser Ebene bewegt wird.
Legt man eine zweite Schnittebene senkrecht zu der ersten und in diese zweite Schnittebene eine Koordinatenachse senkrecht zur ersten Koordinatenachse, so bildet die geometrische Projektion der optischen Achse auch einen Winkel mit dieser Koordinatenachse. Eine Änderung dieser beiden Winkel unabhängig voneinander entspricht einer unabhängigen zweidimensionalen Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle gemäß der Erfindung.
Das Ausrichten der optischen Achsen wird generell mit der Polarisation des einfallenden Lichts kombiniert. Um eine Drehung der optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen in einem Pixel beispielsweise eines Lichtmodulators mit einem doppelbrechenden Material zu erreichen, wird ein Polarisator vor dem Lichtmodulator angeordnet. Falls linear polarisierte Lichtquellen zum Beleuchten verwendet werden, tritt an die Stelle des Polarisators die Polarisation der Lichtquelle selbst.
Wenn man zunächst nur die Orientierung der optischen Achsen der Moleküle in einer Ebene in Draufsicht betrachtet, kann man sich das linear polarisierte, einfallende Licht zerlegt in eine Komponente parallel zur optischen Achse der Moleküle und in eine Komponente senkrecht dazu vorstellen. Zwischen beiden Komponenten entsteht bei Durchtritt des Lichts durch das doppelbrechende Material, z.B. eine Flüssigkristallschicht (LC Schicht), ein Gangunterschied aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex der LC Schicht parallel und senkrecht zu ihrer optischen Achse.
Dieser Gangunterschied hängt zum einen von der Dicke der durchlaufenen Schicht ab. Zum anderen kann er auch beeinflusst werden durch eine Drehung der LC Moleküle aus dieser Ebene heraus. Diejenige Komponente des Lichts, die zunächst senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet war, bleibt senkrecht, die andere Komponente, die zunächst parallel zur optischen Achse war, ändert durch die Drehung der Moleküle ihren Winkel zur optischen Achse der Moleküle. Damit ergibt sich für das Licht ein anderer effektiver Brechungsindex. Hierdurch wird bei gleicher Dicke der LC Schicht der Gangunterschied zwischen beiden Komponenten geringer.
Als Resultat kann im allgemeinen Fall nach Durchlaufen der LC Schicht elliptisch polarisiertes Licht entstehen. Ein Polarisator nach der LC Schicht lässt jedoch nur einen Anteil davon durch, der dann linear polarisiert ist. Dieser hat eine definierte Amplitude A und eine definierte Phasenverzögerung δ. Einem optischen Gangunterschied von einer Wellenlänge λ entspricht allgemein eine Phasenverzögerung δ von 2ττ. Sie ist abhängig von der Doppelbrechung Δn und der Schichtdicke d der LC-Schicht gemäß der Gleichung
δ = 2π / λ Δn d,
wobei Δn wiederum von dem Drehwinkel ψ der optischen Achsen der Moleküle senkrecht zur Ebene gemäß der Gleichung
Δ" = "- ~ ■ abhängt.
\ ti 2 ± cos" ψ + n~= - sin" ψ
Dabei ist n= der Brechungsindex parallel und ru der Brechungsindex senkrecht zur optischen Achse der Moleküle. Diese Parameter charakterisieren das jeweilige verwendete doppelbrechende Material und sind daher spezifisch für das Material.
Mit δ ist die Phasenverzögerung des Lichts bezeichnet, die sich je nach der Dicke der LC Schicht und dem Winkel Ψ der optischen Achsen der Moleküle aus der Ebene heraus ergibt, und mit θ ist der Drehwinkel der Moleküle relativ zur Polarisationsrichtung des Lichts vor Eintritt in die LC Schicht bezeichnet. Dann ergibt sich für den Fall, dass beide Polarisatoren parallel stehen, nach Durchtritt durch die LC Schicht und den zweiten Polarisator eine Amplitude aus A = Vl + 0.5 sin2 # - (COS (J - I) und eine Phase aus cos2 θ - Uw S φ = a tan cos2 θ • cos δ + sin : θ Stellt man die Dicke der LC Schicht so ein, dass sich bei Drehung der optischen Achsen aus der Ebene mindestens eine Phasenverzögerung von 2ττ ergibt, so wie bei einem normalen Phasenmodulator, bei dem die Amplitude nicht veränderbar ist, dann kann man durch zusätzliche Drehung der LC Moleküle in der Ebene, also durch Variation des Winkels θ, verschiedene Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten A und φ einstellen.
