WO2011039286A1 - Lichtmodulator für ein display zur darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler bildinhalte - Google Patents

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WO2011039286A1
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light modulator
layer
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PCT/EP2010/064504
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Bo Kroll
Norbert Leister
Stephan Reichelt
Gerald FÜTTERER
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Seereal Technologies S.A.
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Definitions

  • Light modulator for a display for displaying two- and / or three-dimensional image contents
  • the invention relates to a light modulator for a display for displaying two and / or
  • the present invention relates to a display and
  • LC displays Liquid Crystal Displays
  • a surface interaction dictates a preferential orientation of the LC molecules in the absence of a field.
  • a force acts on the molecules, which is usually opposite to the surface orientation or acts in a given direction.
  • a resulting alignment of the LC molecules occurs.
  • the LC orientation changes with the field strength, in particular continuously.
  • this variable orientation is used to display gray levels in response to the drive voltage of an LC pixel.
  • LC displays use a polyimide layer, which is given a preferred direction by mechanical rubbing. LC molecules then orient themselves at the interface to the polyimide layer preferably with their long axis along the rubbing direction. The strength of
  • Surface interaction may be caused by parameters in the manufacturing process of the display, such as by adjusting a different level of mechanical pressure during the process
  • Frictional process be varied. Depending on the type of LC display you may need a planar orientation in which the
  • Preferential direction of the LC molecules is set parallel to the surface of the glass substrate, a homeotropic orientation in which the preferred direction of the LC molecules is set perpendicular to the surface of the glass substrate, or a tilted orientation, in which the preferred direction of the LC molecules below is set at a defined angle to the surface of the glass substrate.
  • a planar orientation is commonly used with an IPS (in plane switching) display uses a substantially homeotropic orientation, for example in a VA (vertical aligment) display.
  • LC materials for example nematic LC with a positive dielectric anisotropy - preferentially align with their long axis parallel to an electric field.
  • Other LC materials for example, nematic LC with a negative dielectric anisotropy - align with their long axis preferably perpendicular to the electric field.
  • LC mode A particular combination of surface orientation on a substrate or on both substrates with a type of LC material and an array of electrodes is referred to as LC mode in the following: for example, the combination of planar orientation on both substrates, nematic LC with positive dielectric anisotropy, and electrodes arranged to generate an in-plane field as the IPS mode.
  • Preferential orientation specified It could also be provided a spatially structured preferred direction, with the example, a pixel-wise different orientation of the LC molecules can be achieved.
  • Switchable preferred orientations are also known: In the book by Blinov / Chgrinov, "Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials", page 125, [2], under the heading “Multistable Orientation” is described that for a nematic liquid crystal in contact with a crystalline Substrate having an n-fold rotational symmetry of the crystal, where n is an integer, the LC molecules in principle n n different orientations along one of these predetermined by the crystal
  • the publication [3] also describes a tristable LC device based on a finely patterned surface structuring.
  • a very fine spatial pattern of different preferred orientations is inscribed in a polyimide surface.
  • the microscopic pattern macroscopically produces three equally stable LC orientations. Between these can be switched by an electric in-plane field back and forth.
  • the LC orientation can be switched in an optically addressable SLM (Spatial Light Modulator) via the surface interaction.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • With such a photoalignment for example, it is also possible to switch from a planar to a homeotropic orientation of the LC molecules.
  • a disadvantage of the optical switching is mentioned that this is relatively slow, so that it is only partially suitable for a light modulator, which should work with high frame rates.
  • liquid crystalline phases There are different liquid crystalline phases. In the case of nematic liquid crystals, a uniform orientation of the molecular axes is energetically favored. The position of the individual molecules is statistically distributed. With smectic liquid crystals, the molecules additionally arrange themselves in layers. A special type of smectic liquid crystal - SmC * (chiral smectic C phase) - has ferroelectric properties. Due to the hysteresis associated with ferroelectricity, a bistable display can likewise be realized hereby. It takes a certain voltage threshold to turn the LC molecules into a state. In this they remain until one
  • the publication WO 00/03288 A1 describes an electro-optical device whose surface layer itself has liquid-crystalline or more precisely chiral smectic properties.
  • the device additionally contains a bulk LC layer which, for example, can also be a nematic LC.
  • the liquid crystals in the surface layer can be switched in their orientation ("primary surface switching"). This surface layer then induces a
  • One additional solid separate (conventional) surface layer may be provided which absolutely specifies the orientation directions in order to align the smectic LC molecules of the dynamic surface layer in their bistable switching states again relative to this separate layer.
  • an adjustable surface layer is also referred to as an orientation agent.
  • the publication specifically mentions the use of the high switching speed of the smectic LC in the surface layer. Due to the induced orientation of the bulk layer, for example, a nematic LC in the bulk layer should also achieve a faster reaction time than would be the case with direct activation of the bulk layer.
  • the document also includes an embodiment in which, in a two-stage effect, an induced alignment of the bulk layer over the surface layer and also a direct alignment of the bulk layer over a field are combined.
  • the electric field threshold for the direct alignment of the bulk layer is greater than the field needed for switching the surface layer.
  • the bulk layer is instead doped with molecules which are distributed in the bulk layer but firmly connected to the surface.
  • the spatial separation of surface layers and bulk layers is thus eliminated.
  • an orientation in the bulk layer is furthermore induced by means of the set orientation in the surface layer.
  • the surface layer may contain, for example, side-chain polymers whose side chain is rotatable relative to the main chain, that is to say orientable, while the main chain establishes the firm connection with the surface. phase modulation
  • phase modulating SLMs This is usually a light modulator having regularly arranged pixels in the x and y directions. The pixels are designed such that the phase of the light interacting with the light modulator is variable. The change or modulation of the light interacting with one pixel takes place in particular relative to the change in the light interacting with another pixel. This usually requires a phase modulation between 0 and 2 ⁇ for a given wavelength - for example in the visible range. For holographic displays in particular fast phase modulators are needed.
  • ECB electrically controlled birefringence
  • VA vertical alignment
  • reaction time of a nematic LC is approximately proportional to the square of the layer thickness. Therefore, a phase modulator of these LC display types would be disadvantageously slower than a comparable amplitude display.
  • ECB and VA in the above configuration require linearly polarized light for phase modulation.
  • a reflective arrangement can be configured: circularly polarized light passes through a rotatably arranged K / 2 plate, then passes a fixed ⁇ / 4 plate, strikes a reflective layer and happens on the way back once the fixed ⁇ / 4 plate and the rotatably arranged K / 2 plate.
  • the rotatably arranged K / 2 plate can be realized by a suitable layer of liquid crystals.
  • the fixed ⁇ / 4 plate may for example be pronounced as a polymer film.
  • a reflective arrangement is the use of a rotatably arranged ⁇ / 4 plate and a reflective layer, wherein the K / 4 plate on the outward and return path, so twice, is traversed and so to the light acts analogous to a transmissive rotatably arranged K / 2 plate.
  • the rotatably arranged ⁇ / 4 plate can be realized by a suitable layer of liquid crystals.
  • the phase modulation when the K / 4 plate is rotated by the angle ⁇ , again twice the angle of rotation, ie 2 ⁇ . Again, an angular range ⁇ of 180 degrees is needed to obtain a phase modulation of up to 360 degrees (2 ⁇ ).
  • the half-thickness of the rotating ⁇ / 4 plate which is halved compared to a transmissive modulator, can have a positive effect on the switching time.
  • the optical axis usually corresponds to the longitudinal axis of the LC molecules.
  • a corresponding rotation of the optical axis can therefore take place by suitable rotation of the LC molecules in the plane.
  • PSS amplitude displays are very fast. Frequencies of 1 kHz and more are achieved in the control.
  • IPS uses nematic LC and an in-plane electric field.
  • PSS uses smectic molecules and an out-of-plane electric field. For amplitude modulation, these LC modes conventionally operate with linearly polarized light. A change in the polarization state, however, would be possible without much effort.
  • a ⁇ / 4 plate can be used to convert linearly polarized light into circularly polarized light.
  • a difference between nematic and smectic molecules is that nematic molecules align equally with positive and negative voltages, regardless of the sign of a voltage, while in certain smectic LCs they are aligned with the sign of the voltage.
  • a transmissive PSS amplitude modulator also uses one
  • Rotation angle range from - 45 degrees to + 45 degrees. With this angular range and a reflective phase modulator with a rotatably mounted K / 2 plate and a fixed K / 4 plate would be available.
  • the angular range for the rotation angle ⁇ which can be used for PSS is limited by the tilt angle of the LC molecules in the smectic phases used for PSS (in particular smectic C). This tilt angle is a material-dependent variable that depends on the structure of the liquid crystal substance used in each case and also changes with temperature. Since nematic materials are frequently used in conventional LC displays, nematic LC materials are usually also offered by the large LC manufacturers. The range of commercially available smectic LC is significantly lower.
  • the available LC materials may not reach the angle range of -45 degrees to +45 degrees or may be reached only in a small temperature interval.
  • Another limitation may be that, although in principle an angle of 45 degrees would be achievable, but to set this angle too high voltages are needed, which are outside of what is achieved with a conventional LC backplane.
  • phase SLM in a holographic display would have a negative impact on the quality of a holographic reconstruction. In this case, it therefore represents a serious disadvantage.
  • Amplitude modulation requires a rotation angle between 0 and 45 degrees for IPS. This causes the linearly polarized light to rotate through angles between 0 and 90 degrees, sufficient for either full transmission or full extinction with a fixed polarizer at the output.
  • angles of -45 to + 45 degrees are used, with positive and negative angles providing equal amplitudes.
  • phase modulation in a transmissive phase modulator or a reflective phase modulator with a configuration of the LC as a rotatably arranged ⁇ / 4 plate corresponds to this
  • Angular range phases from 0 to ⁇ / 2 at IPS and 0 to ⁇ at PSS.
  • the angle at which the LC molecules are aligned would have to be increased, ie quadrupled at IPS or doubled at PSS. But this is not possible without further ado.
  • the maximum achievable rotation angle of a conventional IPS display is 90 degrees. + - 90 degrees would be a theoretical limit for PSS, but never achieved in practice.
  • One of the problems is thus to provide a fast phase SLM with a modulation up to 2 ⁇ , in which the accessible angular range of the LC orientations is increased.
  • Low molecular weight liquid crystals are chemically linked to a polysiloxane backbone so as to form mobile side chains of a polymer.
  • the main chain of the arrangement gives mechanical stability, while on the other hand, the side chains similar to low molecular weight liquid crystals can align in an electric field.
  • An LC cell is created by applying a polyimide layer to glass substrates and treating by mechanical rubbing.
  • the FLCP is applied by spin coating as an additional layer on at least one substrate over the polyimide and also mechanically rubbed.
  • an LC material is introduced between the two substrates.
  • the orientation of this LC material occurs at the surface to the FLCP layer substantially parallel to the side chains of the FLCP.
  • An electric field allows the side chains of the FLCP to be aligned differently. This changes the surface alignment for the LC material.
  • an alignment or orientation of the FLCP in an angular range of about + 15 to - 15 degrees were detected. These angles change analogously, that is, continuously as a function of the voltage. When the voltage is switched off, the LC orientation is parallel to the rubbing direction. In this case, there is no binary switching.
  • the surface layer acts like a V-Shaped FLC instead.
  • phase deflectors For diffractive elements, such as phase deflectors, used in holographic displays for tracking, there is the problem of achieving high diffraction efficiency.
  • phase deflectors are described, for example, in DE 10 2009 028 626.8 or PCT / EP2010 / 058625, where they are referred to as diffraction devices.
  • the disclosure of DE 10 2009 028 626.8 or PCT / EP2010 / 058625 is fully included here.
  • low diffraction efficiency is also associated with potential crosstalk of light into another eye of the viewer of the display because the unintentionally diffracted light can strike the eye of another observer. While this for a
  • a light deflection in a diffraction grating takes place, for example, in a linearly rising or linearly sloping phase profile, depending on the direction of deflection. If the phase can only be modulated modulo 2 ⁇ , there are jumps in the phase profile back from 2 ⁇ to 0 (flyback region).
  • the phase profile thus has a kind of sawtooth shape and in this special case the sawtooth form comprises a period of a substantially linearly rising flank and a nearly vertically oriented falling flank.
  • LC molecules in a LCPG rotate continuously over angles of between 0 and 360 degrees for every two grating periods, and so on. This corresponds to a phase of 0 to 4 ⁇ over the two grating periods. Since there is no jump in the required LC orientation, the phase progression at the positions 2 ⁇ to 0 is not disturbed or can be adjusted to specifications. It can diffract light with high efficiency close to 100%.
  • a tracking unit for tracking the observer requires a variable period polarization grid in order to be able to vary the deflection angle with the grating period.
  • Conventional LCPGs are generated by photoalignment with a fixed period.
  • V-COPA a particular type of polarizing grating named V-COPA - see US 2009/0073331 A1 and the publication [5] - has a period variable by an electric field.
  • V-COPA uses LC with negative dielectric anisotropy. Without a field, the molecular orientation is essentially perpendicular to the surface. With out-of-plane field, the orientation is in the plane.
  • the orientation in the plane can be predetermined in part and the grating period can be changed.
  • this type of polarization grating it is necessary to set a surface orientation at selected positions spaced apart from a given pitch of the diffraction grating, so that an LC field screw structure is formed when an electric field is applied, as is required for a polarization grating.
  • this predetermined surface orientation hinders the formation of an altered period of the polarization grating by driving through a field. There are errors in the LC orientation compared to the desired polarization grating.
  • V-COPA as described in the literature, namely as a phase deflector for tracking in holographic displays with high efficiency and low crosstalk is therefore not possible.
  • IPS or PSS would also be eligible, but only if at least one rotation angle of the molecules of 180 degrees or optionally also 360 degrees would be achieved.
  • a phase deflector as with a light modulator (SLM).
  • SLM light modulator
  • IPS / PSS phase SLM or phase deflectors according to the invention optionally transmissive with a rotatably arranged K / 2 plate or reflective with a rotatably arranged ⁇ / 4 plate:
  • a pixel-wise (or stripwise) switchable or otherwise variable surface orientation of LC molecules in a pixelated SLM is used in combination with direct driving of the LC molecules through an electric field to the purpose, the angular range of possible LC orientations to increase the combination of surface orientation and direct driving of the LC molecules beyond a value that would be possible with a fixed surface orientation, thereby increasing the range of adjustable phase values in a phase modulating SLM.
  • the combination of switchable otherwise variable surface orientation and direct driving of the LC by an electric field achieves an angular range of approximately 180 degrees LC orientation, thereby enabling phase modulation of up to approximately 2 ⁇ .
  • Phase deflectors created in a holographic single or multi-user system For the
  • An exemplary embodiment could be as follows: In a PSS display with electric field controllable angles of the LC orientation of up to +/- 45 degrees in the plane relative to a given surface orientation, a surface orientation switching of preferably 90 degrees would be added that the adjustable angle surface 0 degrees / field +45 degrees adjoins the adjustable angle surface 90 degrees / field -45 degrees.
  • a surface orientation switching of preferably 90 degrees would be added that the adjustable angle surface 0 degrees / field +45 degrees adjoins the adjustable angle surface 90 degrees / field -45 degrees.
  • Phase modulator are then set, for example, the phases 0 to ⁇ by the surface orientation 0 degrees and the relative orientation to the surface in the electric field of - 45 degrees (phase 0) to +45 degrees (phase ⁇ ). And the phases ⁇ to 2 ⁇ by the surface orientation 90 degrees and the relative orientation in the electric field from -45 degrees ( ⁇ ) to +45 degrees (2 ⁇ ).
  • the adjustment is made via the electric field strengths and considering threshold or saturation voltages.
  • the voltage required to switch the surface orientation should be higher than the saturation voltage for PSS, at which the angles form +45 or -45 degrees.
  • a binary switchable surface orientation is required.
  • the surface orientation and for direct control of the LC layer are chosen differently.
  • an out-of-plane electric field could switch the surface layer between 2 bistable states.
  • an in-plane electric field is then the direct control of the LC.
  • the surface orientation is preferably set so that either (regardless of the sign of the in-plane voltage) for a surface orientation, phases between 0 (maximum amount of voltage) and approximately ⁇ (without field) or for the other
  • a surface layer can be used which has a binary switching of the surface orientation between 2 bistable states or a surface layer which has a continuous change of the surface orientation with the adjacent field.
