WO2013120904A1 - Doppelbrechender körper, strahlvereinigungsanordnung und verfahren zur herstellung eines doppelbrechenden körpers - Google Patents

Doppelbrechender körper, strahlvereinigungsanordnung und verfahren zur herstellung eines doppelbrechenden körpers Download PDF

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WO2013120904A1
WO2013120904A1 PCT/EP2013/052883 EP2013052883W WO2013120904A1 WO 2013120904 A1 WO2013120904 A1 WO 2013120904A1 EP 2013052883 W EP2013052883 W EP 2013052883W WO 2013120904 A1 WO2013120904 A1 WO 2013120904A1
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birefringent
components
optically anisotropic
matrix
optically
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PCT/EP2013/052883
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Gerald FÜTTERER
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Seereal Technologies S.A.
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    • G02B5/3008—Polarising elements comprising dielectric particles, e.g. birefringent crystals embedded in a matrix
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength

Definitions

  • the invention relates to a birefringent body, a method for producing a
  • birefringent body and an optical beam combining device for generating a complex-valued pixel comprising a light modulation device comprising an array of pixels, an optical retardation element, a birefringent plane plate, and a
  • Birefringence is a property of optically anisotropic materials. It causes the so-called ordinary beam in the birefringent material to move through the material without directional change when the light is incident on a birefringent material.
  • the pointing vector of the extraordinary ray can change direction when it is perpendicular to a birefringent material if the optical axis is neither parallel nor perpendicular to the incident ray.
  • the ordinary and extraordinary beams are distinguished by their direction of polarization, that is, their state of polarization, that is, the vibration of the electric field. This property can now be used for various optical applications.
  • Fields of application are optical elements for 3D displays, ie displays for the three-dimensional representation of scenes.
  • calcite or quartz For applications requiring large birefringent bodies, typically large faceplates, however, calcite or quartz plates are difficult to produce.
  • synthetic calcite crystals can be produced with sufficient purity with a diameter greater than 300 mm, the production costs are very high. It is to be expected that such synthetic calcite crystal plates in direct view display size can not become a mass product within the next ten years.
  • birefringent planar plates for three-dimensional display displays are used to generate complex pixels from two phase pixels of a spatial light modulator for holographic methods by means of an optical beam combination device.
  • a TE wave field perpendicular polarized light
  • a TM wave field parallel polarized light
  • Polarization - superimposed and thus achieved a beam combination which allows to generate a complex-valued pixel from two phase pixels.
  • volume gratings which are constructed in such a way that the corresponding light is applied to the
  • birefringent plane plate two such volume lattice defined, dependent on the distance of pixels to be merged, thickness at a defined distance from each other must be used become.
  • the use of birefringent plane plates as well as such (in the sense of a diffraction optically active) bulk gratings as optical beam combination arrangement is described in detail in WO 2010/149588 A1.
  • the production of optically active, ie diffractive, volume lattice is limited in terms of its thickness, often alignment layers are required for their production.
  • the spacers needed between two volume gratings must also be performed with high precision in order to achieve an error-free or error-free combination of two phase pixels into a complex-valued pixel usable for the holographic representation.
  • polarizers are required.
  • State of the art of such polarizers are, for example, fine metal meshes, which have a period significantly smaller ⁇ / 2.
  • the electrons that are inside the metallic lines can move freely along the lines, whereby the electrons are almost unable to move perpendicularly in the sense of a dipole oscillation.
  • This anisotropic electron mobility has the consequence that an electric field which oscillates parallel to the metal lines, subject to a high cross-section of the electrons, which thereby can be excited to dipole oscillations and thus cause a reflection of the incident radiation.
  • An electric field, however, which oscillates perpendicular to the metal lines, is subject to a low cross-section of the electrons, since these can not be excited to dipole oscillations and thus allow the incident radiation to pass with very little reflection.
  • a typical value of the transmission of the desired polarization of such polarization elements is 0.98, the value of the reflection of the orthogonal polarization being> 0.95.
  • the present invention is therefore based on the object, a birefringent body, a method for producing a birefringent body and an optical
  • Beam combining arrangement for generating a complex-valued pixel and a
  • an optical beam combining arrangement for generating complex-valued pixels for the three-dimensional representation of scenes is to be specified, which can also be implemented for large displays, ie displays larger than 45 inches, in the necessary dimensions and the required homogeneity.
  • a birefringent body contains components of an optically anisotropic, and thus birefringent, material.
  • Components are understood here as individual elements, particles or defined, spatially limited components.
  • these components are spatially aligned in an optically transparent matrix.
  • spatially similar orientation means that the optical axes of these components are aligned in a desired direction.
  • the components are usually solid in the optically transparent matrix, i. H. a matrix with a high transmittance, embedded.
  • the optically transparent matrix thus serves as a storage framework for the aligned components of the optically anisotropic, birefringent material. It is possible in an option that the matrix material is orientable depending on the polarization state.
  • the components of the optically anisotropic material are embedded in an optically transparent matrix which contains an optically inactive volume grating, wherein it is characteristic of the optically inactive volume grating that it is non-diffractive for all wavelengths of a light used. This implies that it can also be non-diffractive for the entire wavelength range of visible light.
  • the optically inactive volume grating described here is thus used for the corresponding wavelength range under so-called "off-Bragg" conditions and forms an artificial dielectric
  • the use under the "off-Bragg" condition can be related to angular and / or wavelength selectivity.
  • the optically inactive volume grating contains a periodic remote structure in at least one dimension with such a period that the Bragg diffraction condition can not be satisfied for all wavelengths of a light used and for the respective light incidence direction.
  • a periodic remote structure in at least one dimension with such a period that the Bragg diffraction condition can not be satisfied for all wavelengths of a light used and for the respective light incidence direction.
  • optically inactive volume lattice matrix supports the alignment of the components of the optically anisotropic, birefringent material.
  • even only the optically inactive volume lattice matrix leads to alignment of the optical axes of the components of the optically anisotropic, birefringent material.
  • the optically inactive volume grating is formed by a polymer produced by means of two-or multi-beam interference exposure.
  • the solidified material of the optically transparent matrix also has birefringent properties.
  • such matrix material with birefringent properties enhances the effect of birefringence of this through the matrix as well as the imbedded, birefringent components created in the matrix artificial dielectric.