In diesen beiden Gleichungen würde der Spezialfall θ=0 und eine Variation von δ einer reinen Phasenmodulation bei konstanter Amplitude entsprechen. Der Spezialfail δ=π und eine Variation von θ würde einer reinen Amplitudenmodulation entsprechen. Die Variation beider Parameter θ und δ erlaubt dann eine komplexwertige Modulation des Lichts.
Im Allgemeinen sind auch andere Anordnungen von Polarisatoren möglich. Davon abgeleitet ergeben sich dann andere Gleichungen für die Amplitude und die Phase.
Für das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle auf dieser Grundlage zum Modulieren des Lichts sind verschiedene, von außen wirkende Mittel in einer Einrichtung zur Lichtmodulation einsetzbar, die anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden.
In den Figuren 3 bis 5 sind schematisch von der erfindungsgemäßen Einrichtung nur die wesentlichsten Komponenten dargestellt. Vorzugsweise erfolgt in einem transmissiven Lichtmodulationsmittel mit einer Flüssigkristallschicht LC eine pixelweise Modulationssteuerung, wobei für ein Pixel P mindestens zwei Elektroden E1 und E2 zur funktionsbedingten Steuerung der Moleküle M wirksam sind. Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M der Flüssigkristallschicht LC wird ebenfalls pixelweise vorgenommen. Wenn das nicht zutrifft, wird extra darauf hingewiesen.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder für das pixelweise Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle eingesetzt. Entsprechend Fig. 3a ist ein transmissiver Lichtmodulator ausschnittsweise in Form eines Pixels P im ausgeschalteten Zustand dargestellt. Die Draufsicht zeigt Moleküle M der Flüssigkristallschicht LC in einer Ebene zwischen zwei senkrecht zueinander wirkenden Elektroden E1 und E2 zur funktionsbedingten Steuerung der Moleküle M. Weiterhin ist eine vertikale Polarisation PO des einfallenden Lichts im Pixel P durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle M1 die vertikale Polarisation PO und die Einfallsrichtung von kohärentem Licht stimmen mit den im Stand der Technik beschriebenen Typen von Lichtmodulatoren überein. Zum Vergleich der Ausrichtung der Moleküle M in zwei verschiedenen Ebenen sind mit Fig. 3b und 3c die Seitenansichten 1 und 2 für die Moleküle M im Pixel P im ausgeschalteten Zustand dargestellt. Die Pfeile geben die Lichteinfallsrichtung an. Im Gegensatz zu den Darstellungen der Figuren 1 und 2 vom Stand der Technik, die nur eine Seitenansicht enthalten, ist jetzt zur Verdeutlichung zusätzlich noch die um 90° gedrehte Seitenansicht 2 dargestellt.
Die Zeichnungen der Figuren 3d bis 3f zeigen den eingeschalteten Zustand eines Pixels P gemäß der ersten Ausgestaltung. Durch die zwei sich gegenüber liegenden, unabhängig voneinander durch eine Modulationssteuerung ansteuerbaren Elektroden E1 und E2 werden zwei elektrische Felder zum Ausrichten der Moleküle erzeugt. Mit der angelegten Spannung erhalten die optischen Achsen der Moleküle M im Pixel P durch eine Drehung um den Winkel θ (siehe Fig. 3d) eine Ausrichtung innerhalb der einen Ebene und innerhalb der anderen Ebene eine Drehung um den Winkel ψ. Diese Drehwinkel θ und ψ beeinflussen sowohl die Amplitude als auch die Phase von einfallenden Lichtwellen, wie man aus den oben angegebenen Gleichungen erkennen kann. In der Seitenansicht 1 von Fig. 3e ist der durch die angelegte Spannung erzeugte Drehwinkel ψ der optischen Achsen der Moleküle angegeben, der in der anderen Ebene wirkt. Fig. 3f zeigt in der zu Fig. 3e um 90° gedrehten Seitenansicht 2 den Pixel P mit 4 Spannungswerten VO, Va, Vb und Va + Vb als Seitenansicht 2. Die linke untere Elektrode hat den Spannungswert VO und die linke obere Elektrode den Spannungswert Vb. Zwischen der linken und rechten Seite kann die Spannung Va-VO anliegen, zwischen unten und oben die Spannung Vb-VO. Die Elektrode rechts oben hat dann den Spannungswert Va+Vb. Damit können durch die Änderung der Spannungswerte Va und Vb unabhängig voneinander die optischen Achsen der Moleküle des Pixels P in beiden Dimensionen - in Draufsicht und Seitenansicht - ausgerichtet werden. Durch die Ausrichtung der optischen Achsen werden die Amplitude und Phase des durchtretenden Lichts moduliert. Da die Spannungswerte unabhängig voneinander einzustellen sind, können verschiedene Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten realisiert werden. Ähnlich wie in Fig. 2 ist die Zeichnung grob schematisch. Die Elektrode in Fig. 3a und 3d kann auch durch mehrere in Reihe geschaltete Einzelelektroden über ein Pixel ersetzt sein, um der unterschiedlichen lateralen Ausdehnung und Dickenausdehnung eines Pixels Rechnung zu tragen.