  • V-COPA V-COPA
  • Surface orientation is adjusted variably to the respectively set grating period of the LCPG. This assists the electric field forming of an LCPG of this period and avoids or reduces errors in the LCPG that would result from a fixed surface orientation.
  • the three states of surface orientation are, for example:
  • the surface orientation is adjusted so that the LC molecules (above an electrode) are substantially vertical;
  • the surface orientation can be adjusted such that the LC molecules (liquid crystals) in a first local region of the light modulator are essentially aligned in a predefinable first output orientation.
  • the liquid crystals in a second local region of the light modulator can with the orientation means in a predetermined second output orientation be oriented, which is oriented relative to the first initial orientation inclined by a first angle.
  • the liquid crystals can be aligned in a third local region of the light modulator with the orientation means in a predetermined third output orientation, which corresponds relative to the first output orientation substantially in the opposite direction to the first angle and the amount substantially to the first angle.
  • the predeterminable first initial orientation of the liquid crystals could be substantially parallel or perpendicular to the surface normal of a substrate, so that a V-COPA or an IPS / PSS arrangement can be realized.
  • the predeterminable first initial orientation of the liquid crystals could be substantially parallel or perpendicular to the longitudinal axis of substantially linearly formed electrodes, so as to basically realize an IPS arrangement.
  • the surface orientations 2 and 3 are respectively set at positions such that their spacing is approximately equal to one grating period of the LCPG. If a pixel-by-pixel control is used, the surface orientation is aligned in each case in the area of an electrode in accordance with setting 2 or 3. At the other electrodes, the orientation is adjusted according to setting 1.
  • the distance between positions 2 and 3 is also the grating period.
  • the closest electrode is used for surface orientation 2 and 3.
  • a grating period can be set at 3.5 times the electrode pitch by alternately spaced at 3 pixels and 4 pixels, that is, 3.5 pixels on average
  • an inventive light modulator is used in particular for a display for displaying two- and / or three-dimensional image contents.
  • the light modulator has two opposing substrates and electrodes.
  • at least one electrode may be provided on only one or both substrates.
  • At least one layer of liquid crystals is provided between the two substrates.
  • an orientation agent for the predeterminable initial orientation of the liquid crystals is provided on the surface of the substrate facing the layer with liquid crystals.
  • Orientation of the liquid crystals is in one - in particular by a threshold field strength and a Saturation field strength defined - predetermined range influenced by an electric field generated by the electrodes.
  • the predeterminable starting orientation of the liquid crystals is to be understood in particular as the preferred direction or preferred orientation of the LC molecules mentioned above.
  • the orientation means is adjustable and adjustable in such a way - also new or changed - that the initial orientation of the liquid crystals can be changed as a result. When changed
  • Initial Orientation of the Liquid Crystals is the orientation of the Liquid Crystals influenced by an electric field so that the orientation of the Liquid Crystals outside the predetermined range, which was predetermined by the initial predetermined initial orientation, are orientable, which refers in particular to the predeterminable initial orientation.
  • the orientation of the liquid crystals outside the predetermined range is in particular a continuation of the originally possible orientation or direction of rotation, which is possible in the predetermined range of the liquid crystals in the predeterminable initial orientation. If, therefore, a liquid crystal is rotatable and alignable in the given area in one plane, this is changed
  • the liquid crystals can coincidentally align in two opposite directions of rotation, it could be provided that the
  • Oriented means adjustable executed and in such a way - also new or changed - is adjustable, that thereby the starting orientation of the Liquid Crystals is changeable.
  • the orientation of the liquid crystals through an electric field can be influenced in such a way that the liquid crystals are rotatable in a deterministic manner, e.g. only in one direction of rotation.
  • the orientation means could be carried out in an adjustable manner and in such a way - also new or
  • the initial orientation of the liquid crystals as a function of the location is specifiable adjustable, preferably over at least two areas with electrodes.
  • the present invention relates to a display, in particular a stereoscopic or holographic display, which is characterized by a light modulator according to one of
  • Claims 1 to 15 is. Furthermore, the present invention relates to a method for operating a light modulator according to one of claims 1 to 15. The method according to the invention comprises the following method steps: a) setting at least one predeterminable orientation of the liquid crystals and optionally
  • Orienting agent b) setting a deviating from the predetermined orientation of the Liquid Crystals orientation and c) - if the deviating from the predetermined orientation of the Liquid Crystals orientation is outside the predetermined orientation range of the Liquid Crystals - Setting a predeterminable initial orientation of the Liquid Crystals with the orientation agent such that the deviating from the predetermined orientation of the Liquid Crystals orientation of the Liquid Crystals adjustable is.
  • Reflective phase modulator with a rotatably arranged K / 2 plate:
  • a reflective PSS phase modulator is embodied as an optical component which has an optical unit, wherein the optical unit realizes a function of a variable or rotatable K / 2 plate. Furthermore, the optical component comprises a back fixed ⁇ / 4 layer and a reflective layer. By controlling the optical unit, an angular range of rotation of the axes of the LC molecules of at least + - 45 degrees is achieved, namely by a
  • Angular ranges for a switchable surface alignment In this case, a surface alignment which can be varied in an analogous manner to the electric field is preferably used.
  • the light modulator could have a reflective operation, in which the layer of liquid crystals realize the function of a variable ⁇ / 2 plate. Circularly polarized light to be modulated passes through the layer of liquid crystals and a layer of liquid crystals downstream ⁇ / 4 plate and is reflected by a reflective layer and passes through the ⁇ / 4 plate and the layer of liquid crystals again.
  • the light modulator could have a reflective operation, in which the layer of liquid crystals realize the function of a variable ⁇ / 4 plate. Circularly polarized light to be modulated passes through the layer of liquid crystals and is reflected by a reflective layer and passes through the layer of liquid crystals again.
  • a light modulator operating as a phase modulator preferably has regularly arranged pixels, the pixels being designed such that the phase of the light interacting with the light modulator can be changed, in particular continuously.
  • a pixel modulates the light interacting with the pixel over the entire cross-section of the pixel in substantially the same way.
  • a pixel could be one of the rectangles shown in FIG. 2, which in this case are shown greatly enlarged and represent only a tiny section of a light modulator.
  • the liquid crystals can be oriented in a predeterminable manner so that a continuous flow is achieved
  • Angle distribution of the Liquid Crystals between 0 and 360 degrees with respect to the output orientation at a variably adjustable grating period is adjustable.
  • the temperature changes the elastic parameters of an LC material. Since the overall orientation results from a combination of elastic interaction of the molecules with each other and surfaces and field components, it is the rule that at
  • the change in the spring constant or the deflection angle occurring with the temperature is reversible and can be calibrated.
  • this calibration is stored in a look-up table (LUT).
  • At least one temperature sensor is provided in the phase modulator.
  • Temperature sensors are provided.
  • the maximum achievable angle of rotation with the temperature vary, for example, decrease with higher temperatures. If the phase modulator is to be operated within a predetermined operating temperature range, the selection of the smectic LC and of the FLCP and of the voltages used is undertaken in such a way that an angle of 45 degrees is also reached for the temperature within the operating temperature range which has the smallest angle of rotation.
  • a UV filter placed in front of the display reduces the chemical aging of the display materials and thus the breaking of the chemical bonds caused by the high photon energy of the UV radiation.
  • the chemical anchoring remains stable.
  • a fixed chemical attachment of the FLC molecules also avoids unwanted mixing of these molecules in the switchable surface-alcaline layer with the LC molecules in the PSS-LC layer.
  • the chemical bonding of the FLC to the polyimide alignment layer can be carried out by attaching a functional group to the FLC, wherein the functional group on the one hand has a bond to the FLC and on the other hand to the molecules of the "polyimide" alignment layer.
  • a FLCP is only one possibility for the realization of a switchable surface alignment.
  • a switchable is only one possibility for the realization of a switchable
  • CNT carbon nanotubes
  • CNT can be chemically bound with appropriate functional groups.
  • the possibility of providing CNT with different functional groups is described in the literature. This can be used specifically here. It is also conceivable to provide the FLC or CNT with two functional groups, one chemically binding to the alignment layer and one to the LC material. These two functional groups can be specific, so that one
  • short-chain CH molecules diffuse into the LC.
  • the diffusion coefficient is dependent on the LC and can be chosen so that as little as% diffuses into the LC in the present material combination.
  • Short chain CH molecules can be added to the alignment layer in an increased concentration to counterbalance the diffusion that occurs until diffusion equilibrium is established. Sealing, which is also necessary for the LC, should be interpreted as meaning that it also provides a short-chain for the present short-chain molecules
  • FIG. 1 shows a front view (in the form of a plan view or a conventional view of a viewer on the display parallel to the surface normal from the substrate) of the orientation of the PSS-LC molecules according to the prior art, when different voltages are applied,
  • Fig. 2 is a front view (in a simplified manner) of a first embodiment of the present invention, wherein the PSS-LC molecules due to a 90 degree binary switchable surface orientation not only as shown in Fig. 1 in an angular range of total 90 degrees (-45 to +45 degrees) are orientable, but due to the switchable
  • Surface orientation can be oriented in an angular range of 180 degrees in total
  • FIG. 4 shows a part of an IPS display in a view from the front, on the left the orientation of the molecules when no electric field is applied, and right above and below the orientation of the molecules when an electrical generated by the voltages with (the amount) Vmax Field is applied, in a view from the front a comparable to the arrangement of Figure 4 arrangement, wherein a relative to the arrangement of the electrodes slightly tilted initial orientation of the LC molecules is present.
  • FIG. 6 is a front view of an arrangement comparable to the arrangement according to FIG. 5, wherein the direction of rotation of the LC molecules can be predetermined in a further exemplary embodiment of the present invention due to a binary switchable or continuously variable output orientation of the LC molecules
  • FIG. 7a is a front view of a portion of a conventional phase deflector having a VA LC in this example.
  • FIG. 7b shows a diagram of the setting of the LC molecules according to FIG. 7a.
  • FIG. 8a is a front view of part of a conventional LCPG for phase modulation of circularly polarized light
  • FIG. 8b shows a diagram of the setting of the LC molecules according to FIG. 8a.
  • FIG. 9 is a front view of part of a conventional V-COPA with the electric field switched off
  • FIG. 10 is a front view of the V-COPA of FIG. 9 with the electric field switched on and oriented LC molecules according to a suitable period
  • FIG. 10 is a front view of the V-COPA of FIG. 9 with the electric field switched on and oriented LC molecules according to a suitable period
  • FIG. 1 is a front view of the V-COPA according to FIG. 9 with the electric field switched on and LC molecules oriented according to an inappropriate period, FIG.
  • FIG. 12 is a front view of another embodiment of the present invention of a portion of a V-COPA having an adjustable surface orientation with the electric field on and LC molecules oriented according to a periodically adjusted surface orientation;
  • FIG. 16 shows a sectional view of a prior art LC cell with a fringe field (FFS) electrode arrangement and with a switchable orientation means
  • Fig. 17 is a sectional view of another embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a part or a section of a PSS-LC display according to the prior art with a fixed or unchangeable, predetermined preferred direction of the LC through the
  • Fig. 2 shows a part of a PSS-LC displays according to the invention with binary switchable
  • a preferred direction VR1 of the surface orientation can be switched to another preferred direction VR2. Without field (center top and bottom), the LC molecules orient parallel to one of these preferred directions VR1 or VR2. With field they respectively orient at an angle relative to these preferred directions VR1, VR2.
  • the angle between VR1 and VR2 is 90 degrees.
  • the orientation of the LCs at surface preferred direction VR1 and maximum positive voltage (0 degrees + 45 degrees) top right corresponds to the orientation at surface preferred direction VR2 and maximum negative voltage (90 degrees - 45 degrees) bottom left.
  • the combination of surface orientation and electric field can cover the orientation or orientation of the LC molecules for an angular range of 180 degrees. This angular range is sufficient for a phase modulation of 0 to 2 ⁇ .
  • the adjustment of the surface orientation can take place for example via a bistable surface layer by means of a short voltage pulse and sequentially the direct control of the bulk LC.
  • Fig. 3 shows once again the general principle of the phase modulation according to Pancharatnam [4].
  • Circularly polarized light falls on a ⁇ / 2 plate.
  • the sense of rotation of the circularly polarized light is changed.
  • there is a phase which depends on the angle of the optical axis of the ⁇ / 2 plate in the plane. If this is rotated by the angle ⁇ (right side of FIG. 3), the phase at the output changes by the angle 2 ⁇ .
  • Fig. 4 shows schematically a section of a pixel of a prior art IPS-LCD with two in-plane electrodes E1, E2, which can generate an electric field in the plane of the drawing.
  • the given surface orientation VR is exactly 90 degrees to the field direction.
  • a rotation of the molecules in the field on the right and on the left is energetically equivalent.
  • domains with different orientations would form, which corresponds to the orientation as shown at the top right or bottom in the figure.
  • Fig. 5 shows schematically a section of a pixel of a prior art IPS-LCD in which the surface orientation VR 'deviates by a small angle (pretilt) of 90 degrees relative to the electric field direction.
  • the pretilt energetically favors the clockwise rotation of the molecules.
  • FIG. 5 with an IPS cell only one rotation angle can be up to maximum near 90 degrees, since the LC molecules can align only over a region between the surface orientation and the orientation parallel to the field.
  • Amplitude modulation are usually enough, however, already 45 degrees rotation angle.
  • FIG. 6 schematically shows a section of a pixel of an IPS display with a switchable surface orientation VR1 or VR2. Switching takes place at a small angle to the direction perpendicular to the electric field.
  • the direction of rotation of the LC molecules is preferred in the clockwise direction.
  • the angle range between -90 degrees and - ⁇ and the angular range of + ⁇ can be adjusted to +90 degrees, where ⁇ the angle to the vertical of the electric field in the
  • Preferred directions VR1 and VR2 corresponds. These angles can be kept very small, e.g. in the range of 2 to 5 degrees. Apart from a small gap around ⁇ , a phase modulation between 0 and 2 ⁇ is possible. In a phase deflector, the LC orientation is also affected by the neighboring LC molecules, so that there forms a continuous screw of the LC orientation and the gap can be closed. Alternatively, a surface layer can be used whose initial orientation can be changed continuously over an angle range between - ⁇ and + ⁇ . Then, a first output orientation without field may be parallel to the electrodes. Small angles of the LC to the electrode between - ⁇ and + ⁇ are achieved only by adjusting the initial orientation of the surface layer.
  • the angle range between -90 degrees and - ⁇ and the angle range from + ⁇ to +90 degrees is - as in the binary case - achieved by the surface layer is set to the output orientation + or - ⁇ and additionally the LC directly via an in-plane Field is controlled.
  • Figure 7a shows a conventional phase deflector, which in this example contains a VA LC.
  • a phase modulation between 0 and 2 ⁇ is achieved by rotating the LC out of the drawing plane (shown is the projection of the LC into the drawing plane - the more this is shortened, the larger the rotation out of the plane).
  • Fig. 7b shows the resulting phase profile.
  • a jump in the LC orientation by 90 degrees would actually have to occur in order to modulate the phase ⁇ as desired.
  • a smoothing occurs (indicated by black labeled LC molecules).
  • AA flipback region
  • Fig. 8 shows a prior art LCPG. This is based on the modulation of circularly polarized light. A rotation of the LC molecules of 180 degrees (see FIG. 8a) corresponds to a phase 2 ⁇ (see FIG. 8b). As the LC molecules continue to spin continuously, there are no glitches
  • Addressable variable LCPG would be possible in principle for a holographic display, but would not achieve the required switching times.
  • Fig. 9 shows a prior art V-COPA. Although the formation of an LCPG takes place there partially by an electric field. Needed but still a predetermined
  • Fig. 9 shows the alignment of the molecules without electric field. This is essentially perpendicular to the drawing plane. In certain positions, however, the LC molecules are slightly tilted up (1 ') or down (1 ") by the surface orientation to the surface normal, and at other positions they may also be oriented exactly perpendicular to the surface of the substrate (1) shows a V-COPA in the prior art. The molecules have a negative dielectric anisotropy. The orientation of the molecules in the electric field for one grating period is shown in Fig. 10. By an out-of-plane field, the molecules in the Tilted drawing plane
  • Orientation within this plane requires continuous rotation between 0 and 360 degrees. So you have to set a variable orientation depending on the grating period in this plane. This is achieved in part by an additional in-plane field, for example at positions 4 and 4 '. However, prior tilting by means of surface orientation in the fieldless state first sets the orientation at the positions 1 'and 1 ". Between these positions (for example, left between 1' and 4) a continuous rotation is formed by elastic forces.