  • Oriented embedding is not itself more birefringent, but not in shape
  • particles of high birefringence can be embedded, so that the resulting birefringence is significantly above the birefringence of the form, for example in the form of diffraction optical inactive volume lattice matrix can be introduced, ie by this itself or by the oriented embedding not even birefringent but not rotationally symmetric components in this.
  • polymerizable monomers and / or oligomers in particular polymerizable liquid crystals, also called liquid crystals (LC).
  • LC liquid crystals
  • the birefringent component itself can be polymerized, but it does not necessarily have to.
  • elliptical nanoparticles of different materials i.
  • different dielectric materials or metals, especially carbon nano-tubes are embedded.
  • An advantage is that in addition to the alignment of liquid crystal monomers, oligomers and / or polymers on diagonally to the surface molecules or the alignment of liquid crystal monomers, oligomers and / or polymers on the electric field of UV radiation,
  • the material of the optically transparent matrix and the components of the optically anisotropic material are chosen such that the effect of birefringence is maximized and the proportion of scattered light is minimized. This is the case in particular with a high miscibility of the matrix material with the components of the optically anisotropic material.
  • birefringent properties of Components of the optically anisotropic material can be changed by means of an electric field, so a corresponding control or regulating element by arranged on the birefringent body, preferably optically transparent formed, controllable electrodes can be realized.
  • a control or regulating element By such a control or regulating element, the deflection of the incident light can be changed by the birefringent body and thus, for example, fluctuations in a desired thickness of the birefringent body can be compensated or reacted to a changed wavelength of the incident light.
  • the components of the optically anisotropic birefringent material in the optically transparent matrix are spatially periodically similarly aligned. This means that, within a period, domains of defined size each have a different orientation or else that the orientation of the components of the optically anisotropic material changes continuously over a period. Thus, a targeted modulation of the birefringence within the birefringent body can be achieved. Such a periodic change in the similar orientation of the components of the optically anisotropic birefringent body is possible, depending on the manufacturing method, to achieve only in one direction, in several directions or in the entire space.
  • the components of the optically anisotropic birefringent material are arranged in a same region of the birefringent body in a plurality of defined directions, such that their refractive index ellipsoids are superimposed selectively in space.
  • the resulting refractive index body is a multiaxial.
  • an optical beam combining arrangement for generating a complex-valued pixel including a spatial light modulator having an array of pixels, an optical retarder, a birefringent plane plate and a polarizing element is characterized in that the birefringent plane plate is a birefringent body according to an embodiment of the above description and its thickness and / or other properties are formed such that the wave fields of two pixels of different polarization after passing through the birefringent plane plate to a complex-valued pixel are compatible.
  • a corresponding optical delay element which as a rule contains a delay structure coordinated with the arrangement of the pixels of the light modulation device, can be formed, for example, by a so-called structured half-wave plate; a polarization element which can be used here as an analyzer is, for example, a so-called 45 ° polarizer.
  • a polarizing filter also called "polarizer”
  • polarizer polarizing filter
  • Such a beam combining optical arrangement may have a structure such as e.g. is shown or described in FIGS. 5, 10 to 14, 17 or 21 of WO 2010/149588 A1.
  • Light modulation device to a complex pixel on the quality of the birefringent body, in particular its optical properties and its thickness depends.
  • Regulating element by which the birefringent properties of the body, and thus here the plane plate, can be influenced, are balanced. This influence can be done by means of an electric field.
  • controllable electrodes are arranged on the birefringent body as parallel as possible to the coding direction of a holographic display in which the optical beam combination arrangement is used.
  • the birefringent body used for the birefringent plane plate has a matrix with an optically inactive volume lattice of such a grating period ⁇ and a grating pitch angle ⁇ , that the illumination of this birefringent body for all wavelengths of a light used and with respect to the used direction of incidence of light can not be realized diff his. It is therefore worked exclusively under so-called "off-Bragg" conditions, the optically inactive
  • Volume grille does not deflect the incident light or at best to a small extent.
  • the grating pitch of the contained in the birefringent plane plate, optically inactive volume grating, ie the angle indicating the inclination of the grating with respect to the base of the plane plate is between 30 ° and 50 °.
  • the basis of the plane plate is here the the the
  • SLM Light modulation device facing surface of the plane plate.
  • a grating pitch which has a value in the range between 42 ° and 45 °, provided that the optical axes of the spatially similar aligned birefringent components embedded in the optically inactive volume grating are aligned along the lattice planes. This is usually the case when birefringent liquid crystals containing monomers, oligomers or polymers, in a monomer, oligomers or polymers-containing volume lattice material by two- or
  • Multi-beam interference exposure aligned and fixed.
  • the pixel spacings of individual colors (red, green, blue) of the light modulation device are birefringent depending on the lateral offset (shear distance s,) of their wavelengths Body chosen.
  • lateral offset spacing s, of their wavelengths Body chosen.
  • Openings and in particular the optical delay element to be adapted Preferably, the difference in the lateral offset introduced for the beam paths of different wavelengths in an optical beam combination arrangement according to the invention should be adjusted so that it is less than 5%.
  • an achromatically or apochromatically introduced i. regardless of the wavelength used, consistent beam displacement s can be achieved by choosing the components embedded in a matrix oriented, for example
  • birefringent not self-birefringent but not rotationally symmetric in shape.
  • a mixture of components may be embedded, with the dispersion of the individual embedded components of the mixture chosen to minimize the resulting dispersion.
  • the dispersion may be by oriented embedding
  • birefringent components realized birefringence compensating to be designed for the dispersion of the realized birefringence, so that an achromatic or
  • a layer stack of plane-parallel plates containing birefringent bodies according to the invention can be used for the realization of a low chromatic dispersion whose respective dispersions cancel each other out in the sum.
  • the optical beam combining arrangement includes means for adjusting the angle of incidence of the light used on the birefringent plane plate as a function of its wavelength such that the beam offset remains constant for all wavelengths as it passes through the beam uniformization array (BC).
  • BC beam uniformization array
  • Red, green and blue light can therefore impinge on the birefringent plane plate at slightly different angles of incidence so as to achieve the same beam offset even if the dispersion is present.
  • blue light at -5 deg, green light below 0 deg, i. perpendicular and red light at + 3 ° deg hit the birefringent plane plate.