Anstelle von zwei durch unterschiedliche Spannungen erzeugte elektrische Felder können in einer zweiten, nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Mittel auf ein Pixel senkrecht zueinander wirkende magnetische Felder erzeugt werden. Die Mittel dazu können analog der Anordnung zum Erzeugen der elektrischen Felder angeordnet sein, um die optischen Achsen der Moleküle unabhängig voneinander in zwei Ebenen auszurichten. Weiterhin ist es auch möglich, ein elektrisches und ein senkrecht dazu wirkendes magnetisches Feld an einem Pixel bzw. in einem Lichtmodulator zu kombinieren.
Es können in weiterer Ausgestaltung optische Mittel und/oder Verfahren zum Ausrichten der optischen Achsen von Molekülen verwendet werden.
In einer ersten Ausbildung der optischen Mittel wird das Photoalignment verwendet, bei dem in einem Lichtmodulator mit doppelbrechendem Material die Moleküle in der Displayebene optisch ausgerichtet werden. Das bedeutet, dass z.B. eine Flüssigkristallschicht mit Farbstoffmolekülen dotiert ist und die optischen Achsen der Moleküle sich nach der Polarisation von einfallendem Schreiblicht ausrichten. Derartige Lichtmodulatoren sind als sogenannte Farbstoff-dotierte optisch adressierbare räumliche Lichtmodulatoren (englisch: dye-doped OASLM) bekannt. Das von einer Lichtquelle auf den Lichtmodulator fallende Schreiblicht kann inkohärentes Licht sein. In der Ebene senkrecht zur Displayebene werden die optischen Achsen der Moleküle mit einem elektrischen Feld durch herkömmliche Elektroden ausgerichtet. Derartige Lichtmodulatoren sind als EASLM bekannt. In Fig. 4a ist ein Beispiel einer Kombination eines OASLM und eines EASLM als Ausschnitt an einem Pixel P in Draufsicht dargestellt. In der Flüssigkristallschicht LC sind die Moleküle M mit einer leichten Drehung aus der einen Ebene heraus zu sehen. Sie sind senkrecht zur Polarisationsrichtung des Schreiblichtes POS ausgerichtet. Mit Schreiblicht wird hier einfallendes Licht zum Beeinflussen der Ausrichtung der Moleküle M in der Flüssigkristallschicht LC bezeichnet.
Leselicht ist dagegen das vom Lichtmodulator modulierte Licht. Es hat in diesem Beispiel eine vertikale Polarisation POL, gekennzeichnet durch den Doppelpfeil außerhalb des Pixels P1 und kann auch in seinen weiteren Eigenschaften und in der Wellenlänge vom Leselicht verschieden sein. Ein Polarisator in der Einfallsebene des Lichtmodulators ist nicht nötig.