  • Fig. 11 shows the problem which arises when the grating period is varied in a V-COPA known from the prior art. Then, at some positions, there is a conflict between the orientation given by the surface (light gray / dashed) and that for the grating period
  • modified V-COPA is suitable for viewer tracking in holographic displays.
  • an adjustable angle range of up to 180 degrees in the orientation of the long axis of the LC molecules can be achieved.
  • this adjustable angle range is a realization of a variable polarization grating by such an electrode arrangement possible.
  • exemplary embodiments will be described which deal more precisely with the required arrangement of the electrodes and the activation of the LC.
  • FIG. 13 shows a section through an LC cell comprising two glass substrates GS spaced apart from one another by means of spacers SP, both of which are provided on the inside with planar electrodes EO and EU and with controllable surface alignment layers or orientation means FLCPO and FLCPU are.
  • the controllable orientation means EO, EU in this case consist of a ferrolectric liquid-crystalline polymer (FLCP).
  • FLCP ferrolectric liquid-crystalline polymer
  • the two orientation means FLCPO, FLCPU are actuated by an out-of-plane field between the two flat electrodes EO, EU.
  • the nematic LC itself is only indirectly controlled by its interaction with the orienting agent FLCPO, FLCPU and not directly, for example by an electric field.
  • FIG. 14 schematically shows a further embodiment of the invention as a variably controllable polarization grating.
  • This has a comparable layer structure, as shown in Fig. 13.
  • Fig. 14 is a front view, therefore, the layer structure is not shown in this figure.
  • the embodiment does not include planar, but rather strip-shaped and also individually controllable electrodes E1 to En, which are indicated as rectangles and which are only partially drawn in their longitudinal direction.
  • the electrodes E1 to En are arranged on both gas substrates.
  • the electrodes E1 to En on the upper and lower glass substrates are superimposed (congruent) and are therefore not shown separately in the front view.
  • the electrodes E1 to En are largely transparent at least for the light used, for example made of ITO (indium tin oxide).
  • the LC orientation is set by a combination of out-of-plane fields, with which the switchable preferred orientation is generated and thus set the direction of rotation for the LC molecules in a clockwise or counterclockwise direction and inplane fields, each of which sets a suitable angle of rotation of the LC molecules.
  • elastic forces also act between the individual LC molecules, so that in the lateral direction a rotational angle of the LC molecules which can be varied continuously with the location can be set.
  • FIG. 14a shows the alignment of the LC molecules, which is first uniform without an electric field, through a surface orientation. This state indicates the surface orientation without electric field. In the case of a continuously variable with an electric field controllable
  • the surface orientation is selected without electric field preferably parallel to the electrodes E1 to En.
  • the surface orientation is selected without electric field preferably parallel to the electrodes E1 to En.
  • FIG. 14b illustrates how a preorientation suitable for setting a polarization grating can be generated by driving the switchable orientation means.
  • An out-of-plane field is applied between each superimposed electrodes E1 to En on the upper and lower substrate.
  • the switchable orientation means adjusts a rotation of the preferential orientation of the LC molecules on the surface by a small angle, either clockwise or counterclockwise, depending on the sign of the voltage.
  • Polarization grating requires rotation of the LC molecules 180 degrees within a grating period, that is, clockwise rotation from halfway for half a grating period and counterclockwise rotation for the other half grating period.
  • Fig. 14b shows an example in which the grating period to be set corresponds to exactly four times the electrode gap.
  • the grating period need not be an integer multiple of the interelectrode distance.
  • a positive out-of-plane voltage (ie upper electrode to +, marked 0+) is applied to each of 2 electrodes, and a negative out-of-plane voltage is applied to the next 2 electrodes (upper electrode indicated by 0 -).
  • the orientation means is controlled (or switched) and the LC molecules are also moved by a small angle clockwise or counterclockwise. Elastic forces between the LC molecules also move the molecules between the electrodes.
  • Fig. 14c shows the alignment of the LC after subsequently applying an electrical in-plane field to form the polarization grating in the LC layer.
  • a different high in-plane field is applied between two respectively adjacent electrodes on the same substrate (schematically indicated in FIG. 14c with I ++ for a high electric field, I + for a mean electric field and I0 for no electric field)
  • I ++ for a high electric field
  • I + for a mean electric field and I0 for no electric field
  • a strong in-plane field I ++ results in a rotation of the LC molecules up to 90 degrees, a weaker field l + a smaller rotation.
  • the in-plane field acts directly on the LC molecules between the electrodes. By elastic forces, the molecules are also rotated just above the electrodes E1 to En.
  • the sign of the inplane field can be chosen freely, as it does not affect the direction of rotation of the orientation. This is determined only by the small pre-rotation shown in Fig. 14b.
  • out-of-plane fields for switching the orientation means can also act on the LC molecules themselves and also orient them out of the plane, which would be disturbing.
  • Fig. 15 therefore shows an example of LC molecules with negative dielectric anisotropy oriented perpendicular to the field.
  • the surface orientation is selected perpendicular to the longitudinal axis of the substantially linear electrodes E1 to En, see FIG. 15a.
  • An orientation means which can be switched by means of an out-of-plane field again provides a direction of rotation in the clockwise or counterclockwise direction, see FIG. 15b.
  • Fig. 15c shows the situation when the polarization grating is activated. Nevertheless, these embodiments have the disadvantage that the in-plane and out-of-plane fields to be created can possibly cause mutual interference.
  • FIG. 16 shows a switchable orientation means with a fringe field (FFS) electrode arrangement according to the prior art.
  • FFS fringe field
  • this arrangement is chosen because lower voltages are needed to drive the orientation means.
  • On the lower substrate GS there is a ground electrode GE and above an insulating layer ISOL and strip-shaped electrodes SE.
  • a fixed alignment layer fAL is arranged on the upper substrate GS.
  • the out-of-plane field between the ground electrode GE and the strip-shaped electrodes SE still extends over the switchable orientation means FLCP.
  • the orientation means FLCP is planarized within a pixel.
  • the in-plane electrodes SE can also be arranged only on a substrate GS.
  • the out-of-plane field does not extend far into the LC layer NLC, so it does not disturb it.
  • the individually controllable strip electrodes SE the in-plane field can be adjusted to set a polarization grating with a predetermined grating period.
  • Fig. 18 (section through the layer structure simulation data arrangement) schematically shows the course of equipotential lines to drive the orientation means.
  • the grating period to be set corresponds to 6 times the electrode spacing.
  • 3 electrodes SE are set to negative voltage and 3 each to positive voltage compared to the planar ground electrode GE.
  • Equipotential lines arranged horizontally to the substrate GS correspond to an out-of-plane component of the field. As can be seen, there is an out of plane field over the electrodes SE.
  • a direction of rotation in the clockwise or counterclockwise direction is predetermined for each half grating period.
  • FIG. 19 shows an activation with substantially in-plane fields (equipotential lines arranged vertically to the substrate GS) in the LC layer and out-of-plane fields (horizontal equi-potential lines arranged to the substrate GS) in the region of the switchable orientation means.
  • substantially in-plane fields equipotential lines arranged vertically to the substrate GS
  • out-of-plane fields horizontal equi-potential lines arranged to the substrate GS
  • a field profile as in FIGS. 18 and 19 can optionally be realized in succession as a two-stage control, or the field profile as in FIG. 19 can be used alone since it contains the required out-of-plane and in-plane fields per se ,
  • the embodiment can be advantageously dispensed with the in-plane electrodes of the second substrate. This eliminates the mechanical alignment of the two substrates to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler Bildinhalte oder Bildseguenzen. Der Lichtmodulator weist zwei gegenüberliegende Substrate und Elektroden auf. Zwischen den zwei Substraten ist mindestens eine Schicht mit Liguid Crystals vorgesehen. Auf der der Schicht mit Liguid Crystals zugewandten Oberfläche des Substrats ist ein Orientierungsmittel zur vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liguid Crystals vorgesehen. Die Orientierung der Liguid Crystals ist in einem vorgegebenen Bereich durch ein von den Elektroden erzeugtes elektrisches Feld beeinflussbar. Das Orientierungsmittel ist einstellbar ausgeführt und derart einstellbar, dass hierdurch die Ausgangsorientierung der Liguid Crystals veränderbar ist. Bei veränderter Ausgangsorientierung der Liguid Crystals ist die Orientierung der Liguid Crystals durch ein elektrisches Feld derart beeinflussbar, dass hierdurch die Orientierung der Liguid Crystals außerhalb des vorgegebenen Bereichs orientierbar sind oder dass hierdurch die Ausgangsorientierung der Liguid Crystals in Abhängigkeit des Orts vorgebbar einstellbar ist.

Description

Lichtmodulator für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler Bildinhalte
Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder
dreidimensionaler Bildinhalte. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Display und
Verfahren zur Herstellung eines Lichtmodulators.
LC - Alignment Layer
Herkömmliche LC Displays (Liquid Crystal Displays) basieren in der Regel auf einem Gleichgewicht zwischen einer Wechselwirkung der LC Moleküle mit einer Oberfläche und der Wechselwirkung mit einem elektrischen Feld. Durch eine Oberflächenwechselwirkung wird eine Vorzugsorientierung der LC Moleküle in Abwesenheit eines Feldes vorgegeben. Durch ein elektrisches Feld wirkt eine Kraft auf die Moleküle, die in der Regel der Oberflächenorientierung entgegengerichtet ist oder in einer vorgegebenen Richtung wirkt. Je nach Stärke des Feldes und der elastischen Kräfte der LC Moleküle untereinander stellt sich in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke eine resultierende Ausrichtung der LC Moleküle ein.
In der Regel gibt es einen Schwellwert der Feldstärke, ab dem sich überhaupt erst eine Änderung der Orientierung der LC Moleküle im Vergleich zu dem Zustand ohne Feld einstellt. Weiterhin gibt es eine Sättigungsfeldstärke, was bedeutet, dass sich für Felder, stärker als diese Sättigungsfeldstärke, keine weitere Änderung der Orientierung der LC Moleküle ergibt. Zwischen dem Schwellwert und dem Sättigungswert der Feldstärke ändert sich die LC Orientierung mit der Feldstärke, insbesondere kontinuierlich.
In einem herkömmlichen LC Display, wie etwa einem PC Monitor, wird diese veränderliche Orientierung zur Darstellung von Graustufen in Abhängigkeit von der Ansteuerspannung eines LC Pixels genutzt.
Für die Einstellung der Oberflächenwechselwirkung gibt es verschiedene bekannte Verfahren.
Standardmäßig wird bei LC Displays eine Polyimidschicht verwendet, der durch mechanisches Reiben eine Vorzugsrichtung gegeben wird. LC Moleküle orientieren sich dann an der Grenzfläche zur Polyimidschicht bevorzugt mit ihrer langen Achse entlang der Reibrichtung. Die Stärke der
Oberflächenwechselwirkung kann durch Parameter beim Herstellungsprozess des Displays, wie beispielsweise durch das Einstellen eines unterschiedlich großen mechanischen Druckes beim
Reibprozess, variiert werden. Je nach Typ des LC Displays benötigt man wahlweise eine planare Orientierung, bei der die
Vorzugsrichtung der LC Moleküle parallel zur Oberfläche des Glassubstrats eingestellt wird, eine homeotrophe Orientierung, bei der die Vorzugsrichtung der LC Moleküle senkrecht zur Oberfläche des Glassubstrats eingestellt wird, oder eine geneigte (getiltete bzw. tilted) Orientierung, bei der die Vorzugsrichtung der LC Moleküle unter einem definierten Winkel zur Oberfläche des Glassubstrats eingestellt wird. Eine planare Orientierung wird beispielsweise üblicherweise bei einem IPS (in plane switching) Display verwendet, eine im Wesentlichen homeotrophe Orientierung, beispielsweise bei einem VA (vertical aligment) Display.
Bestimmte Typen von LC Materialien - beispielsweise nematische LC mit einer positiven dielektrischen Anisotropie - richten sich bevorzugt mit ihrer langen Achse parallel zu einem elektrischen Feld aus. Andere LC Materialien - beispielsweise nematische LC mit einer negativen dielektrischen Anisotropie - richten sich mit ihrer langen Achse bevorzugt senkrecht zum elektrischen Feld aus.
Eine bestimmte Kombination von Oberflächenorientierung auf einem Substrat oder auf beiden Substraten mit einem Typ von LC Material und einer Anordnung von Elektroden wird im Folgenden als LC Mode bezeichnet: so zum Beispiel die Kombination von planarer Orientierung auf beiden Substraten, nematischen LC mit positiver dielektrischer Anisotropie, und Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie ein in-plane Feld erzeugen, als IPS-Mode.
Nun könnte eine Oberflächenwechselwirkung mit einer Reihe unterschiedlicher Materialien und auch unterschiedlicher Verfahren eingestellt werden. Neben dem schon genannten Reiben von Polyimid ist eine weitere Möglichkeit der Verwendung eines Materials in Form von Siliziumoxidfilmen, die
aufgedampft werden und bei denen durch die Parameter des Bedampfungsprozesses eine geeignete Vorzugsorientierung der LC Moleküle eingestellt wird. So könnte auch durch ein Photoalignment einem lichtempfindlich reagierenden Polymermaterial optisch, etwa durch Verwendung von UV Licht, eine Vorzugsrichtung aufgeprägt werden, die zur Ausrichtung der LC Moleküle dient. Eine Übersicht über - für sich gesehen bekannte - Orientierungsschichten gibt die Veröffentlichung [1]. In der Regel wird für ein LC Display eine über das gesamte Display einheitliche und feste
Vorzugsorientierung vorgegeben. Es könnte auch eine räumlich strukturierte Vorzugsrichtung vorgesehen sein, mit der beispielsweise eine pixelweise unterschiedliche Ausrichtung der LC Moleküle erreicht werden kann.
Bekannt sind auch schaltbare Vorzugsorientierungen: In dem Buch von Blinov/Chgrinov, "Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials", Seite 125, [2], unter der Überschrift "Multistable Orientation" wird beschrieben, dass für einen nematischen Flüssigkristall in Kontakt mit einem kristallinen Substrat, das eine n-fache Rotationssymmetrie des Kristalls besitzt, wobei n eine ganze Zahl ist, die LC Moleküle prinzipiell n verschiedene Orientierungen entlang einer dieser durch den Kristall vorgegebenen
Richtungen annehmen können. Es können sich dann einzelne Domänen ausbilden, mit unterschiedlicher Orientierung entlang einer dieser n Richtungen. Ein externes in-plane Feld kann in einzelnen Domänen die Orientierung zu einer anderen der n möglichen Richtungen umschalten. Es wird weiter beschrieben, dass auch mit aufgedampften Siliziumoxid Filmen eine multistabile Orientierung erreicht werden kann. Ein elektrisches Feld kann dann das Umschalten von einer der stabilen Orientierungen in eine andere realisieren. Beschrieben wird dort auch das Konzept eines bistabilen LC Displays, welches auf dem Umschalten eines nematischen LC zwischen 2 möglichen Oberflächenorientierungen basiert. Liegt kein elektrisches Feld an, so bleiben die Moleküle in einer der möglichen Vorzugsrichtungen. Damit ist das Display ähnlich wie ein bistabiler, ferroelektrischer LC energiesparend ausgelegt, da zur Anzeige eines festen Inhaltes keine Spannung nötig ist. In der Veröffentlichung [3] wird auch eine tristabile LC Einrichtung beschrieben, die auf einer fein gemusterten Oberflächenstrukturierung basiert. Ein sehr feines räumliches Muster unterschiedlicher Vorzugsorientierungen wird in eine Polyimidoberfläche eingeschrieben. Durch das mikroskopische Muster entstehen makroskopisch drei gleichermaßen stabile LC Orientierungen. Zwischen diesen kann durch ein elektrisches in-plane Feld hin und her geschaltet werden.