  • optical components of a display device such as volume grating field lenses which diffract in compliance with the Bragg condition, can be designed for the slightly different exit angles present behind the birefringent plane plate, for example, to match all the colors in a focal point of the RGB multiplexing device. Focus field lens.
  • a further embodiment of the optical beam combination arrangement according to the invention additionally contains chromatic apodization filter diaphragms in order to obtain the lateral offset which arises when light of different wavelengths, for example red, green and blue for a colored representation of a three-dimensional scene, passes through the birefringent plane plate. to compensate.
  • chromatic apodization filter diaphragms may be located both at or near the plane of the light modulation device (SLM ) and thus before the entrance plane, as well as on the exit plane of the beam uniting element, which for example a
  • birefringent plane plate is located.
  • a preferred embodiment of the optical beam combination arrangement according to the invention comprises a further birefringent plane plate having a birefringent body according to one of the embodiments described above, wherein both birefringent plane plates are arranged rotated to each other and their thicknesses are formed such that the
  • Wave fields of two adjacent pixels of different polarization after passing through both birefringent plane plates substantially transition-free to a complex-valued pixel are compatible.
  • this arrangement is the most insensitive
  • birefringent plane plates i. E. two birefringent plane plates of the same thickness and the same embodiment of the birefringent body used.
  • Such an arrangement of birefringent plane plates is also called Savart plate or Savart double plate.
  • a possible embodiment of the optical beam combination arrangement according to the invention for beam combination of the wave fields of two phase pixels of different orientation to be combined results from the use of two similar, birefringent plane plates which are rotated by 90 ° to each other. These birefringent plane plates each have an optical axis of about 45 ° deg to the surface normal of their
  • a first wave field is laterally displaced.
  • a second wave field is laterally displaced, such that in the exit plane of the arrangement a substantially
  • Wave field by an amount in one direction in a second step, a polarization rotation of the wave fields of the two phase pixels to be united by means of a half-wavelength plate and finally in a third step in a second similar birefringent plane plate, compared to the first birefringent plane plate by 180 ° deg around the surface normal of the
  • Beam entrance surface is rotated, a lateral displacement of the second wave field by an equal amount in another direction. Again, it comes in the exit level of the Arrangement for a substantially transition-free association of the two wave fields, which propagate in a common direction.
  • the deflection angle introduced for the extraordinary beam with normal incidence of light on a birefringent body comprising components of an optically anisotropic, i. contains birefringent material whose refractive index ellipsoid is not a ball, that is, having at least two or three different major axes, depends on the amount of birefringence and the orientation of the optical axis to the surface normal. With fixed orientation of the optical axis, the sign of birefringence determines whether the deflection is toward or away from the optical axis. For example, at 43 ° deg to the surface normal held orientation of the optical axis of the pointing vector of the extraordinary beam is deflected in the presence of positive birefringence in the opposite direction, as would be the case for negative birefringence.
  • a birefringent body according to the invention which contains components of an optically anisotropic, birefringent material whose refractive index ellipsoid is not a sphere, ie which has at least two or three different principal axes, then, depending on the orientation of the refractive index ellipsoid used The pointing vectors of both input beams are laterally shifted, this being in different
  • birefringent bodies can be produced and used, the
  • Refractive index ellipsoids have two or three different major axes, the orientation of the refractive index ellipsoids with respect to the position in one with this
  • planar birefringent plates according to the invention containing birefringent bodies with different birefringent properties, in particular negative and positive birefringence, can be contained in a layer stack which fulfills optical functions.
  • Another advantage of the inventive generation of artificial birefringent bodies is to be able to optimize the birefringence for the wavelengths used, for example red-green-blue (RGB).
  • RGB red-green-blue
  • a layer stack of birefringent body according to the invention containing plane-parallel plates is used, which results in a low chromatic dispersion.
  • a preferred embodiment of a beam combination arrangement according to the invention therefore contains two birefringent plane plates, each of which has a stack of at least two
  • birefringent part plan plates containing birefringent body according to the invention comprise, of which in each case at least one part plan plate allows a negative and each at least one part plan plate a positive dispersion.
  • a lateral displacement of a wave field of three different wavelengths in a birefringent negative dispersion part plan plate according to the invention and in a second half step in a birefringent positive dispersion part plate according to the invention, or vice versa such that for three colors introduced shift as small as possible deviations from each other.
  • Half-wavelength plate both rotated by 180 ° deg to the first two birefringent part plan plates are arranged, creates a beam combination arrangement, with the wave fields of two adjacent pixels of different polarization after passing both
  • birefringent plane plates are substantially independent of dispersion and transition-free compatible to a complex-valued pixel.
  • the advantage of the solution according to the invention of an optical beam combination arrangement is that due to the use of the birefringent body according to the invention, such an arrangement can be made in sizes which are not possible with the previously used quartz or calcite plates as well as the optically active volume grating arrangements was problematic. In particular, this makes it possible to use sufficiently thick birefringent flat plates for 45-inch displays and larger. In addition, there is a great advantage in terms of manufacturing costs, in particular with regard to the use of quartz or calcite plates.
  • birefringent body in an optical beam combining arrangement a very high degree of freedom in terms of the generation of desired optical properties, in particular the magnitude and sign of birefringence and dispersion.
  • the optical delay element also has a birefringent body which
  • the optical delay element has a as described above,
  • the beam combination arrangement has a polarization element according to the invention, as will be described below.
  • a polarizing element of the invention comprises a birefringent body comprising components of an optically anisotropic, i. birefringent, containing materials that are spatially aligned in an optically transparent matrix embedded, wherein the components of the optically anisotropic material have metallic properties.
  • a boundary condition of such a polarization element are sufficiently freely movable charge carriers, such as electrons. The mobile charge carriers do not have to move within lines. It is sufficient to use a movement on nano-ellipsoids. If these ellipsoids are aligned, the function of a polarization-dependent reflection and transmission also results here.
  • a polarization element according to the invention can therefore also comprise a birefringent body according to the invention described above, wherein
  • Components of the optically anisotropic material have metallic properties.
  • the components of the optically anisotropic material comprise elliptical metallic nanoparticles and / or carbon nanotubes with metallic properties.