In Figur 4b ist in der Seitenansicht die Ausrichtung der Moleküle M in der anderen Ebene senkrecht zu Fig. 4a gezeigt, die hier mittels eines elektrischen Feldes erzeugt wird. Die Moleküle sind im Vergleich zur Ebene in Fig. 4a durch die Modulationssteuerung stärker aus der Ebene heraus gedreht entsprechend dem hier darzustellenden komplexen Wert. Die Elektrodenstruktur und die elektrische Adressierung des Lichtmodulators sowie die Anordnung der Trägersubstrate TS, veranschaulicht am Pixel P, stimmen mit einem herkömmlichen Flüssigkristall Modulator überein. Die Einfallsrichtung des Leselichts ist durch den punktiert dargestellten Pfeil gekennzeichnet. Insgesamt wird durch die Kombination der optischen mit der elektrischen Adressierung eine voneinander unabhängige Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle in zwei Dimensionen realisiert.
In anderen Typen von OASLM wird durch die optische Ansteuerung und das Schreiblicht ein elektrisches Feld aufgebaut. Das andere, senkrecht dazu angeordnete elektrische Feld kann beispielsweise mittels eines TFT und einer elektrischen Ansteuerung die voneinander unabhängige Ausrichtung der Moleküle im OASLM erzeugen. Das wird nachfolgend genauer beschrieben: In einer zweiten Ausbildung der optischen Mittel enthält ein Lichtmodulator zusätzlich zur Flüssigkristallschicht eine photoleitende Schicht. In der Fig. 5a ist als Ausschnitt eines Lichtmodulators wieder ein Pixel P in Seitenansicht mit Molekülen M in der Flüssigkristallschicht LC, den Elektroden E1 und E2, den Trägersubstraten TS sowie der photoleitenden Schicht PS dargestellt. Die Moleküle sind in der Ausgangslage zu sehen. Diese Figur zeigt den Schreibvorgang im Pixel P an und die unterbrochenen Pfeile kennzeichnen, in welche Richtung das Schreiblicht auf die photoleitende Schicht PS fällt. Abhängig von der einstellbaren Intensität des Schreiblichtes wird die Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht PS verändert.
Für den Auslesevorgang mit Leselicht wird eine feste äußere Spannung Vfest angelegt. Abhängig von der durch das Schreiblicht eingestellten Leitfähigkeit der photoleitenden Schicht PS stellt sich eine effektive Spannung Veff über die LC Schicht ein. Entsprechend dieser effektiven Spannung erfolgt das Ausrichten der optischen Achsen der Moleküle M in dieser Ebene. Das ist dargestellt in der Seitenansicht 1 in Fig. 5b.
Dies funktioniert wie bei einem normalen OASLM. Die Polarisation PO des Leselichts ist wieder durch den Doppelpfeil gekennzeichnet. In der Ebene senkrecht dazu erfolgt eine elektrische Ansteuerung wie bei einem IPS-SLM. Für jeden Pixel P des Lichtmodulators wird ein „In-plane" Spannungswert in dieser Ebene adressiert. Dafür wird ein elektrisches Feld im Pixel P erzeugt. Fig. 5c zeigt in der um 90° zu Fig. 5b gedrehten Seitenansicht 2 die elektrische Adressierung aus einer anderen Sicht. Durch die unteren Elektroden mit den Spannungswerten VO und Va und die oberen Elektroden mit den Spannungswerten Vfest und Va + Vfest liegt am Pixel P von unten nach oben eine feste äußere Spannungsdifferenz an, wobei die effektive Spannung über die LC Schicht durch Schreiblicht individuell optisch eingestellt wird. Von links nach rechts wird jedoch an jedem Pixel P eines Lichtmodulators eine individuelle Spannung elektrisch adressiert. Durch diese Kombination erhalten die Achsen der Moleküle M die unabhängige Ausrichtung in beiden Ebenen.
Die Kombination einer elektrischen und einer optischen Ansteuerung der Pixel eines Lichtmodulators zur unabhängigen Ausrichtung der Moleküle hat gegenüber der nur elektrischen Ansteuerung, bei der für jedes Pixel zwei unabhängige Spannungswerte in horizontaler und in vertikaler Richtung adressiert werden müssen, den Vorteil einer weniger aufwendigen Display-Elektronik.