Zur optischen Umschaltung der Oberflächenorientierung könnte auch die Technik des Photoalignment so eingesetzt werden, dass beispielsweise mittels UV-Lichteinfall lichtempfindliche Moleküle in der
Oberflächen-Schicht eines Polymermaterials ihre Konformation ändern und auf diese Weise
unterschiedliche Vorzugsorientierungen der LC Moleküle induzieren, die an diese Oberflächenschicht des Polymermaterials angelagert sind. Auf diese Weise kann in einem optisch adressierbaren SLM (Spatial Licht Modulator) über die Oberflächenwechselwirkung die LC Orientierung umgeschaltet werden. Mit einem solchen Photoalignment kann beispielsweise auch eine Umschaltung von einer planaren in eine homeotrophe Orientierung der LC Moleküle erfolgen. Als Nachteil der optischen Umschaltung wird allerdings genannt, dass diese relativ langsam ist, so dass sie für einen Lichtmodulator, der mit hohen Frameraten arbeiten soll, nur bedingt geeignet ist.
Es gibt unterschiedliche flüssigkristalline Phasen. Bei Nematischen Flüssigkristallen ist eine einheitliche Orientierung der Molekülachsen energetisch begünstigt. Die Position der einzelnen Moleküle ist aber statistisch verteilt. Bei smektischen Flüssigkristallen ordnen sich die Moleküle zusätzlich in Schichten an. Ein spezieller Typ von smektischen Flüssigkristallen - SmC* (chirale smektisch C Phase) - weist ferroelektrische Eigenschaften auf. Aufgrund der mit Ferroelektrizität verbundenen Hysterese kann hiermit ebenfalls ein bistabiles Display realisiert werden. Man benötigt einen bestimmten Schwellwert der Spannung um die LC Moleküle in einen Zustand zu schalten. In diesem verbleiben sie, bis eine
Spannung mit entgegen gesetztem Vorzeichen und Betrag ebenfalls oberhalb des Schwellwertes angelegt wird. Dann schalten sie in den anderen Zustand. Dabei liegt ein out-of-plane elektrisches Feld an. Die LC Moleküle rotieren aber in einer Ebene parallel zum Substrat. Neben ferroelektrischen LC (FLC) gibt es weitere Phasen mit ähnlichen Eigenschaften, beispielsweise antiferroelektrische und ferrielektrische. Ferroelektrische LC zeichnen sich durch ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit aus. Sie weisen aber dafür andere Nachteile auf. Es werden aber andererseits auch Anordnungen beschrieben die SmC* LC enthalten, aber dennoch keine Hysterese und keine Bistabilität aufweisen, sondern eine kontinuierliche Änderung der LC Orientierung mit der anliegenden Spannung, der sogenannte V-Shaped FLC Mode.
In der Veröffentlichung WO 00/03288 A1 wird eine elektrooptische Einrichtung beschrieben, deren Oberflächenlayer selbst flüssigkristalline - oder genauer chirale smektische - Eigenschaften aufweist. Die Einrichtung enthält zusätzlich einen Bulk LC Layer, der beispielsweise auch ein nematischer LC sein kann.
Durch ein elektrisches Feld können die Flüssigkristalle im Oberflächenlayer in ihrer Orientierung geschaltet werden ("Primary surface switching"). Dieser Oberflächenlayer induziert dann eine
Orientierung des Bulk Layers ("induced bulk switching"). Beispielsweise ergibt sich für die LC
Orientierung im Bulk Layer eine Vorzugsrichtung parallel zu den LC Molekülen im Oberflächenlayer. Ein zusätzlicher fester separater (herkömmlicher) Oberflächenlayer kann vorgesehen sein, der absolut die Orientierungsrichtungen vorgibt, um die smektischen LC Moleküle des dynamischen Oberflächenlayers in ihren bistabilen Schaltzuständen wiederum relativ zu diesem separaten Layer auszurichten. Im
Folgenden wird ein einstellbarer Oberflächenlayer auch als Orientierungsmittel bezeichnet. Als Vorteil wird in der Druckschrift insbesondere die Nutzung der hohen Schaltgeschwindigkeit der smektischen LC im Oberflächenlayer genannt. Durch die induzierte Ausrichtung des Bulk Layers soll beispielsweise auch bei nematischen LC im Bulk Layer eine schnellere Reaktionszeit erreicht werden, als das bei einer direkten Ansteuerung des Bulk Layers der Fall wäre.
Die Druckschrift umfasst auch ein Ausführungsbeispiel, in dem in einem zweistufigen Effekt eine induzierte Ausrichtung des Bulk Layer über den Surface Layer und außerdem eine direkte Ausrichtung des Bulk Layer über ein Feld kombiniert werden. In dem Ausführungsbeispiel ist der Schwellwert des elektrischen Felds für die direkte Ausrichtung des Bulk Layers größer, als das Feld, das für das Schalten des Surface Layers benötigt wird. Durch ein kleines elektrisches Out-of plane Feld unterhalb des Schwellwertes kann also durch Schalten des Oberflächenlayers eine geänderte Ausrichtung der Moleküle des Bulk Layers in der Ebene parallel zum Substrat induziert werden. Durch ein größeres Out-of-plane Feld, das an denselben Elektroden anliegt, kann der Bulk Layer direkt angesteuert und die LC Molkeüle aus der Ebene parallel zum Substrat heraus orientiert werden.
In der Veröffentlichung WO 03/081326 wird anstelle eines getrennten und mit dem Bulk Layer nicht mischbaren Oberflächenlayers stattdessen der Bulk Layer dotiert mit Molekülen, die im Bulk Layer verteilt aber fest mit der Oberfläche verbunden sind. Die räumliche Trennung von Oberflächenlayer und Bulk Layer ist damit zwar aufgehoben. Es wird aber weiterhin eine Orientierung im Bulk Layer mittels der eingestellten Orientierung im Oberflächenlayer induziert. Der Oberflächenlayer kann dabei beispielsweise Seitenkettenpolymere enthalten, deren Seitenkette relativ zur Hauptkette drehbar, also orientierbar ist, während die Hauptkette die feste Verbindung mit der Oberfläche herstellt. Phasenmodulation
Für kohärent optische Anwendungen, wie zum Beispiel holografische Displays, werden Phasen modulierende SLM benötigt. Hierbei handelt es sich in der Regel um einen Lichtmodulator, welcher in x- und in y- Richtung regelmäßig angeordneten Pixel aufweist. Die Pixel sind derart ausgebildet, dass die Phase des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts veränderbar ist. Die Veränderung bzw. Modulation des mit einem Pixel wechselwirkenden Lichts erfolgt insbesondere relativ zu der Veränderung des mit einem anderen Pixel wechselwirkenden Lichts. Dies erfordert in der Regel für eine gegebene Wellenlänge - beispielsweise im sichtbaren Bereich - eine Phasenmodulation zwischen 0 und 2π. Für holografische Displays werden insbesondere schnelle Phasenmodulatoren benötigt.
Einige Typen von herkömmlichen Amplituden modulierenden LC-Displays können zwar leicht durch Änderung der Polarisation des einfallenden Lichtes so geändert werden, dass sie statt der Amplitude die Phase modulieren. Jedoch wird dann meist nicht der benötigte Phasenbereich bis 2π erreicht, sondern beispielsweise nur ein Bereich von 0 bis π. LC Moden wie electrically controlled birefringence (ECB) oder Vertical alignment (VA) benötigen für Amplitudenmodulation eine Kombination aus Schichtdicke d und Doppelbrechung An, so dass gilt An d = X I 2 für Phasenmodulation bis 2π aber stattdessen An d > λ , wobei λ die Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes ist. Für den Phasenmodulator im Vergleich zum Amplitudenmodulator wird bei diesen LC Moden entweder ein LC Material mit einem größeren Brechungsindex benötigt, welches häufig auch eine höhere Viskosität hat, also langsamer reagiert, oder welches eine größere Schichtdicke aufweist, wobei
herkömmlicherweise die Reaktionszeit eines nematischen LC in etwa proportional zum Quadrat der Schichtdicke ist. Daher wäre ein Phasenmodulator dieser LC Displaytypen nachteilhaft langsamer als ein vergleichbares Amplitudendisplay.
Prinzipiell möglich wäre natürlich, diese LC Moden durch Verwendung eines dynamischen Alignment Layers zu beschleunigen bei ansonsten gleichem Bereich möglicher Orientierungen der LC. Allerdings sind die langsamstem Schaltzeiten die„grey-to-grey" Übergänge bei einem Amplitudendisplay, oder übertragen auf Phasenmodulation, die Übergänge zwischen mittleren Phasenstufen. Da die
Oberflächenorientierungen über eine begrenzte Zahl einstellbarer Zustände verfügen, ist zu erwarten, dass sich nicht alle benötigten Phasenstufen in gewünschter Weise beschleunigen lassen.
ECB und VA in der oben genannten Konfiguration benötigen für Phasenmodulation linear polarisiertes Licht.
Eine andere Möglichkeit der Phasenmodulation nach Pancharatnam [4] verwendet zirkulär polarisiertes Licht und eine ansteuerbare λ/2-Platte (hier ist also An d = X/2). Wird die optische Achse der XI2 Platte in der Ebene parallel zur Oberfläche um den Winkel φ gedreht, so erhält man eine Phasenmodulation von 2φ. Für eine Phase von 2π wird ein Winkel φ νοη 180 Grad benötigt.
In ähnlicher Weise kann auch eine reflektive Anordnung ausgestaltet werden: Zirkular polarisiertes Licht durchläuft eine drehbar angeordnete K/2 Platte, passiert dann eine fest angeordnete λ/4 Platte, trifft auf eine reflektierende Schicht und passiert auf dem Rückweg noch einmal die fest angeordnete λ/4 Platte und die drehbar angeordnete K/2 Platte. Die drehbar angeordnete K/2 Platte kann durch eine geeignete Schicht von Liquid Crystals realisiert werden. Die fest angeordnete λ/4 Platte kann beispielsweise als Polymerfolie ausgeprägt sein. Wird die K/2 Platte um den Winkel φ gedreht, so erfolgt dann für das Licht auf dem Hinweg eine Phasenmodulation um den doppelten Winkel, also um 2φ, und nach der Reflexion auf dem Rückweg noch einmal eine Phasenmodulation um 2φ, insgesamt also um 4φ. Es wird dann ein Winkelbereich für φ von insgesamt 90 Grad benötigt, um eine Phasenmodulation von bis zu 360 Grad (2π) zu erhalten.
Eine andere Möglichkeit nach dem Stand der Technik, eine reflektive Anordnung auszugestalten, ist die Verwendung einer drehbar angeordneten λ/4 Platte und einer reflektierenden Schicht, wobei die K/4 Platte auf dem Hin- und dem Rückweg, also zweimal, durchlaufen wird und so auf das Licht analog zu einer transmissiven drehbar angeordneten K/2 Platte wirkt. Die drehbar angeordnete λ/4 Platte kann durch eine geeignete Schicht von Liquid Crystals realisiert werden. In diesem Fall entspricht die Phasenmodulation, wenn die K/4 Platte um den Winkel φ gedreht wird, wieder dem doppelten des Drehwinkels, also 2φ. Es wird dann wieder ein Winkelbereich φ von insgesamt 180 Grad benötigt, um eine Phasenmodulation von bis zu 360 Grad (2π) zu erhalten. Bei Verwendung von LC basierten Phasenmodulatoren kann sich die im Vergleich zu einem transmissiven Modulator halbierte Schichtdicke der drehbaren λ/4 Platte positiv auf die Schaltzeit auswirken.
Beide Möglichkeiten für reflektive Phasenmodulatoren sind in der Veröffentlichung [7] beschrieben und dort insbesondere auch in der Fig. 2 dieser Veröffentlichung schematisch dargestellt.
Bei LC entspricht die optische Achse in der Regel der Längsachse der LC Moleküle. Eine entsprechende Drehung der optischen Achse kann also durch geeignete Drehung der LC Moleküle in der Ebene erfolgen.
Bestimmte Typen von LC-Displays, wie in plane switching (IPS) oder polarization-shielded smectic (PSS), siehe zum Beispiel die Veröffentlichung US 2007002267 A1 , verwenden eine Schichtdicke An d = λ/2 und drehen die LC Moleküle über Ansteuerung durch ein Feld in der Ebene. Insbesondere sind PSS Amplitudendisplays sehr schnell. Es werden Frequenzen von 1 kHz und mehr in der Ansteuerung erreicht. IPS verwendet nematische LC und ein in-plane elektrisches Feld. PSS verwendet smektische Moleküle und ein out-of-plane elektrisches Feld. Für Amplitudenmodulation arbeiten diese LC Moden herkömmlich mit linear polarisiertem Licht. Eine Änderung des Polarisationszustandes wäre jedoch ohne großen Aufwand möglich. Beispielsweise kann eine λ/4 Platte verwendet werden, um linear polarisiertes Licht in zirkulär polarisiertes Licht zu konvertieren. Ein Unterschied zwischen nematischen und smektischen Molekülen ist, dass nematische Moleküle sich unabhängig vom Vorzeichen einer Spannung für positive und negative Spannungen gleich ausrichten, während in bestimmten smektischen LC eine Ausrichtung in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Spannung erfolgt.
Bei einem PSS Phasenmodulator unterscheidet sich also die Drehrichtung und damit auch die Phase in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Spannung. Die DE 10 2009 002 987.7 beschreibt auch schon den entsprechenden Einsatz von PSS als Phasenmodulator unter Verwendung von zirkulär polarisiertem Licht und der Berücksichtigung des Vorzeichens der Spannung. Allerdings reicht der herkömmliche Drehwinkel der LC Moleküle bei IPS und bei PSS nicht aus, um auf eine Phasenmodulation von 2π zu kommen.
Für einen transmissiven PSS Amplitudenmodulator und geeignete lineare Polarisation des einfallenden Lichtes ergibt sich ein Transmissionsverlauf der proportional ist zum Quadrat des Sinus des doppelten Drehwinkels 2φ.
Minimale Transmission wird erreicht für φ=0 Grad, maximale Transmission für φ= + 45 Grad oder φ= - 45 Grad. Idealerweise verwendet also auch ein transmissiver PSS Amplitudenmodulator einen
Drehwinkelbereich von - 45 Grad bis + 45 Grad . Mit diesem Winkelbereich wäre auch ein reflektiver Phasenmodulator mit einer drehbar angeordneten K/2 Platte und einer fest angeordneten K/4 Platte nutzbar. Der für PSS nutzbare Winkelbereich für den Drehwinkel φ ist jedoch begrenzt durch den Tiltwinkel der LC Moleküle in den für PSS verwendeten smektischen Phasen (insbesondere smektisch C). Dieser Tiltwinkel ist eine materialabhängige Größe die von der Struktur der jeweils verwendeten Flüssigkristallsubstanz abhängt und sich weiterhin auch mit der Temperatur ändert. Da in herkömmlichen LC Displays häufig nematische Materialien eingesetzt werden, werden auch von den großen LC Herstellern meist nematische LC Materialien angeboten. Die Auswahl an kommerziell erhältlichen smektischen LC ist deutlich geringer.
Daher wird unter Umständen mit den zur Verfügung stehenden LC Materialien nicht der Winkelbereich von - 45 Grad bis + 45 Grad erreicht oder er wird nur in einem kleinen Temperaturintervall erreicht.
Beispielsweise wird nur ein Winkelbereich vor - 35 Grad bis + 35 Grad erreicht.
Eine andere Begrenzung kann darin bestehen, dass zwar prinzipiell ein Winkel von 45 Grad erreichbar wäre, dass aber für die Einstellung diese Winkels zu hohe Spannungen benötigt werden, die außerhalb dessen liegen, was mit einer konventionellen LC Backplane erreicht wird.
Die Nachteile eines zu kleinen Winkelbereiches wirken sich unterschiedlich stark aus im Falle von Amplitudenmodulation und im Falle von Phasenmodulation. Für Amplitudenmodulation erhält man beispielsweise mit einem Winkel von 35 Grad bereits 88 Prozent der maximalen Transmission. Man kann also auch mit diesem Winkelbereich ein Amplitudendisplay betreiben und hat nur den geringen Nachteil einer etwas kleineren Lichteffizienz, also einen etwas höheren Energieverbrauch des Displays. Für einen reflektiven Phasen SLM würden jedoch Drehwinkel zwischen - 35 Grad und + 35 Grad nur eine
Phasenmodulation bis maximal 1 ,55π anstelle der benötigten Modulation bis 2π erlauben.