  • Carbon nanotubes can also be used as the material to be embedded, provided they allow sufficient charge carrier mobility. It should be noted that this depends on the shape of the carbon nanotubes and can vary between purely dielectric, semiconducting and metallic. Even if metallic carbon nano-tubes or metallic elliptical nano-particles are embedded, the resulting material is not metallic. It is also not electrically conductive, since the metallic property is present only in the embedded nano-particle and is limited to this.
  • a method of making a birefringent body according to the invention comprises the following steps: A matrix base material is coated with components of an optically anisotropic, i. birefringent, material mixed. As a rule, this mixture will be homogeneous at the end of the step. As the matrix base material while a material is selected, that after passing through the steps of
  • Method especially after an energy input, results in an optically transparent, solid matrix.
  • the components of the optically anisotropic material in the mixture are aligned spatially similar. This is done in contrast to making many optically active in terms of diffraction, i. the incident light used was diffractive, lattice without external alignment aids.
  • the matrix base material is solidified, including the spatially similar components. This step results in an optically transparent matrix with embedded, spatially similar components.
  • birefringent components that only maintain their alignment when the material of the optically transparent matrix is solidified.
  • conversion reactions take place in a particular embodiment of the method according to the invention for producing a birefringent body during the solidification of this matrix base material.
  • a monomer or oligomer can be polymerized.
  • Many other reactions are conceivable which lead to a solid, optically transparent matrix when energy is introduced, possibly in a corresponding environment. Oxidizing silicon or zinc would be examples here.
  • a distribution profile of the components of the optically anisotropic material is achieved by the steps of mixing the matrix base material with the components of the optically anisotropic material and / or aligning the components of the optically anisotropic material Material determined in the solidified matrix.
  • a homogeneous distribution of the birefringent components is generally desired.
  • the method according to the invention thus offers additional freedom compared with the use of quartz and calcite plates as birefringent bodies.
  • birefringent body is carried out the alignment of the components of the optically anisotropic material and / or the solidification of the matrix by means of a laser and / or an electric field and / or a magnetic field.
  • Such an electric and / or magnetic field is generated in such a way that outside the mixture of matrix base material and birefringent components magnets or electrodes are placed in the immediate vicinity of this mixture, so that the mixture is in the effective range of the electric and / or magnetic field.
  • the material is treated with the light of the laser over a large area or based on a defined pattern, which is determined by the desired internal structure of the matrix.
  • flood exposure means that the entire mixture is illuminated homogeneously and simultaneously - without the use of a masking device, the use of which illuminates only desired areas, or
  • the alignment of the components of the optically anisotropic material and / or the solidification of the matrix is carried out by two or multiple beam interference exposure. This can also be done by two different exposures, in which coherent beams are used within one exposure, but incoherent beams are used with each other, so that in each case a periodic structure is generated in two directions.
  • Two- or multi-beam interference can produce a spatial interference pattern which, for example, initiates a polymerization reaction at high dose entry sites.
  • the periodic structure of the resulting grating allows orientation of birefringent components.
  • a spatial interference pattern can also directly cause segregation of stored components. A fixation of this segregation can then take place, for example, with a two-dimensional incoherent UV exposure.
  • metal nanoparticles are moved into areas with low dose entry, ie in the dark areas of the interference pattern. Induced and permanent dipoles can also be spatially aligned in an interference pattern.
  • the exposure step is carried out with the aid of a master, that is to say a type of "master copy.”
  • a master that is to say a type of "master copy.”
  • This is a volume grating used as a mask of the same grating period as the one to be generated In which positions, for example, a master grating is illuminated with a plane wave and this is designed for a diffraction efficiency of approximately 50%, the zeroth and the first generated Diffraction order behind this a high contrast interference pattern, which is suitable to expose the starting mixture.
  • a (holographic) volume lattice material is homogeneously mixed with components of an optically anisotropic material.
  • the volume grating material When choosing the volume grating material, the optical effect of the grating in the otherwise usual, light-diffracting way does not matter; on the contrary, diffraction is to be prevented.
  • the use of such known materials allows to use known methods to build a corresponding volume lattice matrix, which serves as an orientation and storage framework or as an alignment matrix for the spatial alignment and embedding of the birefringent components.
  • the optically inactive volume lattice matrix can make up about 50% of the total volume. If the embedded components also align with each other, the proportion of the optically inactive volume lattice matrix serving as an alignment matrix can even be reduced to less than 25% of the total volume.
  • a polymerizable volume grating material having asymmetrical monomers and / or oligomers is exposed and polymerized by two- or multi-beam interference.
  • liquid crystal-containing components of the optically anisotropic material are used.
  • Liquid crystals thus assume the function of birefringence.
  • they are relatively easily influenced if the birefringent properties are to be changed by additionally used control or regulating elements.
  • Another advantage of such an embodiment is that in addition to the alignment of liquid crystal monomers, oligomers or polymers on diagonally to the surface standing molecules and / or the alignment of liquid crystal monomers, oligomers or polymers on the electric field of UV Radiation is an approach available, which allows you to align even thicker layers with high directional polarization.
  • the liquid crystals contained in the birefringent components can also be polymerized by an energy input. If appropriate, this allows a better fixation of the spatial orientation of these components, in particular with regard to the position of their optical axes, which have a direct influence on the birefringent properties of the body to be produced.
  • FIG. 1 shows the production of a birefringent body according to the invention by the generation of two alignment structures by successive exposure in a perspective view.
  • Figures 2a, 2b and 2c the preparation of two alignment structures by successive exposure in a plan view.
  • Fig. 3 is a side view of an optical beam combining assembly according to the invention comprising a plane plate incorporating a birefringent body according to the invention;
  • 4a and 4b is a plan view and a side view of an optical according to the invention
  • 5a, 5b and 5c are schematic illustrations (in projection in a plane and as a schematic plan view) of three possible variants of the beam combination of two phase pixels to be combined of different orientation when using an optical beam combination arrangement according to the invention;
  • 6a and 6b is a plan view and a side view of an optical according to the invention
  • red-green-blue (RGB) red-green-blue
  • a holographic bulk lattice material for example a sufficiently liquid photopolymer mixture (eg precursors of the following products, DuPont: HRF, Omnidex, Bayer Material Science: HX), is a PMMA, PVA or urethane-acrylate based photopolymer mixture , or a mixture which u. a.
  • a sufficiently liquid photopolymer mixture eg precursors of the following products, DuPont: HRF, Omnidex, Bayer Material Science: HX
  • a PMMA, PVA or urethane-acrylate based photopolymer mixture is a mixture which u. a.