Die Fig. 6 zeigt in einer grafischen Darstellung Kombinationen von Amplituden- und Phasenwerten als komplexwertige Modulationen auf einen Lichtmodulator fallender Lichtwellen. Die horizontale Achse enthält relative Amplituden zwischen 0 und 1 , die vertikale Achse enthält Phasen zwischen 0 und 2τr. Die aufgetragenen Punkte stellen Beispiele für verschiedene komplexe Zahlen mit der jeweiligen Amplitude und Phase dar, die man über unterschiedliche Kombinationen der Parameter θ und δ einstellen kann.
Die Erfindung ist sowohl bei pixelierten als auch bei nicht pixelierten Lichtmodulatoren einsetzbar. Wenn mindestens eines der Mittel ein elektrisches Feld zum Ausrichten der Achsen der Moleküle erzeugt, muss der Lichtmodulator pixeliert sein, also auch bei einer Kombination von elektrischer und optischer Ausrichtung.
Wenn die Ausrichtung der Moleküle mit optischen Mitteln in beiden Achsen erfolgt, kann auch ein nicht pixelierter Lichtmodulator verwendet werden, auf den eine Pixelstruktur von außen durch die jeweils darzustellende Information formal aufgeprägt wird. Beispielsweise kann eine Anordnung mit zwei Schreiblichtstrahlen verwendet werden, von denen einer durch Variieren der Intensität des Schreiblichts die Ausrichtung der Moleküle in der einen Ebene und der andere Schreiblichtstrahl durch die Polarisation die Ausrichtung in der anderen Ebene vornimmt.
In einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit einem Lichtmodulator, der eine Flüssigkristallschicht enthält und nach einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele gestaltet ist, wird ein Hologramm einer dreidimensionalen Szene kodiert. Eine Beleuchtungseinheit mit einer nahezu kohärent strahlenden Lichtquelle beleuchtet den Lichtmodulator. Eine Modulationssteuerung veranlasst, dass das einfallende Licht in zwei verschiedenen Ebenen mit Amplitude und Phase unabhängig voneinander durch eine entsprechende Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht moduliert wird. Zusammen mit einem optischen System wird mit den modulierten Lichtwellen die Szene in einem Rekonstruktionsraum rekonstruiert.
Mit einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Einrichtung zur Lichtmodulation wird es möglich, die Modulation komplexe Werte von Amplitude und Phase in verschiedensten Kombinationen in nur einem einzelnen Lichtmodulator durchzuführen. Ihr Einsatz in einem holographischen Display zur Wiedergabe holographischer Szenen reduziert vorteilhaft den Aufwand an Material - es wird nur ein Lichtmodulator benötigt - und Rechenaufwand.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung mit regulär angeordneten steuerbaren lichtmodulierenden Elementen, die zur Modulation von Phase und Amplitude hinreichend kohärenter Lichtwellen ein doppelbrechendes Material in molekularer Form aufweist und bei der eine Modulationssteuerung eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle des doppelbrechenden Materials steuert, gekennzeichnet durch regelbare Mittel, welche die optischen Achsen der Moleküle (M) in den lichtmodulierenden Elementen unabhängig voneinander in zwei Dimensionen ausrichten, und einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher das doppelbrechende Material aus einer Schicht von Flüssigkristallen (LC) besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher die zweidimensionale Ausrichtung durch zwei von außen wirkende regelbare Mittel erfolgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher mindestens ein von außen wirkendes Mittel ein elektrisches Feld ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher mindestens ein von außen wirkendes Mittel ein magnetisches Feld ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) in mindestens einer Ebene mit optischen Mitteln erfolgt.
7. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher zwei gleichartige Mittel vorgesehen sind, die senkrecht zueinander an jeweils einem lichtmodulierenden Element angeordnet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das doppelbrechende Material mit Farbstoffmolekülen dotiert ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Ausrichtung in einer Ebene durch eine Variation der Polarisation (PO) von einfallendem Schreiblicht durch einen eingangsseitigen Polarisator oder eine linear polarisierte Lichtquelle und in der anderen Ebene durch ein elektrisches Feld erfolgt.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, die zusätzlich eine Schicht eines photoleitenden Materials aufweist und bei welcher die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) der doppelbrechenden Schicht durch ein Variieren der Intensität von auf die phototeitende Schicht einfallendem Schreiblicht erfolgt.