Beispielsweise für den Einsatz eines solchen Phasen-SLM in einem holographischen Display hätte dies negative Auswirkungen auf die Qualität einer holographischen Rekonstruktion. In diesem Fall stellt es also einen gravierenden Nachteil dar.
Für Amplitudenmodulation wird für IPS ein Drehwinkel zwischen 0 und 45 Grad benötigt. Dies bewirkt eine Drehung des linear polarisierten Lichtes um Winkel zwischen 0 und 90 Grad, ausreichend für entweder volle Transmission oder volle Auslöschung mit einem festen Polarisator am Ausgang. Für Amplitudenmodulation bei PSS werden Winkel von - 45 bis + 45 Grad verwendet, wobei hier positive und negative Winkel gleiche Amplituden liefern.
Als Phasenmodulation entspricht bei einem transmissiven Phasenmodulator oder einem reflektiven Phasenmodulator mit einer Ausgestaltung des LC als drehbar angeordnete λ/4 Platte dieser
Winkelbereich Phasen von 0 bis π/2 bei IPS und 0 bis π bei PSS. Um die gewünschte Phasenmodulation bis 2π zu bekommen, müsste der Winkel, in dem die LC Moleküle ausgerichtet werden, vergrößert werden, nämlich bei IPS vervierfacht bzw. bei PSS verdoppelt. Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich. Der bei einem herkömmlich IPS Display maximal erreichbare Drehwinkel beträgt 90 Grad. +- 90 Grad würden für PSS eine theoretische Grenze darstellen, die in der Praxis aber nie erreicht wird. Die Problemstellung besteht also unter anderem darin, einen schnellen Phasen-SLM mit einer Modulation bis 2π bereitzustellen, bei welchem der zugängliche Winkelbereich der LC Orientierungen vergrößert wird.
In der Veröffentlichung [6] wird ein schaltbares Oberflächenalignment unter Verwendung eines
Ferroelektrischen Flüssigkristallinen Polymers (FLCP) beschrieben.
Niedermolekulare Flüssigkristalle werden dabei mit einer Polysiloxanhauptkette so chemisch verbunden, dass sie bewegliche Seitenketten eines Polymers bilden. Dabei verleiht die Hauptkette der Anordnung mechanische Stabilität, während sich andererseits die Seitenketten ähnlich wie niedermolekulare Flüssigkristalle in einem elektrischen Feld ausrichten können.
Eine LC Zelle wird erstellt, indem auf Glassubstrate eine Polyimidschicht aufgebracht wird und durch mechanisches Reiben behandelt wird. Der FLCP wird mittels Spin Coating als zusätzliche Schicht auf mindestens einem Substrat über dem Polyimid aufgebracht und ebenfalls mechanisch gerieben. Dann wird zwischen die beiden Substrate ein LC Material eingefüllt. Die Orientierung dieses LC Materials erfolgt an der Oberfläche zur FLCP-Schicht im Wesentlichen parallel zu den Seitenketten des FLCP. Durch ein elektrisches Feld können die Seitenketten des FLCP anders ausgerichtet werden. Damit wird das Oberflächenalignment für das LC Material verändert. In der Veröffentlichung [6] wird beschrieben, dass dabei in Experimenten eine Ausrichtung bzw. Orientierung der FLCP in einem Winkelbereich von etwa + 15 bis - 15 Grad nachgewiesen wurden. Diese Winkel ändern sich analog, das heißt kontinuierlich in Abhängigkeit von der Spannung. Bei ausgeschalteter Spannung ist die LC-Orientierung parallel zur Reibrichtung. Es erfolgt also in diesem Fall kein binäres Schalten. Der Oberflächenlayer verhält sich stattdessen wie ein V-Shaped FLC.
Phasendeflektor
Für diffraktive Elemente, wie beispielsweise Phasendeflektoren, die in holografischen Displays für die Betrachternachführung (Tracken) eingesetzt werden, besteht das Problem, eine hohe Beugungseffizienz zu erreichen. Solche Phasendeflektoren werden beispielsweise in der DE 10 2009 028 626.8 bzw. der PCT/EP2010/058625, dort als Beugungseinrichtung bezeichnet, beschrieben. Da im Folgenden genauer auf Phasendeflektoren eingegangen wird, ist der Offenbarungsgehalt der DE 10 2009 028 626.8 bzw. der PCT/EP2010/058625 vollumfänglich hier einbezogen.
Für Tracking-Einrichtungen ist niedrige Beugungseffizienz auch mit potentiellem Übersprechen von Licht in ein anderes Auge des Betrachters des Displays verbunden, da das nicht in gewünschter Weise gebeugte Licht das Auge eines anderen Betrachters treffen kann. Während dies für ein
Einzelbetrachtersystem weniger kritisch ist, da die beiden Augen des einzelnen Betrachters immer einen festen Abstand aufweisen und zwischen diesen ein Übersprechen verhindert werden kann, führt es doch zu Einschränkungen, insbesondere bei einem Mehr-Betrachtersystem, wenn die relative Position der einzelnen Betrachter variiert. Eine Lichtablenkung in einem Beugungsgitter erfolgt beispielsweise in einem linear ansteigenden oder linear abfallenden Phasenprofil, je nach Ablenkrichtung. Wenn die Phase nur modulo 2π moduliert werden kann, gibt es im Phasenprofil Sprünge zurück von 2π auf 0 (flyback region). Das Phasenprofil weist also eine Art Sägezahnform auf und in diesem speziellen Fall umfasst die Sägezahnform eine Periode von einer im Wesentlichen linear ansteigenden Flanke und eine nahezu senkrecht orientierte abfallende Flanke. Diese Bereiche sind in der Regel nicht ideal scharf bzw. senkrecht abfallend, sondern geglättet bzw. abgeschrägt. Durch den abfallenden Ast des Phasenprofils nimmt die Beugungseffizienz ab und das potentielle Übersprechen nimmt zu. Der Verlust an Effizienz ist umso größer, je kleiner die Gitterperiode ist, da dann der relative Anteil des abfallenden Astes des Phasenprofils im Vergleich zum steigenden Ast zunimmt. Eine kleinere Gitterperiode entspricht einem größeren Ablenkwinkel. Dieser Effekt kann in einem Polarisationsgitter (PG) vermieden werden, das auch auf der Phasenmodulation nach Pancharatnam aufbaut. LC Moleküle in einem LCPG drehen sich über jeweils zwei Gitterperioden kontinuierlich um Winkel zwischen 0 und 360 Grad und so fort. Dies entspricht einer Phase von 0 bis 4π über die beiden Gitterperioden. Da kein Sprung in der benötigten LC Orientierung auftritt, ist auch der Phasenverlauf an den Positionen 2π nach 0 nicht gestört bzw. kann vorgabengetreu eingestellt werden. Es kann Licht mit hoher Effizienz nahe bei 100% gebeugt werden.
Eine Tracking Einheit zur Betrachteraugennachführung benötigt ein Polarisationsgitter variabler Periode, um mit der Gitterperiode auch den Ablenkwinkel variieren zu können. Herkömmliche LCPG werden durch Photoalignment mit einer festen Periode erzeugt. Ein besonderer Typ von Polarisationsgittern mit dem Namen V-COPA - siehe die US 2009/0073331 A1 und die Veröffentlichung [5] - hat aber eine durch ein elektrisches Feld veränderbare Periode. V-COPA verwendet LC mit negativer dielektrischer Anisotropie. Ohne Feld ist die Molekülorientierung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche. Mit out-of-plane Feld erfolgt die Orientierung in die Ebene. Durch eine zusätzliche in-plane Differenz der Spannungen kann teilweise die Orientierung in der Ebene vorgegeben und die Gitterperiode verändert werden. Allerdings muss man bei diesem Typ von Polarisationsgitter an ausgewählten Positionen im Abstand eines vorgegebenen Pitch des Beugungsgitters eine Oberflächenorientierung vorgeben, damit sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes überhaupt eine Schraubenstruktur der LC Orientierung ausbildet, wie sie für ein Polarisationsgitter erforderlich ist. Diese vorgegebene Oberflächenorientierung ist aber hinderlich beim Ausbilden einer veränderten Periode des Polarisationsgitters mittels Ansteuerung durch ein Feld. Es kommt zu Fehlern in der LC Orientierung im Vergleich zu dem gewünschten Polarisationsgitter.
Die Verwendung des V-COPA, so wie es in der Literatur beschrieben ist, nämlich als Phasendeflektor für Tracking in holografischen Displays mit hoher Effizienz und geringem Übersprechen ist daher nicht möglich.
Als andere LC Moden für Polarisationsgitter variabler Periode kämen auch wieder IPS oder PSS in Frage, aber nur dann, wenn mindestens ein Drehwinkel der Moleküle von 180 Grad oder wahlweise auch 360 Grad erreicht würde. Für diese LC Typen besteht also bei einem Phasendeflektor das gleiche Problem wie bei einem Lichtmodulator (SLM). Erfindungsgemäße IPS/PSS Phasen-SLM oder Phasen-Deflektoren, wahlweise transmissiv mit einer drehbar angeordneten K/2 Platte oder reflektiv mit einer drehbar angeordneten λ/4 Platte:
Eine pixelweise (oder streifenförmig) schaltbare oder anderweitig variierbare Oberflächenorientierung von LC Molekülen in einem pixelierten SLM (oder Deflektor mit streifenförmigen Elektroden) wird verwendet in Kombination mit einer direkten Ansteuerung der LC Moleküle durch ein elektrisches Feld zum Zweck, den Winkelbereich der möglichen LC Orientierungen durch die Kombination von Oberflächenorientierung und direkter Ansteuerung der LC Moleküle über einen Wert hinaus zu vergrößern, der bei einer festen Oberflächenorientierung möglich wäre, um damit den Bereich einstellbarer Phasenwerte in einem Phasen modulierenden SLM zu vergrößern.
Insbesondere wird bei LC-Moden wie IPS oder PSS durch die Kombination von schaltbarer anderweitig variierbarer Oberflächenorientierung und direkter Ansteuerung der LC durch ein elektrisches Feld ein Winkelbereich der LC Orientierung von ungefähr 180 Grad erreicht und damit eine Phasenmodulation von bis zu ungefähr 2π ermöglicht.
Damit wird eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz solcher LC-Moden als phasenmodulierender SLM in einem holografischen Display oder als Phasendeflektor mit hoher Beugungseffizienz für
Phasendeflektoren in einem holografischen Ein- oder Mehrbenutzersystem geschaffen. Für das
Umschalten oder anderweitige Variation der Oberflächenorientierung kommen alle im Stand der Technik genannten Verfahren in Frage. Bevorzugt kann das Umschalten durch einen dynamischen
Oberflächenlayer erfolgen, der z.B. selbst smektische Flüssigkristalle enthält.
Ein Ausführungsbeispiel könnte wie folgt sein: Bei einem PSS Display mit durch ein elektrisches Feld ansteuerbaren Winkeln der LC Orientierung von bis zu +/- 45 Grad in der Ebene relativ zu einer vorgegebenen Oberflächenorientierung würde eine Umschaltung der Oberflächenorientierung von bevorzugt um 90 Grad hinzugefügt, so dass der einstellbare Winkel Oberfläche 0 Grad / Feld +45 Grad anschließt an den einstellbaren Winkel Oberfläche 90 Grad / Feld -45 Grad. Für den Einsatz als
Phasenmodulator werden dann beispielsweise die Phasen 0 bis π durch die Oberflächenorientierung 0 Grad und die relative Orientierung zur Oberfläche im elektrischen Feld von - 45 Grad (Phase 0) bis +45 Grad (Phase π) eingestellt. Und die Phasen π bis 2π durch die Oberflächenorientierung 90 Grad und die relative Orientierung im elektrischen Feld von -45 Grad (π) bis +45 Grad (2π).
Die Einstellung erfolgt über die elektrischen Feldstärken und unter Berücksichtigung von Schwellwertoder Sättigungsspannungen. So sollte zum Beispiel die benötigte Spannung für das Umschalten der Oberflächenorientierung höher sein als die Sättigungsspannung für PSS, bei der sich die Winkel +45 oder -45 Grad ausbilden. Für diese Ausgestaltung wird eine binär schaltbare Oberflächenorientierung benötigt.
Je nach Konfiguration kann jedoch allgemein auch die Richtung des Feldes zum Einstellen der
Oberflächenorientierung und zum direkten Ansteuern des LC Layers unterschiedlich gewählt werden. Bei einem IPS Display mit einem zusätzlichen dynamischen smektischen Oberflächen LC Layer könnte beispielsweise durch ein out-of-plane elektrisches Feld der Oberflächenlayer zwischen 2 bistabilen Zuständen geschaltet werden. Durch ein in-plane elektrisches Feld erfolgt dann die direkte Ansteuerung des LC. Bei einem IPS LC Mode wird bevorzugt die Oberflächenorientierung so eingestellt werden, dass entweder (unabhängig vom Vorzeichen der in-plane Spannung) für eine Oberflächenorientierung Phasen zwischen 0 (maximaler Betrag der Spannung) und ungefähr π (ohne Feld) oder für die andere
Oberflächenorientierung Phasen zwischen ungefähr π (ohne Feld) und 2π (maximaler Betrag der Spannung) eingestellt werden können. Im Gegensatz zu PSS unterscheiden sich in dieser Ausführung die beiden benötigten Oberflächenorientierungen nur um einen kleinen Winkel voneinander. Für IPS sind wahlweise ein Oberflächenlayer verwendbar, der ein binäres Schalten der Oberflächenorientierung zwischen 2 bistabilen Zuständen aufweist oder ein Oberflächenlayer, der eine kontinuierliche Änderung der Oberflächenorientierung mit dem anliegenden Feld aufweist.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Erfindungsgemäßer V-COPA Phasendeflektor
Erfindungsgemäß wird das Konzept eines V-COPA so modifiziert, dass anstelle einer festen
Oberflächenorientierung eine zwischen mindestens drei möglichen Zuständen (also mindestens tristabil schaltbar oder kontinuierlich veränderbar) pixelweise oder streifenweise einstellbare
Oberflächenorientierung an die jeweils einzustellende Gitterperiode des LCPG variabel angepasst wird. Hierdurch wird die durch ein elektrisches Feld erfolgende Ausbildung eines LCPG dieser Periode unterstützt und es werden Fehler im LCPG, die durch eine feste Oberflächenorientierung entstehen würden, vermieden oder reduziert.
Die drei Zustände der Oberflächenorientierung sind beispielsweise folgende:
1. die Oberflächenorientierung ist so eingestellt, dass die LC-Moleküle (über einer Elektrode) im Wesentlichen vertikal stehen;
2. die Oberflächenorientierung ist so eingestellt, dass die LC-Moleküle relativ zur
Oberflächennormalen um einen ersten geringen Winkel geneigt orientiert sind;
3. die Oberflächenorientierung ist so eingestellt, dass die LC-Moleküle relativ zur
Oberflächennormalen um einen zweiten geringen Winkel geneigt orientiert sind, wobei der zweite Winkel im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Winkel und vom Betrag her im Wesentlichen gleich ist.
Ganz allgemein kann die Oberflächenorientierung derart eingestellt werden, dass die LC-Moleküle (Liquid Crystals) in einer ersten lokalen Region des Lichtmodulators im Wesentlichen in eine vorgebbare erste Ausgangsorientierung ausgerichtet sind. Die Liquid Crystals in einer zweiten lokalen Region des Lichtmodulators können mit dem Orientierungsmittel in eine vorgebbare zweite Ausgangsorientierung ausgerichtet werden, welche relativ zur ersten Ausgangsorientierung um einen ersten Winkel geneigt orientiert ist. Die Liquid Crystals können in einer dritten lokalen Region des Lichtmodulators mit dem Orientierungsmittel in eine vorgebbare dritte Ausgangsorientierung ausgerichtet werden, welche relativ zur ersten Ausgangsorientierung im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Winkel und vom Betrag her im Wesentlichen dem ersten Winkel entspricht.
Hierbei könnte die vorgebbare erste Ausgangsorientierung der Liquid Crystals im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur Oberflächennormalen eines Substrats sein, so dass eine V-COPA oder eine IPS/PSS Anordnung realisierbar ist. Alternativ könnte die vorgebbare erste Ausgangsorientierung der Liquid Crystals im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur Längsachse von im Wesentlichen linear ausgebildeten Elektroden sein, um somit grundsätzlich eine IPS Anordnung zu realisieren.