  • Pre-polymer PN393 (Merk) and 1, 1, 1, 3,3,3,3-hexafluoroisopropanol acrylate contains, as matrix material with liquid crystals LC, for example E7, E8, E49, TL205 (Merck ), homogeneously mixed as components of an optically anisotropic birefringent material.
  • LC liquid crystals
  • composition of a useful holographic bulk lattice material i. one
  • a periodic structure is exposed in the considered volume.
  • the resulting by a polymerization levels are designated P1.
  • the period decreases with reduced exposure wavelength and with increasing angles between the recording beams.
  • the angle of the plan planes P1 is determined by the middle bisector of the recording beams.
  • another periodic structure is exposed in the considered volume. The case by a
  • Polymerization resulting levels are denoted by P2.
  • Both exposures E1 and E2 can occur simultaneously if, for example, two mutually incoherent lasers are used.
  • FIG. 2 shows the production of the planes P1 and P2 of two alignment structures by means of
  • the birefringent components containing the liquid crystals LC are thereby oriented in the volume lattice matrix VG and this matrix simultaneously serves as a storage framework in which the components containing liquid crystals LC are permanently fixed in this desired orientation.
  • a birefringent body according to the invention can also be realized over larger dimensions and in particular thicknesses d.
  • the volume grating VG thus created is optically inactive, transparent, and constitutes an artificial dielectric in the sense of diffraction. However, it contains the components distributed in this grating and spatially identically aligned, birefringent liquid crystals LC containing the birefringent properties of the resulting body to lend.
  • a birefringent body according to the invention produced by such a method and containing identically oriented, birefringent liquid crystals containing LC components which are firmly embedded in a transparent in the sense of a diffraction transparent volume lattice matrix VG is contained in a birefringent plane plate SP, which in turn an optical beam combination arrangement BC according to the invention is used to generate a complex-valued pixel.
  • a section of such an optical beam combination arrangement BC is shown in FIG. 3 in a side view.
  • the optical beam combination assembly BC includes a
  • Spatial light modulator SLM with an array of pixels Pi1 and Pi2, a half wave plate HWP which changes the polarization direction of the light of a part of the pixels Pi of the light modulation device SLM, a birefringent plane plate SP and a 45 ° polarizer WGP used as an analyzer.
  • Half-wavelength plate HWP has a structure which depends essentially on the dimensions of the columns Pi containing columns and lines of the light modulation device SLM.
  • the thickness d of the planar plate SP having the birefringent body is chosen such that the wave fields of two pixels Pi1, Pi2 of different polarization after passing through the birefringent plane plate SP are compatible with a complex-valued pixel PK, ie the extraordinary beam (parallel polarized light) TM when passing through the birefringent plane plate SP is laterally offset by one pixel width, and thus can interfere with output from this birefringent plane plate SP with the ordinary beam (perpendicular polarized light) TE.
  • the propagation direction of the interfering beams is substantially the same.
  • OPD optical path difference
  • Beam paths through an optical medium to avoid, especially if they are after the
  • FIGS. 4a and 4b show in schematic illustrations a possible variant of such an arrangement for the essentially transition-free optical beam combination of two phase pixels Pi1, Pi2 of different orientation to be combined, the two birefringent plane plates rotated by 90 ° to each other and having the body according to the invention SP1, SP2, each having an optical axis of about 45 ° deg to the surface normal.
  • FIG. 4 a shows a top view
  • FIG. 4 b shows a side view.
  • a first wave field is laterally displaced by the first birefringent plate SP1
  • a second wave field is laterally displaced by the second birefringent plate SP2 such that in the exit plane of the arrangement an association of the wave fields takes place, this advantageously centered on each other and spread in a common direction.
  • a polarization filter WGP is attached to the output of the device.
  • the TM polarized beam is the extraordinary beam with respect to the first birefringent face plate SP1
  • the TE polarized beam is the first
  • birefringent faceplate SP1 represents the ordinary ray, the pointing vector of the TM polarized ray is laterally displaced, but the pointing vector of the TE polarized ray is not.
  • birefringent plane plate SP1 has been moved, now without lateral displacement passes through the second birefringent plane plate SP2.
  • the rotation of the second birefringent plane plate SP2 to the first SP1 by 90 ° deg reverses the polarized on TE and TM rays
  • a situation of permutation of the displacement can also be achieved by a 180 ° deg rotation of the second birefringent plane plate SP2 by bringing an unstructured half-wavelength plate between two similar birefringent plane plates SP1, SP2.
  • the two displacements - each half the total amount - in the same plane and in opposite directions, ie. towards each other.
  • an arrangement is preferred which does not require an additional half-wavelength plate. This arrangement is therefore not shown figuratively here.
  • FIGS. 5a to 5c show a schematic illustration of three possible variants of
  • Beam union arrangement BC comprises one or two mutually rotated, the birefringent body according to the invention having, according to the level of
  • Light modulation device SLM containing the phase pixels Pi1 and Pi2 to be combined, arranged, birefringent plane plates SP1 and / or SP2, which each have an optical axis of about 45 ° deg to the surface normal.
  • a polarization filter WGP is arranged rotated at 45 ° deg to both output polarizations. Shown in FIGS. 5a to 5c, in addition to the position of the pixels Pi1 and Pi2, is the polarization of the individual and the combined pixel PK in front of the analyzer, ie before the polarization filter (not shown).
  • the optical beam combination arrangement BC contains only one birefringent plane plate SP.
  • the arrangement corresponds to the beam combination arrangement BC presented in FIG. While the wavefront of the first pixel Pi1 the birefringent plane plate SP without
  • the wavefronts of the pixels Pi1 and Pi2 are thereby merged, after passing through the beam combination arrangement BC, into a complex-valued pixel PK, which is in the projection from the beginning at the location of the first pixel Pi1.
  • a complex-valued pixel PK which is in the projection from the beginning at the location of the first pixel Pi1.
  • the optical beam combination arrangement BC contains two
  • birefringent plane plates SP1, SP2 which are mutually rotated by 180 ° deg around their surface normal, and in which an unstructured half-wavelength plate is arranged between both birefringent plane plates SP1 and SP2.