11. Einrichtung nach Anspruch 2, die ein räumliches Lichtmodulationsmittel mit lichtmodulierenden Elementen ist, in die ein Hologramm einer Szene eingeschrieben ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , die zusätzlich eine Beteuchtungseinheit und ein optisches System zur Wiedergabe der holographischen Szene umfasst.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 , bei welcher die lichtmodulierenden Elemente Pixel (P) sind und die Mittel zur Ausrichtung eine pixelweise Zuordnung haben.
14. Verfahren zur Lichtmodulation, bei dem eine Einrichtung mit einem doppelbrechenden Material in molekularer Form eine reguläre Anordnung von steuerbaren lichtmodulierenden Elementen zur Modulation der Amplitude und Phase hinreichend kohärenter Lichtwellen aufweist, wobei die optischen Achsen der Moleküle durch Krafteinwirkung, gesteuert von einer Modulationssteuerung, ausgerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der Moleküle (M) unabhängig voneinander zweidimensional durch auf die lichtmodulierenden Elemente wirkende regelbare Mittel und einen ausgangsseitig angeordneten Polarisator ausgerichtet werden.
15. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 14, bei welchem die optischen Achsen der Moleküle (M) durch von außen wirkende, unabhängig voneinander regelbare Mittel ausgerichtet werden.
16. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 14, bei dem die Ausrichtung der optischen Achsen der Moleküle (M) kontinuierlich geregelt wird.
17. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei dem zwei elektrische Felder, die senkrecht zueinander jeweils an einem lichtmodulierenden Element auf die Molekülachsen einwirken, in ihrer Stärke unabhängig voneinander eingestellt werden.
18. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei dem zwei magnetische Felder, die senkrecht zueinander jeweils an einem lichtmodulierenden Element auf die Molekülachsen einwirken, in ihrer Stärke unabhängig voneinander eingestellt werden.
19. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei welchem die Moleküle (M) in mindestens einer Ebene mit optischen Mitteln ausgerichtet werden.
20. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei dem die Moleküle (M) durch eine beliebige Kombination von magnetischen, elektrischen und optischen Mitteln unabhängig voneinander zweidimensional ausgerichtet werden.
21. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 15, bei welchem die Einrichtung ein räumliches Lichtmodulationsmittel eines holographischen Wiedergabemittels ist und in die lichtmodulierenden Elemente des Lichtmodulationsmittels ein Hologramm einer Szene eingeschrieben wird.
22. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 21 , bei dem eine Beleuchtungseinheit das Hologramm beleuchtet und zusammen mit einem optischen System eine holographische Rekonstruktion der Szene erzeugt.
23. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 19, bei dem die Molekülachsen in der Ebene des Lichtmodulationsmittels durch Photoalignment in dem durch Farbstoffmoleküle dotierten doppelbrechenden Material und in einer dazu senkrechten Ebene durch die Wirkung eines elektrischen Feldes ausgerichtet werden.
24. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 19, bei dem ein an der Lichteintritts- oder der Lichtaustrittsfläche des Lichtmodulationsmittels angeordneter Polarisator die Lichtwellen polarisiert.
25. Verfahren zur Lichtmodulation nach Anspruch 22 und 24, bei dem die Beleuchtungseinheit mindestens eine linear polarisierte Lichtquelle enthält, deren Polarisation die Funktion des an der Lichteintrittsfläche angeordneten Polarisators ersetzt.
26. Lichtmodulationseinrichtung für eine holographische Wiedergabeeinrichtung, die ein Lichtmodulationsmittel mit regulär angeordneten Pixeln und einer Flüssigkristallschicht aufweist, deren Moleküle mit ihren optischen Achsen zur Modulation von Phase und Amplitude hinreichend kohärenter Lichtwellen einer Beleuchtungseinheit durch eine Modulationssteuerung unabhängig voneinander zweidimensional durch von außen auf die Pixel wirkende regelbare Mittel entsprechend den vorgenannten Ansprüchen ausgerichtet sind, um resultierende Phasen- und Amplitudenwerte einer holographisch kodierten 3D-Szene gleichzeitig zu modulieren, wobei die holographische Wiedergabeeinrichtung weiterhin ein optisches System aufweist, um mit den im Lichtmodulationsmittel modulierten Lichtwellen die 3D-Szene in einem Rekonstruktionsraum zu rekonstruieren.
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