Bei IPS/PSS kann wahlweise für einen Alignmentlayer (bzw. Orientierungsmittel), der ein binäres Verhalten aufweist, auch zwischen nur zwei Ausgangsorientierungen binär umgeschaltet werden, wobei diese beiden Ausgangsorientierungen beispielsweise symmetrisch um Winkel von gleichem Betrag und entgegengesetzter Richtung zur Längsachse von im Wesentlichen linear angeordneten Elektroden geneigt sind. Dies entspricht der zweiten und dritten Ausgangsorientierung in der obigen Beschreibung, während die obengenannte erste Ausgangsorientierung parallel oder senkrecht zur Längsachse der Elektroden für einen Alignmentlayer mit binärem Verhalten entfallen kann.
Die Oberflächenorientierungen 2. und 3. werden jeweils an Positionen derart eingestellt, dass ihr Abstand ungefähr einer Gitterperiode des LCPG entspricht. Erfolgt eine pixelweise Ansteuerung, wird die Oberflächenorientierung jeweils im Bereich einer Elektrode gemäß Einstellung 2. oder 3. ausgerichtet. An den anderen Elektroden wird die Orientierung gemäß Einstellung 1. eingestellt.
Bei einer Gitterperiode, die genau einem ganzzahligen des Elektrodenpitch entspricht, ist auch der Abstand der Positionen 2. und 3. die Gitterperiode. Bei einer Gitterperiode, die nicht dem ganzzahligen des Elektrodenpitch entspricht, wird für die Oberflächenorientierung 2. und 3. die nächstliegende Elektrode verwendet.
So kann zum Beispiel eine Gitterperiode mit dem 3,5 fachen des Elektrodenpitch eingestellt werden, indem abwechselnd im Abstand von 3 Pixeln und 4 Pixeln, also im Mittel 3,5 Pixel, die
Oberflächenorientierungen Nummer 2. und 3. eingestellt werden.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Fig. 7 bis 12 näher erläutert. Insoweit dient ein erfindungsgemäßer Lichtmodulator insbesondere für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler Bildinhalte. Der Lichtmodulator weist zwei gegenüberliegende Substrate und Elektroden auf. Hierbei kann mindestens eine Elektrode an lediglich einem oder an beiden Substraten vorgesehen sein. Zwischen den zwei Substraten ist mindestens eine Schicht mit Liquid Crystals vorgesehen. Auf der der Schicht mit Liquid Crystals zugewandten Oberfläche des Substrats ist ein Orientierungsmittel zur vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals vorgesehen. Die
Orientierung der Liquid Crystals ist in einem - insbesondere durch eine Schwellwertfeldstärke und eine Sättigungsfeldstärke definierten - vorgegebenen Bereich durch ein von den Elektroden erzeugtes elektrisches Feld beeinflussbar. Unter der vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals ist insbesondere die oben genannte Vorzugsrichtung bzw. Vorzugsorientierung der LC Moleküle zu verstehen. Das Orientierungsmittel ist einstellbar ausgeführt und derart - auch neu bzw. verändert - einstellbar, dass hierdurch die Ausgangsorientierung der Liquid Crystals veränderbar ist. Bei veränderter
Ausgangsorientierung der Liquid Crystals ist die Orientierung der Liquid Crystals durch ein elektrisches Feld derart beeinflussbar, dass die Orientierung der Liquid Crystals außerhalb des vorgegebenen Bereichs, welcher durch die zunächst vorgebbare Ausgangsorientierung vorgegeben war, orientierbar sind, wobei sich das insbesondere auf die vorgebbare Ausgangsorientierung bezieht. Die Orientierung der Liquid Crystals außerhalb des vorgegebenen Bereichs ist insbesondere eine Fortsetzung der ursprünglich möglichen Orientierung bzw. Drehrichtung, welche in dem vorgegebenen Bereich der Liquid Crystals bei der vorgebbaren Ausgangsorientierung möglich ist. Wenn also ein Liquid Crystal in dem vorgegebenen Bereich in einer Ebene drehbar und ausrichtbar ist, ist dies bei veränderter
Ausgangsorientierung der Liquid Crystals um einen erweiterten Bereich in dieser Ebene drehbar bzw. ausrichtbar.
Insbesondere wenn bei einem angelegten elektrischen Feld die Liquid Crystals sich zufällig in zwei entgegengesetzte Drehrichtungen ausrichten können, könnte vorgesehen sein, dass das
Orientierungsmittel einstellbar ausgeführt und derart - auch neu bzw. verändert - einstellbar ist, dass hierdurch die Ausgangsorientierung der Liquid Crystals veränderbar ist. Bei veränderter
Ausgangsorientierung der Liquid Crystals ist die Orientierung der Liquid Crystals durch ein elektrisches Feld derart beeinflussbar, dass die Liquid Crystals in einer deterministischen Weise verdrehbar sind, also z.B. nur noch in einer Drehrichtung.
Im Fall von PG könnte das Orientierungsmittel einstellbar ausgeführt und derart - auch neu bzw.
verändert - einstellbar sein, dass hierdurch die Ausgangsorientierung der Liquid Crystals in Abhängigkeit des Orts vorgebbar einstellbar ist, bevorzugt über mindestens zwei Bereiche mit Elektroden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Display, insbesondere ein stereoskopisches oder holographisches Display, welches gekennzeichnet durch einen Lichtmodulator nach einem der
Ansprüche 1 bis 15 ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtmodulators nach einem der Ansprüche 1 bis 15. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: a) Einstellen mindestens einer vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals und gegebenenfalls
Einstellen mindestens einer vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals mit dem
Orientierungsmittel, b) Einstellen einer von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichenden Orientierung und c) - falls die von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichende Orientierung außerhalb des vorgegebenen Orientierungsbereichs der Liquid Crystals liegt - Einstellen einer vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals mit dem Orientierungsmittel derart, dass die von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichende Orientierung der Liquid Crystals einstellbar ist.
Erfindungsgemäßer reflektiver Phasenmodulator mit einer drehbar angeordneten K/2 Platte:
Erfindungsgemäß wird ein reflektiver PSS Phasenmodulator ausgebildet als optisches Bauteil, welches eine optische Einheit aufweist, wobei die optische Einheit eine Funktion einer variablen bzw. drehbaren K/2 Platte realisiert. Weiterhin umfasst das optische Bauteil eine rückseitig fest angeordnete λ/4 Schicht sowie eine reflektierende Schicht. Es wird durch Ansteuerung der optischen Einheit ein Winkelbereich der Drehung der Achsen der LC Moleküle von mindestens +- 45 Grad erreicht, und zwar durch eine
Kombination einer direkten Ansteuerung der PSS Moleküle und eines variablen Oberflächenalignments, welches ebenfalls durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist. Dies erlaubt vorteilhaft den Einsatz heute bereits verfügbarer smektischer Flüssigkristallmaterialien für PSS und bereits nachgewiesener
Winkelbereiche für ein schaltbares Oberflächenalignment. Bevorzugt wird hierbei ein analog mit dem elektrischen Feld variierbares Oberflächenalignment verwendet.
Insoweit könnte der Lichtmodulator eine reflektive Arbeitsweise aufweisen, bei welcher die Schicht der Liquid Crystals die Funktion einer variablen λ/2-Platte realisieren. Zu modulierendes zirkulär polarisiertes Licht durchläuft die Schicht der Liquid Crystals und eine der Schicht der Liquid Crystals nachgeordnete λ/4-Platte und wird von einer reflektierenden Schicht reflektiert und durchläuft die λ/4-Platte sowie die Schicht der Liquid Crystals erneut. Alternativ könnte der Lichtmodulator eine reflektive Arbeitsweise aufweisen, bei welcher die Schicht der Liquid Crystals die Funktion einer variablen λ/4-Platte realisieren. Zu modulierendes zirkulär polarisiertes Licht durchläuft die Schicht der Liquid Crystals und wird von einer reflektierenden Schicht reflektiert und durchläuft die Schicht der Liquid Crystals erneut. Ein als Phasenmodulator arbeitender Lichtmodulator weist bevorzugt regelmäßig angeordnete Pixel auf, wobei die Pixel derart ausgebildet sind, dass die Phase des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts - insbesondere kontinuierlich - veränderbar ist. Hierbei moduliert ein Pixel das mit dem Pixel wechselwirkenden Licht über den gesamten Querschnitt des Pixels im Wesentlichen in gleicher Weise. So könnte beispielsweise ein Pixel eines der in Fig. 2 gezeigten Rechtecke sein, welche in diesem Fall stark vergrößert dargestellt sind und lediglich einen winzigen Ausschnitt eines Lichtmodulators repräsentieren.
Durch das Anlegen von elektrischen Feldern lokal unterschiedlicher Stärke und/oder Richtung können die Liquid Crystals in einer vorgebbaren Weise derart orientiert werden, dass eine kontinuierliche
Winkelverteilung der Liquid Crystals zwischen 0 und 360 Grad bezüglich der Ausgangsorientierung bei einer variabel einstellbaren Gitterperiode einstellbar ist.
Die folgenden Ausgestaltungen sind kombinierbar mit allen bereits beschriebenen transmissiven oder reflektiven Phasen-SLM oder Phasendeflektoren: In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Temperaturkalibrierung vorgesehen:
Mit der Temperatur ändern sich beispielsweise die elastischen Parameter eines LC Materials. Da die insgesamt sich einstellende Orientierung aus einer Kombination von elastischer Wechselwirkung der Moleküle untereinander und Oberflächen und Feldanteilen ergibt, ist es die Regel, dass bei
gleichbleibender elektrischer Spannung sich der Drehwinkel des Moleküls mit der Temperatur ändert. Häufig tritt mit steigender Temperatur bei gleichbleibender elektrischer Spannung ein ansteigender Winkel auf. Dies hängt aber vom Molekül ab. D.h. es muss somit nicht zwingend sein, dass sich mit steigender Temperatur die Beweglichkeit erhöht, auch wenn dies der Normalfall ist.
Die mit der Temperatur auftretende Änderung der Federkonstanten, bzw. des Auslenkwinkels ist reversibel und kann kalibriert werden. Vorteilhaft wird diese Kalibrierung in einer Look-up Tabelle (LUT) gespeichert.
Zur Berücksichtigung der Temperaturkalibrierung wird im Phasenmodulator insbesondere mindestens 1 Temperatursensor vorgesehen. Zur lokalen Temperaturerfassung kann eine Matrix von
Temperatursensoren vorgesehen werden.
Gegebenenfalls kann auch der maximal erreichbare Drehwinkel mit der Temperatur variieren, beispielsweise mit höheren Temperaturen abnehmen. Soll der Phasenmodulator in einem vorgegebenen Operationstemperaturbereich betrieben werden, so wird die Auswahl des smektischen LC und des FLCP und der verwendeten Spannungen so vorgenommen, dass auch für diejenige Temperatur innerhalb des Operationstemperaturbereiches, die den kleinsten Drehwinkel aufweist, ein Winkel von 45 Grad erreicht wird.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung sind verschiedene Maßnahmen gegen eine Alterung der Einrichtung vorgesehen:
Ein UV-Filter, der vor dem Display angeordnet ist, verringert die chemische Alterung der Materialien des Displays und somit das Aufbrechen der chemischen Bindungen, die durch die hohe Photonenenergie der UV-Strahlung bedingt ist. Die chemische Verankerung bleibt stabil. Eine feste chemische Anbindung der FLC Moleküle vermeidet insbesondere auch eine unerwünschte Durchmischung dieser Moleküle im schaltbaren Oberflächenaligment-Layer mit den LC Molekülen im PSS-LC-Layer.
Der oben zitierte Stand der Technik verwendet einen FLCP in Form eines Polysiloxans mit FLC
Seitenketten. Dies erfordert jedoch nachteilig das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht in der LC Zelle. Es wird daher vorgeschlagen, die FLC Moleküle direkt mit einem Polyimid chemisch zu verbinden, ein
Material das ohnehin für das Oberflächenalignment in der LC Zell eingesetzt wird. Das Chemical Bonding der FLC an den Polyimid-Alignmentlayer kann durch Anbringung einer funktionellen Gruppe an die FLC erfolgen, wobei die funktionelle Gruppe einerseits eine Bindung an die FLC und andererseits an die Moleküle des "Polyimid' -Alignmentlayer aufweist. Generell stellt die Verwendung eines FLCP nur eine Möglichkeit für die Realisierung eines schaltbaren Oberflächenalignment dar. Als weitere Möglichkeit für die Realisierung eines schaltbaren
Oberflächenalignment wird hier beispielsweise auch die Verwendung von Carbon Nanotubes (CNT) angegeben. Auch CNT können mit entsprechenden funktionellen Gruppen chemisch gebunden werden. Die Möglichkeit CNT mit verschiedenen funktionellen Gruppen auszustatten, wird in der Literatur beschrieben. Dies kann hier spezifisch genutzt werden. Es ist auch vorstellbar, die FLC oder CNT mit zwei funktionellen Gruppen auszustatten, wobei eine am Alignmentlayer chemisch bindet und eine am LC Material. Diese beiden funktionellen Gruppen können spezifisch sein, so dass ein
zweiseitiges "Festtackern" der FLC oder CNT am Alignmentlayer vermieden wird.
Gegebenenfalls in Form eines Alterungsprozesses kann sich auch eine Diffusion anderer Moleküle in das LC nachteilig auswirken. Die kurzkettigen CH-Moleküle (wie auch Weichmacher) diffundieren in das LC. Der Diffusionskoeffizient ist jedoch vom LC abhängig und kann so gewählt werden, dass in der vorliegenden Materialkombination möglichst wenig % in das LC diffundiert. Kurzkettige CH-Moleküle können dem Alignmentlayer in erhöhter Konzentration zugegeben werden, um die Diffusion, die bis zu Einstellung eines Diffusions-Gleichgewichtes auftritt, auszugleichen. Ein Sealing, das auch für die LC notwendig ist, ist so auszulegen, dass es auch für die vorliegenden kurzkettigen Moleküle eine
Diffusionssperre darstellt.