  • the wavefronts of both pixels Pi1 and Pi2 are deflected as described above, and the resulting complex-valued pixel PK is in the front projection halfway between the two pixels Pi1 and Pi2.
  • the beam combination is essentially done without differences in the difference, since the wave fields of both pixels have to cover the same distances.
  • the two birefringent plane plates SP1 and SP2 are mutually rotated by 90 ° around their surface normal. This corresponds to the optical beam combination arrangement BC of FIGS. 4a and 4b. Both birefringent plane plates SP1 and SP2 thereby each lead to a lateral offset of
  • a wherein the introduced by both plates offset s x and s y is perpendicular to each other. The relative offset is thus
  • This arrangement of two birefringent plane plates SP1, SP2 can be used as optical
  • Beam combiner BC are used to combine the phase values of two pixels Pi1, Pi2 to a complex value z of a complex pixel PK, which is freely selectable in phase and intensity.
  • the pixels Pi1, Pi2 to be merged no longer lie side by side in a conventional manner, but in the two directions x and y by
  • 2x
  • FIGS. 6a and 6b show in schematic illustrations a possible variant of an arrangement for essentially transition-free and dispersion-free or dispersion-poor optical beam combination of two phase pixels Pi 1, Pi2 of different orientation for different wavelengths used, for example red-green-blue (US Pat. RGB), which contains two birefringent plane plates SP1, SP2 containing the body according to the invention rotated by 90 ° and containing partial plan plates SP1T1, SP1T2, SP2T1, SP2T2, each having an optical axis of approximately 45 ° to the surface normal in a plan view ( Figure 6a) and in a side view ( Figure 6b).
  • RGB red-green-blue
  • This preferred embodiment of a beam combination arrangement BC thus comprises two birefringent plane plates SP1, SP2, each comprising a stack of two birefringent subplanes SP1T1, SP1 T2 and SP2T1, SP2T2 contain the birefringent bodies according to the invention, of which in each case a sub-plate SP1T1 and SP2T1 a negative and a part plate SP1T2 and SP2T2 allows a positive dispersion.
  • the second birefringent plane plate SP2 again contains a stack with a birefringent subplate SP2T1 negative dispersion and a
  • birefringent subplate SP2T2 positive dispersion but both rotated by 90 ° deg to first a stack of birefringent sub-plane plates SP1 T1, SP1T2 are arranged.
  • the different dispersion which otherwise occurs for different wavelengths is again eliminated or at least almost eliminated after passing through the two partial circuit plates SP2T1, SP2T2.
  • the wave fields of three colors red-green-RGB RGB two adjacent pixels Pi1, Pi2 different polarization after passing both birefringent plane plates SP1, SP2 essentially free of dispersion or dispersion as well as gang Kunststoff Kunststoffsok to a complex-valued pixel PK combine.
  • a birefringent body according to the invention can also be used as a polarization element WGP under the circumstances described above. Such can be in the
  • FIG. 7 explains the principle and mode of operation of a polarization element WGP according to the invention which contains a birefringent body in which metallic nano-particles or carbon nanotubes CNT are embedded. Within these particles CNT a sufficiently anisotropic mobility of charge carriers is made possible. As a result, the TM wave field, in which the electrons oscillate parallel to the mobility of the charge carriers of the metallic nano-particles or carbon nano-tubes CNT, undergoes a high interaction and is reflected. The TE wave field, in which the electrons perpendicular to the mobility of
  • Embodiments - as far as possible - are combined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen doppelbrechenden Körper, ein Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers sowie eine optische Strahlvereinigungsanordnung BC zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels PK. Es soll ein kostengünstig herstellbarer und in für großflächige Anwendungen nutzbarer doppelbrechender Körper sowie eine optische Strahlvereinigungsanordnung BC zur Erzeugung von komplexwertigen Pixeln PK für die dreidimensionale Darstellung von Szenen angegeben werden, die auch für große Displays in den notwendigen Dimensionen und der erforderlicher Homogenität realisierbar ist. Dies wird erreicht durch einen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, ein Verfahren bei dem ein Matrix-Grundmaterial mit Komponenten eines optisch anisotropen Materials vermischt, die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der Mischung räumlich gleichartig ausgerichtet werden und das Matrix-Grundmaterial unter Einschluss der räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten verfestigt wird, sowie eine optische Strahlvereinigungsanordnung BC, deren doppelbrechende Planplatte einen erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper SP aufweist.

Description

Doppelbrechender Körper, Strahlvereiniqunqsanordnunq und Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers
Die Erfindung betrifft einen doppelbrechenden Körper, ein Verfahren zur Herstellung eines
doppelbrechenden Körpers sowie eine optische Strahlvereinigungsanordnung zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels, die eine Lichtmodulationsvorrichtung, die eine Anordnung von Pixeln aufweist, ein optisches Verzögerungselement, eine doppelbrechende Planplatte und ein
Polarisationselement enthält.
Doppelbrechung ist eine Eigenschaft von optisch anisotropen Materialien. Sie führt dazu, dass sich bei senkrechtem Einfall von Licht auf ein doppelbrechendes Material der sogenannte ordentliche Strahl im doppelbrechenden Material ohne Richtungsänderung durch das Material hindurchbewegt. Der Pointing- Vektor des außerordentlichen Strahls kann hingegen beim senkrechten Einfall auf ein doppelbrechendes Material eine Richtungsänderung erfahren, wenn die optische Achse weder parallel noch senkrecht zum einfallenden Strahl ist. Der ordentliche und der außerordentliche Strahl unterscheiden sich durch ihre Polarisationsrichtung, also ihren Polarisationszustand, d.h., die Schwingung des elektrischen Feldes. Diese Eigenschaft kann nun für verschiedene optische Anwendungen genutzt werden. Ein
Anwendungsgebiet sind optische Elemente für 3D-Displays, also Displays für die dreidimensionale Darstellung von Szenen.
Bekannte doppelbrechende Materialien sind Kalzit oder Quarz. Für Anwendungen, die große doppelbrechende Körper, in der Regel große Planplatten, erfordern, sind jedoch Kalzit- oder Quarz- Platten schwierig herzustellen. Synthetische Kalzit-Kristalle können zwar mit ausreichender Reinheit mit einem Durchmesser größer 300 mm hergestellt werden, aber die Herstellungskosten sind sehr hoch. Es ist zu erwarten, dass solche synthetische Kalzit-Kristall-Platten in Direktsicht-Display-Größe innerhalb der nächsten zehn Jahre kein Massenprodukt werden können.