In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung
Fig. 1 in einer Ansicht von vorn (in Form einer Draufsicht bzw. einer üblichen Ansicht eines Betrachters auf das Display parallel zur Oberflächennormalen vom Substrat) jeweils die Ausrichtung der PSS-LC- Moleküle nach dem Stand der Technik, wenn unterschiedliche Spannungen angelegt sind,
Fig. 2 in einer Ansicht von vorn (in vereinfachter Weise) ein Teil eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei die PSS-LC-Moleküle aufgrund einer um 90 Grad binär schaltbaren Oberflächenorientierung nicht lediglich wie in Fig. 1 gezeigt in einem Winkelbereich von insgesamt 90 Grad (-45 bis +45 Grad) orientierbar sind, sondern aufgrund der schaltbaren
Oberflächenorientierung in einem Winkelbereich von insgesamt 180 Grad orientierbar sind,
Fig. 3 das Prinzip der Phasenmodulation mit zirkulär polarisiertem Licht nach dem Stand der Technik,
Fig. 4 ein Teil eines IPS Displays in einer Ansicht von vorn, links die Orientierung der Moleküle, wenn kein elektrisches Feld anliegt, und rechts oben und unten die Orientierung der Moleküle, wenn ein durch die Spannungen mit (dem Betrag nach) Vmax erzeugtes elektrisches Feld anliegt, in einer Ansicht von vorn eine zur Anordnung gemäß Fig. 4 vergleichbare Anordnung, wobei eine relativ zu der Anordnung der Elektroden leicht verkippte Ausgangsorientierung der LC-Moleküle vorliegt, Fig. 6 in einer Ansicht von vorn eine zur Anordnung gemäß Fig. 5 vergleichbare Anordnung, wobei hier in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgrund einer binär schaltbaren oder kontinuierlich variierbaren Ausgangsorientierung der LC-Moleküle die Drehrichtung der LC- Moleküle vorgebbar ist, Fig. 7a in einer Ansicht von vorn ein Teil eines herkömmlichen Phasendeflektors, der in diesem Beispiel eine VA LC aufweist,
Fig. 7b in einer Diagrammdarstellung das bei der Einstellung der LC Moleküle gemäß Fig. 7a
resultierende Phasenprofil,
Fig. 8a in einer Ansicht von vorn ein Teil eines herkömmlichen LCPG zur Phasenmodulierung von zirkulär polarisiertem Licht,
Fig. 8b in einer Diagrammdarstellung das bei der Einstellung der LC Moleküle gemäß Fig. 8a
resultierende Phasenprofil,
Fig. 9 in einer Ansicht von vorn ein Teil eines herkömmlichen V-COPA bei ausgeschaltetem elektrischen Feld, Fig. 10 in einer Ansicht von vorn das V-COPA gemäß Fig. 9 bei eingeschaltetem elektrischen Feld und orientierten LC Molekülen gemäß einer geeigneten Periode,
Fig. 1 1 in einer Ansicht von vorn das V-COPA gemäß Fig. 9 bei eingeschaltetem elektrischen Feld und orientierten LC Molekülen gemäß einer nicht geeigneten Periode,
Fig. 12 in einer Ansicht von vorn ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eines Teils eines V-COPA mit einer einstellbaren Oberflächenorientierung bei eingeschaltetem elektrischen Feld und orientierten LC Molekülen gemäß einer an die Periode angepasste Oberflächenorientierung,
Fig. 13 in einer Schnittansicht eine aus den Stand der Technik bekannte LC Zelle,
Fig. 14 und 15 in einer Ansicht von vorn ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 16 in einer Schnittansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte LC-Zelle mit einer Fringe Field (FFS) Elektrodenanordnung und mit einem schaltbaren Orientierungsmittel,
Fig. 17 in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Fig. 18 und 19 in einer Schnittansicht jeweils eine elektrische Feldverteilung bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 17. In den Fig. sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Fig. 1 zeigt einen Teil bzw. einen Ausschnitt eines PSS-LC Displays nach dem Stand der Technik mit einer festen bzw. nicht veränderbaren, vorgegebenen Vorzugsrichtung der LC durch die
Oberflächenorientierung. Die Vorzugsrichtung ist durch den Pfeil VR gekennzeichnet. Ohne anliegende Spannung, d.h. U = OV gemäß der Darstellung in der Mitte, orientieren sich die LC Moleküle parallel zu dieser Vorzugsrichtung VR. Mit anliegender Spannung senkrecht zur Zeichenebene oberhalb eines Schwellwertes drehen sich die Moleküle relativ zu dieser Richtung, wobei der Drehsinn abhängig vom Vorzeichen und der Betrag des Drehwinkels abhängig von der Spannung ist. Oberhalb eines
Sättigungswertes der Spannung wird ein fester maximaler Drehwinkel erreicht. Für ein LCD, mit welchem die Amplitude des Lichts modulierbar ist, liegt dieser Winkel typsicherweise um +/- 45 Grad. Die
Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ist nicht eingezeichnet. Für eine Amplitudenmodulation würde linear polarisiertes Licht verwendet, für eine Phasenmodulation zirkulär polarisiertes Licht. Für die Drehung von -45 bis + 45 Grad wäre dann ein Bereich von Phasenwerten zwischen 0 und π einstellbar. Fig. 2 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen PSS-LC Displays mit binär umschaltbarer
Oberflächenorientierung. Eine Vorzugsrichtung VR1 der Oberflächenorientierung kann umgeschaltet werden in eine andere Vorzugsrichtung VR2. Ohne Feld (Mitte oben und unten) orientieren die LC Moleküle sich parallel zu einer dieser Vorzugsrichtungen VR1 oder VR2. Mit Feld orientieren sie jeweils in einem Winkel relativ zu diesen Vorzugsrichtungen VR1 , VR2.
In dem Beispiel beträgt der Winkel zwischen VR1 und VR2 90 Grad. Damit entspricht die Orientierung der LC's bei Oberflächenvorzugsrichtung VR1 und maximaler positiver Spannung (0 Grad + 45 Grad) rechts oben der Orientierung bei Oberflächenvorzugsrichtung VR2 und maximaler negativer Spannung (90 Grad - 45 Grad) links unten. Insgesamt kann durch die Kombination von Oberflächenorientierung und elektrischem Feld die Ausrichtung bzw. Orientierung der LC Moleküle für einen Winkelbereich von 180 Grad abgedeckt werden. Dieser Winkelbereich ist ausreichend für eine Phasenmodulation von 0 bis 2 π.
Die Einstellung der Oberflächenorientierung kann beispielsweise über einen bistabilen Oberflächenlayer mittels eine kurzen Spannungspulses und sequentiell die direkte Ansteuerung des Bulk LC erfolgen.
Fig. 3 zeigt noch einmal das generelle Prinzip der Phasenmodulation nach Pancharatnam [4]. Zirkular polarisiertes Licht fällt auf eine λ/2 Platte. Der Drehsinn des zirkulär polarisierten Lichtes wird geändert. Zusätzlich stellt sich eine Phase ein, die von dem Winkel der optischen Achse der λ/2 Platte in der Ebene abhängt. Wird diese um den Winkel φ gedreht (rechter Seite von Fig. 3), so ändert sich die Phase am Ausgang um den Winkel 2φ.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Pixels eines IPS-LCD nach dem Stand der Technik mit zwei in-plane Elektroden E1 , E2, die ein elektrisches Feld in der Zeichenebene erzeugen können. In diesem Beispiel ist die vorgegebene Oberflächenorientierung VR genau 90 Grad zu der Feldrichtung. In einer solchen Anordnung ist eine Drehung der Moleküle im Feld rechtsherum wie linksherum energetisch gleichwertig. Es würden sich unter Umständen Domänen mit unterschiedlicher Orientierung ausbilden, die der Orientierung, wie rechts oben bzw. unten in der Figur gezeigt, entspricht.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Pixels eines IPS-LCD nach dem Stand der Technik, bei dem die Oberflächenorientierung VR' relativ zur elektrischen Feldrichtung um einen kleinen Winkel (Pretilt) von 90 Grad abweicht. Durch den Pretilt ist die Drehung der Moleküle im Uhrzeigersinn energetisch begünstigt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, kann mit einer IPS Zelle nur ein Drehwinkel bis maximal nahe 90 Grad erreicht werden, da die LC Moleküle sich nur über einen Bereich zwischen der Oberflächenorientierung und der Orientierung parallel zum Feld ausrichten können. Für
Amplitudenmodulation sind üblicherweise allerdings schon 45 Grad Drehwinkel ausreichend.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Pixels eines IPS-Displays mit einer umschaltbaren Oberflächenorientierung VR1 bzw. VR2. Die Umschaltung erfolgt unter einem kleinen Winkel, um die Richtung senkrecht zum elektrischen Feld. Damit wird bei der Oberflächenorientierung VR1 und anliegendem Feld der Drehsinn der LC Moleküle im Uhrzeigersinn bevorzugt. Bei der
Oberflächenorientierung VR2 und anliegendem Feld wird der Drehsinn der LC Moleküle entgegen dem Uhrzeigersinn bevorzugt. Möglich ist hier zum einen die Verwendung eines Oberflächenlayers, der ein binäres Verhalten aufweist, mit einem Schalten zwischen den beiden Ausgangsorientierungen mit Winkeln -ε und +ε zu den Elektroden.
Damit kann der Winkelbereich zwischen -90 Grad und -ε sowie der Winkelbereich von +ε bis +90 Grad eingestellt werden, wobei ε dem Winkel zur Senkrechten des elektrischen Felds in den
Vorzugsrichtungen VR1 und VR2 entspricht. Diese Winkel können sehr klein gehalten werden, z.B. im Bereich von 2 bis 5 Grad. Bis auf eine kleine Lücke um π ist damit eine Phasenmodulation zwischen 0 und 2π möglich. Bei einem Phasendeflektor wird die LC Orientierung auch von den benachbarten LC Molekülen beeinflusst, so dass dort sich eine kontinuierliche Schraube der LC Orientierung ausbildet und die Lücke geschlossen werden kann. Alternativ kann ein Oberflächenlayer verwendet werden, dessen Ausgangsorientierung sich kontinuierlich über einen Winkelbereich zwischen -ε und +ε ändern lässt. Dann kann eine erste Ausgangsorientierung ohne Feld parallel zu den Elektroden sein. Kleine Winkel des LC zur Elektrode zwischen -ε und +ε werden nur über Einstellen der Ausgangsorientierung des Oberflächenlayers erreicht. Der Winkelbereich zwischen -90 Grad und -ε sowie der Winkelbereich von +ε bis +90 Grad wird - wie im binären Fall - erreicht, indem der Oberflächenlayer auf die Ausgangsorientierung + oder -ε eingestellt wird und zusätzlich der LC direkt über ein in-plane Feld angesteuert wird.
Fig. 7a zeigt einen herkömmlichen Phasendeflektor, der in diesem Beispiel eine VA LC enthält. Eine Phasenmodulation zwischen 0 und 2π wird durch Drehen der LC aus der Zeichenebene erreicht (gezeigt ist die Projektion der LC in die Zeichenebene - je mehr diese verkürzt ist, desto größer ist die Drehung aus der Ebene heraus).
Fig. 7b zeigt das resultierende Phasenprofil. Am Übergang 2π nach 0 müsste eigentlich ein Sprung in der LC Orientierung um 90 Grad auftreten, um die Phase φ wie gewünscht zu modulieren. Da aber die elastischen Kräfte zwischen den LC Molekülen einen solchen Sprung in der Orientierung nicht zulassen, tritt eine Glättung auf (angedeutet durch schwarz markierte LC Moleküle). Es kommt zu einer abfallenden Flanke AA (flyback region) im Phasenprofil. Dieser lenkt in einem holographischen Display Licht in nicht gewünschter Weise ab. Es kommt zu einer Verringerung der Beugungseffizienz und zu potentiellem unerwünschten Übersprechen in ein anderes Betrachterauge. Fig. 8 zeigt ein LCPG nach dem Stand der Technik. Dies basiert auf der Modulation zirkulär polarisierten Lichtes. Eine Drehung der LC Moleküle von 180 Grad (siehe Fig. 8a) entspricht einer Phase 2π (siehe Fig. 8b). Da sich die LC Moleküle kontinuierlich immer weiter drehen, gibt es keine Störungen im
Phasenprofil an den Übergängen 2π nach 0 (siehe Fig. 8b). Herkömmliche LCPG haben eine feste Gitterperiode, die durch einmalige optisch induzierte Ausrichtung festgelegt wird. Ein optisch
adressierbares variables LCPG wäre für ein holographisches Display prinzipiell möglich, würde aber nicht die benötigten Schaltzeiten erreichen.
Fig. 9 zeigt ein V-COPA nach dem Stand der Technik. Die Ausbildung eines LCPG erfolgt zwar dort teilweise durch ein elektrisches Feld. Benötigt wird aber trotzdem eine vorgegebene
Oberflächenorientierung, damit sich ein LCPG im Feld ausbildet.
Fig. 9 zeigt die Ausrichtung der Moleküle ohne elektrisches Feld. Diese ist im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene. In bestimmten Positionen sind jedoch die LC Moleküle durch die Oberflächenorientierung gegenüber der Oberflächennormalen leicht angekippt nach oben (1 ') oder unten (1 "). An anderen Positionen können sie auch exakt senkrecht zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet sein (1 ). Fig. 10 zeigt nach dem Stand der Technik ein V-COPA. Die Moleküle weisen eine negative dielektrische Anisotropie auf. In Fig. 10 ist die Orientierung der Moleküle im elektrischen Feld für eine Gitterperiode gezeigt. Durch ein out-of-plane Feld werden die Moleküle in die Zeichenebene gekippt. Für die
Orientierung innerhalb dieser Ebene muss aber eine kontinuierliche Drehung zwischen 0 und 360 Grad erreicht werden. Also muss eine je nach Gitterperiode variable Ausrichtung in dieser Ebene eingestellt werden. Das wird teilweise erreicht durch ein zusätzliches in-plane Feld, zum Beispiel an den Positionen 4 und 4'. Durch vorherige Ankippung mittels Oberflächenorientierung im feldlosen Zustand wird aber erst die Orientierung an den Positionen 1 ' und 1 " eingestellt. Zwischen diesen Positionen (zum Beispiel links zwischen 1 ' und 4) bildet sich durch elastische Kräfte eine kontinuierliche Drehung aus.
Fig. 1 1 zeigt das Problem, das entsteht, wenn die Gitterperiode bei einem aus dem Stand der Technik bekannten V-COPA variiert wird. Dann gibt es an einigen Positionen einen Konflikt zwischen der durch die Oberfläche vorgegebenen Orientierung (hellgrau/gestrichelt) und der für die Gitterperiode
erforderlichen Orientierung. Daher kann sich nur lokal ein Phasenprofil mit einer geänderten Periode ausbilden. Global kommt es zu Störungen.
Fig. 12 zeigt die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems: Durch ein pixelweises Umschalten zwischen den drei Oberflächenorientierungen 1 , 1 ' und 1 " kann die Oberflächenorientierung an die jeweilige Gitterperiode angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich der in Fig. 1 1 gezeigte Konflikt vermeiden und eine globale Änderung der Gitterperiode ist ohne Störungen möglich. Ein so
erfindungsgemäß verändertes V-COPA ist für Betrachternachführung in holografischen Displays geeignet. Wie oben beschrieben, kann bei einem LC, der durch ein elektrisches in-plane Feld angesteuert wird, in Kombination mit einer ansteuerbaren Oberflächenorientierung des LC ein einstellbarer Winkelbereich von bis zu 180 Grad in der Orientierung der langen Achse der LC Moleküle erreicht werden. Mittels dieses einstellbaren Winkelbereiches ist eine Realisierung eines variablen Polarisationsgitters durch eine solche Elektrodenanordnung möglich. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, welche genauer auf die dazu benötigte Anordnung der Elektroden und die Ansteuerung des LC eingehen.
Fig. 13 zeigt nach dem Stand der Technik nach [6] einen Schnitt durch eine LC Zelle aus zwei mittels Spacer SP beabstandet zueinander angeordneten Glassubstraten GS, die beide innenseitig mit flächigen Elektroden EO und EU und mit ansteuerbaren Oberflächenalignmentlayern bzw. Orientierungsmitteln FLCPO und FLCPU versehen sind. Zwischen den ansteuerbaren Orientierungsmitteln befindet sich eine Schicht NLC eines nematischen LC. Die ansteuerbaren Orientierungsmittel EO, EU bestehen in diesem Fall aus einem ferrolektrischen flüssigkristallinen Polymer (FLCP). In diesem Fall erfolgt eine Ansteuerung der beiden Orientierungsmittel FLCPO, FLCPU durch ein out-of plane Feld zwischen den beiden flächigen Elektroden EO, EU. Der nematische LC selbst wird hier nur mittelbar durch seine Wechselwirkung mit dem Orientierungsmittel FLCPO, FLCPU angesteuert und nicht direkt, beispielsweise durch ein elektrisches Feld.
Die Fig. 14 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung als variabel ansteuerbares Polarisationsgitter. Dies weist einen vergleichbaren Schichtaufbau auf, wie er in Fig. 13 dargestellt ist. Fig. 14 stellt eine Ansicht von Vorne dar, daher ist der Schichtaufbau in dieser Figur nicht dargestellt. Im Unterschied zur der Fig. 13 enthält die Ausgestaltung keine flächige, sondern vielmehr streifenförmige und außerdem individuell ansteuerbare Elektroden E1 bis En, welche als Rechtecke angedeutet sind und welche in ihrer Längsrichtung lediglich teilweise eingezeichnet sind. Die Elektroden E1 bis En sind auf beiden Gassubstraten angeordnet. Die Elektroden E1 bis En auf dem oberen und unteren Glassubstrat liegen übereinander (deckungsgleich) und sind daher in der Frontalansicht nicht separat eingezeichnet. Die Elektroden E1 bis En sind zumindest für das verwendete Licht weitgehend transparent ausgebildet, beispielsweise aus ITO (Indium Tin Oxide).