Doppelbrechende Planplatten für Displays zur dreidimensionalen Darstellung werden beispielsweise eingesetzt, um für holographische Verfahren mittels einer optischen Strahlvereinigungsanordnung komplexe Pixel aus zwei Phasen-Pixeln einer Lichtmodulationsvorrichtung (Spatial Light Modulator) zu erzeugen. Hierzu wird beispielsweise ein TE-Wellenfeld (senkrecht polarisiertes Licht) und ein TM- Wellenfeld (parallel polarisiertes Licht), die aus zwei Pixeln unterschiedlicher Phasen einer
Lichtmodulationsvorrichtung hervorgehen - oder aber zumindest Wellenfelder unterschiedlicher
Polarisation - übereinander geschoben und somit eine Strahlvereinigung erreicht, die es erlaubt, aus zwei Phasen-Pixeln einen komplexwertigen Pixel zu erzeugen.
Eine Alternative für in optischen Strahlvereinigungsanordnungen genutzte doppelbrechende Planplatten sind sogenannte Volumengitter, die so aufgebaut sind, dass das entsprechende Licht an den
Gitterebenen dieser dafür synthetisierten Volumengitter gebeugt wird. Um den Effekt einer
doppelbrechenden Planplatte zu erreichen, müssen jeweils zwei solcher Volumengitter definierter, vom Abstand der zu vereinigenden Pixel abhängiger, Dicke in definiertem Abstand zueinander eingesetzt werden. Die Nutzung von doppelbrechenden Planplatten wie auch solchen (im Sinne einer Beugung optisch aktiven) Volumengittern als optische Strahlvereinigungsanordnung wird ausführlich in der WO 2010/149588 A1 beschrieben. Die Herstellung optisch aktiver, also beugender, Volumengitter ist jedoch bezüglich ihrer Dicke limitiert, häufig werden Alignment-Schichten zu ihrer Herstellung benötigt. Zudem muss der zwischen zwei Volumengittern benötigte Abstandhalter ebenfalls in hoher Präzision ausgeführt werden, um eine fehlerfreie bzw. fehlerarme Vereinigung zweier Phasen-Pixel zu einem komplexwertigen für die holographische Darstellung nutzbaren Pixel zu erreichen.
Der Versuch, optisch aktive Volumengitter durch„Einlagerung" doppelbrechender Elemente zu optimieren bzw. - sofern diese schaltbar ausgeführt sind (siehe„Multiplexed holographic transmission gratings recorded in holographic polymer-dispersed liquid crystals: static and dynamic studies", Sebastien
Massenot, Jean-Luc Kaiser, Maria Camacho Perez, Raymond Chevallier, and Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, Applied Optics, Vol. 44, Issue 25, pp. 5273-5280 (2005)) - zusätzliche optische Zustände zu erzielen, führt zu einer sehr hohen Komplexität, da nach wie vor hochpräzise Anforderungen an die Volumengitter und ihr Herstellungsverfahren gestellt werden, um die jeweils gewünschten Beugungsbedingungen zu erzielen, und gleichzeitig das Zusammenspiel von doppelbrechenden Elementen mit dem optisch aktiven Volumengitter für die gewünschte Anwendung einzustellen.
Unter anderem für optische Strahlvereinigungsanordnungen werden ferner auch Polarisatoren benötigt. Stand der Technik solcher Polarisatoren sind beispielsweise feine Metallgitter, welche eine Periode deutlich kleiner λ/2 aufweisen. Die Elektronen, die sich innerhalb der metallischen Linien befinden, können sich entlang der Linien frei bewegen, wobei die Elektronen sich senkrecht dazu im Sinne einer Dipolschwingung nahezu nicht bewegen können.
Diese anisotrope Elektronenbeweglichkeit hat zur Folge, dass ein elektrisches Feld, welches parallel zu den Metalllinien schwingt, einem hohen Wirkungsquerschnitt der Elektronen unterliegt, welche dadurch zu Dipolschwingungen angeregt werden können und somit eine Reflexion der einfallenden Strahlung bewirken. Ein elektrisches Feld hingegen, welches senkrecht zu den Metalllinien schwingt, unterliegt einem niedrigen Wirkungsquerschnitt der Elektronen, da diese nicht zu Dipolschwingungen angeregt werden können und somit die einfallende Strahlung mit sehr geringer Reflexion passieren lassen. Ein typischer Wert der Transmission der Sollpolarisation solcher Polarisationselemente ist 0,98, wobei der Wert der Reflexion der dazu orthogonalen Polarisation > 0,95 ist.
Die Herstellung solcher Metallgitter ist jedoch relativ aufwendig. Ein alternatives Polarisationselement kostengünstig zu realisieren wäre deshalb wünschenswert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen doppelbrechenden Körper, ein Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers sowie eine optische
Strahlvereinigungsanordnung zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels und eines
Polarisationselements anzugeben und weiterzubilden, durch welche die vorgenannten Probleme adressiert werden. Insbesondere soll ein doppelbrechender Körper angegeben werden, der
kostengünstig und in großen Dimensionen hergestellt und als optisches Element in großflächigen Anwendungen wie Displays für die dreidimensionale Darstellung von Szenen eingesetzt werden kann. Des Weiteren soll eine optische Strahlvereinigungsanordnung zur Erzeugung von komplexwertigen Pixeln für die dreidimensionale Darstellung von Szenen angegeben werden, die auch für große Displays, also Displays größer 45 Zoll, in den notwendigen Dimensionen und der erforderlichen Homogenität realisierbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den diesem Anspruch folgenden Unteransprüchen hervor.
Ein doppelbrechender Körper enthält Komponenten eines optisch anisotropen, und folglich doppelbrechenden, Materials. Komponenten seien hier verstanden als einzelne Elemente, Partikel bzw. definierte, räumlich begrenzte Bestandteile.