Nach dem bereits in den Fig. 5 und 6 gezeigten Prinzip wird die LC Orientierung eingestellt durch eine Kombination von out-of-plane Feldern, mit der die schaltbare Vorzugsorientierung erzeugt wird und somit der Drehsinn für die LC Moleküle im Uhrzeigersinn oder gegen der Uhrzeigersinn eingestellt wird, und inplane Feldern, mit denen jeweils ein geeigneter Drehwinkel der LC Moleküle eingestellt wird. Zusätzlich wirken elastische Kräfte auch zwischen den einzelnen LC Molekülen, so dass in lateraler Richtung ein kontinuierlich sich mit dem Ort veränderlicher Drehwinkel der LC Moleküle eingestellt werden kann. In Fig. 14a ist die ohne ein elektrisches Feld zunächst einheitliche Ausrichtung der LC Moleküle durch eine Oberflächenorientierung gezeigt. Dieser Zustand gibt die Oberflächenorientierung ohne elektrisches Feld an. Im Falle einer mit einem elektrischen Feld ansteuerbaren stetig veränderlichen
Oberflächenorientierung, wie hier gezeigt, wird die Oberflächenorientierung ohne elektrisches Feld bevorzugt parallel zu den Elektroden E1 bis En gewählt. Im Fall einer binär schaltbaren
Oberflächenorientierung (die nach Abschalten des elektrischen Feldes erhalten bleibt) können die LC Moleküle ohne Feld auch in einem dieser Schaltzustände sich befinden, d.h. auch einen kleinen Winkel relativ zu der Längsachse der Elektroden aufweisen E1 bis En. In Fig. 14b ist veranschaulicht, wie eine zur Einstellung eines Polarisationsgitters geeignete Vororientierung durch Ansteuerung des schaltbaren Orientierungsmittels erzeugt werden kann. Angelegt wird zwischen jeweils übereinander liegenden Elektroden E1 bis En auf dem oberen und unteren Substrat ein out-of-plane Feld. Das schaltbare Orientierungsmittel stellt abhängig vom Vorzeichen der elektrischen Spannung eine Drehung der Vorzugsorientierung der LC Moleküle an der Oberfläche um einen kleinen Winkel ein, entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Für ein
Polarisationsgitter wird eine Drehung der LC Moleküle um 180 Grad innerhalb einer Gitterperiode benötigt, also von der Nullstellung aus für eine halbe Gitterperiode eine Drehung im Uhrzeigersinn und für die andere halbe Gitterperiode eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Fig. 14b zeigt ein Beispiel, in dem die einzustellende Gitterperiode genau dem Vierfachen des Elektrodenabstands entspricht. Im
Allgemeinen muss jedoch die Gitterperiode kein ganzzahliges Vielfaches des Elektrodenabstands sein.
Hier wird an jeweils 2 Elektroden eine positive out-of-plane Spannung (das heißt obere Elektrode auf +, gekennzeichnet mit 0+) und für die nächsten 2 Elektroden eine negative out-of-plane Spannung (obere Elektrode auf -, gekennzeichnet mit 0-) angelegt. Hierdurch wird das Orientierungsmittel angesteuert (beziehungsweise geschaltet) und die LC Moleküle werden ebenfalls um einen kleinen Winkel im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Durch elastische Kräfte zwischen den LC Molekülen werden auch die Moleküle zwischen den Elektroden mitbewegt.
Fig. 14c zeigt die Ausrichtung der LC, nachdem anschließend ein elektrisches in-plane Feld angelegt wird, um das Polarisationsgitter in der LC Schicht auszubilden. Je nach benötigtem lokalem Drehwinkel wird ein unterschiedliches hohes in-plane Feld zwischen zwei jeweils benachbarten Elektroden auf dem gleichen Substrat angelegt (schematisch gekennzeichnet in Fig. 14c mit I++ für ein hohes elektrisches Feld, l+ für mittleres elektrisches Feld und I0 für kein elektrisches Feld). Ein starkes in-plane Feld I++ ergibt dabei eine Drehung der LC Moleküle bis 90 Grad, ein schwächeres Feld l+ eine kleinere Drehung. Das in-plane Feld wirkt direkt auf die LC Moleküle zwischen den Elektroden. Durch elastische Kräfte werden auch die Moleküle genau über den Elektroden E1 bis En mitgedreht. Das Vorzeichen des inplane Feldes kann dabei frei gewählt werden, da es den Drehsinn der Orientierung nicht beeinflusst. Dieser wird nur von der in Fig. 14b gezeigten kleinen Vordrehung festgelegt.
Das zuvor Beschriebene ist eine mögliche Ausführungsform, die jedoch Nachteile aufweist. Insbesondere können die out-of-plane Felder zum Umschalten des Orientierungsmittels auch auf die LC Moleküle selbst wirken und diese ebenfalls aus der Ebene heraus orientieren, was störend wäre.
Fig. 15 zeigt daher ein Beispiel für LC Moleküle mit negativer dielektrischer Anisotropie, die sich senkrecht zum Feld orientieren. Hier ist die Oberflächenorientierung senkrecht zur Längsachse der im Wesentlichen linear ausgebildete Elektroden E1 bis En gewählt, siehe Fig. 15a. Ein durch ein out-of- plane Feld schaltbares Orientierungsmittel gibt wieder einen Drehsinn im oder gegen den Uhrzeigersinn vor, siehe Figur 15b. Wegen ihrer Tendenz, sich senkrecht zum Feld einzustellen, besteht aber nicht die Gefahr, dass die LC Moleküle durch das Feld aus der Ebene heraus orientiert werden. Fig. 15c zeigt die Situation bei aktiviertem Polarisationsgitter. Trotzdem haben diese Ausgestaltungen den Nachteil, dass die anzulegenden in-plane und out-of-plane Felder gegebenenfalls wechselseitig Störungen hervorrufen können.
Fig. 16 zeigt nach dem Stand der Technik ein schaltbares Orientierungsmittel mit einer Fringe Field (FFS) Elektrodenanordnung. In dem Dokument zum Stand der Technik wird diese Anordnung deswegen gewählt, weil geringere Spannungen zur Ansteuerung des Orientierungsmittels benötigt werden. Auf dem unteren Substrat GS gibt es eine Ground Elektrode GE und darüber eine Isolierschicht ISOL sowie streifenförmige Elektroden SE. An dem oberen Substrat GS ist ein fixer Alignmentlayer fAL angeordnet. Das out-of-plane Feld zwischen der Ground Elektrode GE und den streifenförmigen Elektroden SE erstreckt sich noch über das schaltbare Orientierungsmittel FLCP. Nach dem Stand der Technik wird das Orientierungsmittel FLCP innerhalb eines Pixels flächig geschaltet.
Fig. 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer flächigen Elektrode GE und - im Gegensatz zu herkömmlichem Fringe Field - individuell ansteuerbaren streifenförmigen Elektroden SE, in diesem Fall auf beiden Substraten GS. Wahlweise können aber die in-plane Elektroden SE auch nur auf einem Substrat GS angeordnet sein. Genutzt wird hier vorteilhaft die Tatsache, dass das out-of-plane Feld sich nicht weit in die LC Schicht NLC hinein erstreckt, dort also nicht stört. Durch die individuell ansteuerbaren Streifen-Elektroden SE kann das in-plane Feld eingestellt werden, um ein Polarisationsgitter mit einer vorgegebenen Gitterperiode einzustellen.
Fig. 18 (Schnitt durch die Anordnung Schichtstruktur-Simulationsdaten) zeigt schematisch den Verlauf von Äquipotentiallinien, um das Orientierungsmittel anzusteuern. In diesem Beispiel entspricht die einzustellende Gitterperiode dem 6 fachen Elektrodenabstand. Jeweils 3 Elektroden SE werden also im Vergleich zur flächigen Ground Elektrode GE auf negative Spannung und jeweils 3 auf positive Spannung gesetzt. Horizontal zu dem Substrat GS angeordnete Äquipotentiallinien entsprechen einer out-of-plane Komponente des Feldes. Wie zu sehen ist, gibt es über den Elektroden SE ein out of plane Feld.
Hierdurch wird für jeweils eine halbe Gitterperiode ein Drehsinn im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn vorgegeben.
Fig. 19 zeigt eine Ansteuerung mit im Wesentlichen in-plane Feldern (vertikal zu dem Substrat GS angeordnete Äquipotentiallinien) in der LC Schicht und out-of-plane Feldern (horizontale zu dem Substrat GS angeordnete Äqupotentiallinien) im Bereich des schaltbaren Orientierungsmittels. In Form von Nadeln ist schematisch die Orientierung der LC Moleküle eingezeichnet. Es ist zu sehen, dass die Nadelköpfe links aus der Bildebene herauszeigen und rechts in die Bildebene hinein zeigen, während in der Mitte die Nadeln LC parallel zur Bildebene liegen. Dies demonstriert die gewünschte Drehung der LC Moleküle um 180 Grad innerhalb einer eingestellten Gitterperiode.
Ein Feldverlauf wie in den Fig. 18 und 19 kann wahlweise nacheinander realisiert werden als zweistufige Ansteuerung, oder der Feldverlauf wie in Fig. 19 kann allein verwendet werden, da er ja für sich die benötigten out-of-plane und in-plane Felder enthält. In einer Vereinfachung der Ausgestaltung kann vorteilhaft auf die in-plane Elektroden des zweiten Substrates verzichtet werden. Hiermit entfällt die mechanische Ausrichtung beider Substrate zueinander. Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Zitierte Literatur:
[1 ] Ph. J. Martin, "Recent Patents on Liquid Crystal Alignment", Recent Patents on Material Science 2008, 1 , 21-28.
[2] L.M. Blinov, V.G. Chigrinov, "Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials", Springer Verlag, 1994.
[3] Jong-Hyun Kim, Makoto Yoneya & Hiroshi Yokoyama Tristable nematic liquid-crystal device using micropatterned surface alignment", Nature, 420, p.159-162, 2002
[4] S. Pancharatnam Proc.lnd.Acad. Sei, p.137, 1955
[5] L. Shi, P.F. MacManamon, P.J. Bos, "Liquid crystal optical phase plate with variable in-plane gradient", J. Appl. Phys., 104, 0033109, 2008
[6] L. Komitov, Journal of the SID 2008, p. 919-925
[7] J. E. Stockley, S. A. Serati, G. D. Sharp, P. Wang, K. F. Walsh and K. M. Johnson "Broadband beam steering", Proc SPIE Vol. 3131 , 1997

Claims

Patentansprüche
1. Lichtmodulator für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler Bildinhalte, wobei der Lichtmodulator zwei gegenüberliegende Substrate (GS) und Elektroden (SE) aufweist, wobei zwischen den zwei Substraten (GS) mindestens eine Schicht (NLC) mit Liquid Crystals vorgesehen ist, wobei auf der der Schicht (NLC) mit Liquid Crystals zugewandten Oberfläche des Substrats (GS) ein Orientierungsmittel (FLCPO, FLCPU) zur vorgebbaren Ausgangsorientierung (VR1 ) der Liquid Crystals vorgesehen ist, wobei die Orientierung der Liquid Crystals in einem vorgegebenen Bereich durch ein von den Elektroden erzeugtes elektrisches Feld beeinflussbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Orientierungsmittel (FLCPO, FLCPU) einstellbar ausgeführt und derart einstellbar ist, dass hierdurch die Ausgangsorientierung (VR1 ) der Liquid Crystals veränderbar ist und dass bei veränderter Ausgangsorientierung (VR2) der Liquid Crystals die Orientierung der Liquid Crystals durch ein elektrisches Feld derart beeinflussbar ist, dass hierdurch die Orientierung der Liquid Crystals außerhalb des vorgegebenen Bereichs orientierbar sind oder dass hierdurch die Ausgangsorientierung (VR1 , VR2) der Liquid Crystals in Abhängigkeit des Orts vorgebbar einstellbar ist.
2. Lichtmodulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Orientierungsmittel (FLCPO, FLCPU) derart einstellbar ist, dass die Liquid Crystals in einer deterministischen Weise verdrehbar sind.
3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch regelmäßig angeordnete Pixel, wobei die Pixel derart ausgebildet sind, dass die Phase des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts veränderbar ist, wobei vorzugsweise mit einem Pixel das mit dem Pixel wechselwirkende Licht über den gesamten Querschnitt des Pixels im Wesentlichen in gleicher Weise modulierbar ist.
4. Lichtmodulator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine reflektive Arbeitsweise, bei welcher die Schicht (NLC) der Liquid Crystals die Funktion einer variablen λ/2-Platte realisieren, wobei zu modulierendes zirkulär polarisiertes Licht die Liquid Crystals und eine der Schicht (NLC) der Liquid Crystals nachgeordnete λ/4-Platte durchläuft und von einer reflektierenden Schicht reflektiert wird und die λ/4-Platte sowie die Schicht (NLC) der Liquid Crystals erneut durchläuft.
5. Lichtmodulator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine reflektive Arbeitsweise, bei welcher die Schicht (NLC) der Liquid Crystals die Funktion einer variablen λ/4-Platte realisieren, wobei zu modulierendes zirkulär polarisiertes Licht die Liquid Crystals durchläuft und von einer reflektierenden Schicht reflektiert wird und die Schicht (NLC) der Liquid Crystals erneut durchläuft.
6. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nahezu über den gesamten Querschnitt eines Pixels des Lichtmodulators ein im Wesentlichen konstanter Phasenwert des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts einstellbar ist.
7. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Phasendeflektor, wie er als Beugungseinrichtung in der PCT/EP2010/058625 beschrieben ist oder wie er als Beugungseinrichtung in einem der Ansprüche 1 bis 36 der PCT/EP2010/058625 beschrieben ist und in welche eine
Beugungsstruktur variabler Periode einschreibbar ist.
8. Lichtmodulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Substrat im Wesentlichen linear ausgebildete Elektroden (E1 bis En) und/oder eine flächige Elektrode vorgesehen ist.
9. Lichtmodulator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberflächenorientierung derart eingestellt ist, dass die Liquid Crystals in einer ersten lokalen Region des Lichtmodulators im Wesentlichen in eine vorgebbare erste Ausgangsorientierung (VR) ausgerichtet sind, dass die Liquid Crystals in einer zweiten lokalen Region des Lichtmodulators mit dem Orientierungsmittel in eine vorgebbare zweite Ausgangsorientierung (VR1 ) ausgerichtet sind, welche relativ zur ersten Ausgangsorientierung (VR) um einen ersten Winkel (-ε) geneigt orientiert ist, und dass die Liquid Crystals in einer dritten lokalen Region des Lichtmodulators mit dem Orientierungsmittel in eine vorgebbare dritte Ausgangsorientierung (VR2) ausgerichtet sind, welche relativ zur ersten Ausgangsorientierung (VR) im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Winkel und vom Betrag her im Wesentlichen dem ersten Winkel (-ε) entspricht.
10. Lichtmodulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare erste
Ausgangsorientierung der Liquid Crystals im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur
Oberflächennormalen eines Substrats ist.
1 1. Lichtmodulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare erste
Ausgangsorientierung der Liquid Crystals im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur Längsachse von im Wesentlichen linear ausgebildeten Elektroden (E1 bis En) ist.
12. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen von elektrischen Felder lokal unterschiedlicher Stärke und/oder Richtung die Liquid Crystals in einer vorgebbaren Weise derart orientierbar sind, dass eine kontinuierliche Winkelverteilung der Liquid Crystals zwischen 0 und 360 Grad bezüglich der Ausgangsorientierung bei einer variabel einstellbaren Gitterperiode einstellbar ist.
13. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor vorgesehen ist, mit welchem die aktuelle Temperatur des Lichtmodulators ermittelbar ist, um die ermittelte aktuelle Temperatur bei der Ansteuerung des Lichtmodulators zu berücksichtigen.
14. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen UV-Filter, um den Eintritt von UV-Licht in den Lichtmodulator zu verhindern und somit die chemische Alterung der Materialien des Lichtmodulators zu verlangsamen.
15. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass FLC Moleküle oder CNT direkt mit einem Polyimid-Orientierungsmittel - beispielsweise mittels einer funktionellen Gruppe - chemisch verbunden sind.
16. Display, insbesondere ein stereoskopisches oder ein holographisches Display, gekennzeichnet durch einen Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Verfahren zum Betreiben eines Lichtmodulators nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
a) Einstellen mindestens einer vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals und
gegebenenfalls einer mindestens einer vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals mit dem Orientierungsmittel,
b) Einstellen einer von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichenden
Orientierung und
c) - falls die von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichende Orientierung außerhalb des vorgegebenen Orientierungsbereichs der Liquid Crystals liegt - Einstellen einer vorgebbaren Ausgangsorientierung der Liquid Crystals mit dem Orientierungsmittel derart, dass die von der vorgebbaren Orientierung der Liquid Crystals abweichende Orientierung der Liquid Crystals einstellbar ist.
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