Erfindungsgemäß sind diese Komponenten räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet. Dabei bedeutet in diesem Fall räumlich gleichartig ausgerichtet, dass die optischen Achsen dieser Komponenten in einer gewünschten Richtung ausgerichtet sind. Die Komponenten sind in der Regel fest in die optisch transparente Matrix, d. h. eine Matrix mit einem hohen Transmissionsgrad, eingebettet. Die optisch transparente Matrix dient folglich als Einlagerungsgerüst für die ausgerichteten Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials. Dabei ist es in einer Option möglich, dass das Matrixmaterial je nach Polarisationszustand orientierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Komponenten des optisch anisotropen Materials in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet, die ein optisch inaktives Volumengitter enthält, wobei für das optisch inaktive Volumengitter charakteristisch ist, dass es für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts nichtbeugend ausgebildet ist. Dies beinhaltet, dass es auch für den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts nichtbeugend ausgebildet sein kann. Das hier beschriebene optisch inaktive Volumengitter wird also für den entsprechenden Wellenlängenbereich unter sogenannten„off-Bragg"-Bedingungen genutzt und bildet ein künstliches Dielektrikum. Die Nutzung unter ,,off-Bragg"-Bedingung kann auf Winkel- und/oder Wellenlängenselektivität bezogen sein.
Das optisch inaktive Volumengitter enthält dabei eine in mindestens einer Dimension periodische Fernstruktur mit einer solchen Periode, dass für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichtes und für die jeweilige Lichteinfallsrichtung die Braggsche Beugungsbedingung nicht erfüllt werden kann. Eine solche, im Sinne einer Beugung optisch inaktive Volumengitter-Matrix unterstützt die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials. In besonderen Fällen führt sogar ausschließlich die optisch inaktive Volumengitter-Matrix zur Ausrichtung der optischen Achsen der Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials. In einer weiteren Ausführungsform wird das optisch inaktive Volumengitter durch ein mittels Zweioder Mehrstrahl-Interferenz-Belichtung erzeugtes Polymer ausgebildet. Dies erlaubt, mit einfachen Mitteln aus einem Gemisch von Monomeren und/oder Oligomeren sowie den Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials eine verfestigte, transparente, optisch inaktive Volumengitter-Matrix mit darin räumlich gleichartig ausgerichteten doppelbrechenden Komponenten zu erzeugen. Damit ist eine Ausrichtung der doppelbrechenden Komponenten ohne Zuhilfenahme einer Alignment-Schicht möglich, wobei auch Dicken bis in den mm-Bereich mit gleichbleibender Orientierung ausgerichtet werden können.
In einer weiteren Ausführungsform weist das verfestigte Material der optisch transparenten Matrix ebenfalls doppelbrechende Eigenschaften auf. Neben der Orientierungs- und Fixierungsfunktion, die eine solche Matrix innehat, erhöht ein solches Matrixmaterial mit doppelbrechenden Eigenschaften den Effekt der Doppelbrechung dieses durch die Matrix sowie die in der Matrix eingebetteten, räumlich gleichartig ausgerichteten, doppelbrechenden Komponenten geschaffenen künstlichen Dielektrikums.
Die orientierte Einbettung nicht selbst doppelbrechender, aber in der Form nicht
rotationssymmetrischer Komponenten mikroskopischer Ausdehnung, wie z.B. Glas-Ellipsoide mit Sub- Wellenlängenausdehnung, in ein Material mit sich unterscheidendem Brechungsindex ergibt eine Formdoppelbrechung. Formdoppelbrechung eines Körpers bedeutet an dieser Stelle, dass die Eigenschaft der Doppelbrechung dieses Körpers nicht durch dem Matrixmaterial oder den in der Matrix enthaltenen Komponenten innewohnende doppelbrechende Eigenschaften erzeugt wird, sondern dass durch die geometrische Form, innere Struktur und Anordnung der Komponenten in der Matrix bzw. der Matrix selbst doppelbrechende Eigenschaften erzeugt werden. Allein die Einbettung nicht selbst doppelbrechender Komponenten mikroskopischer Ausdehnung, wie z.B. Glas-Partikel mit Sub-Wellenlängenausdehnung, in ein periodisch strukturiertes Material mit sich unterscheidendem Brechungsindex ergibt ebenfalls eine Formdoppelbrechung, d.h. durch räumliche Separation und ohne zusätzliche Orientierung der eingebetteten Partikel, die beispielsweise auch kugelförmig sein können. Um mit einem solchen formdoppelbrechenden Körper optische Anwendungen realisieren zu können, muss dieser jedoch in wesentlich größerer Dicke erzeugt werden als der erfindungsgemäße doppelbrechende Körper, der Komponenten eines doppelbrechenden Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind. Steht aber ein solcher formdoppelbrechender Körper genügend hoher Schichtdicke zur Verfügung und bietet die Vorrichtung, in der ein solcher Körper eingesetzt werden soll, genügend Platz, so kann, je nach optischer Anwendung, auch mit reiner Formdoppelbrechung gearbeitet werden, beispielsweise um die Strahlvereinigung zu realisieren.
Um jedoch die für optische Anwendungen, wie beispielsweise zur optischen Strahlvereinigung, benötigte Schichtdicke eines doppelbrechenden Körpers möglichst gering zu halten, können Teilchen hoher Doppelbrechung eingebettet werden, so dass die resultierende Doppelbrechung deutlich über der Formdoppelbrechung liegt, welche durch eine, beispielsweise im Sinne einer Beugung optisch inaktive Volumengitter-Matrix eingeführt werden kann, d.h. durch diese selbst oder durch die orientierte Einbettung nicht selbst doppelbrechender aber nicht rotationssymmetrischer Komponenten in diese.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung enthalten die Komponenten des in die Matrix eingebetteten, optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials, in der Regel
mikroskopischer Ausdehnung, polymerisierbare Monomere und/oder Oligomere, insbesondere polymerisierbare Flüssigkristalle, auch liquid crystals (LC) genannt.
Polymerisierbare Flüssigkristalle und generell Monomere und Oligomere, die an sich zu
unsymmetrischen Polymer-Ketten polymerisieren, oder zur Polymerisation zu unsymmetrischen Polymer-Ketten tendieren, wenn eine Volumengitter-Matrix vorhanden ist, die eine Ausbildung einer Vorzugsrichtung bedingt, sind ein besonders bevorzugtes doppelbrechendes Material für diese in der optisch transparenten Matrix räumlich gleichartig ausgerichteten, eingebetteten Komponenten.
Dabei kann die doppelbrechende Komponente selbst polymerisiert werden, muss es aber nicht zwingend. Es können beispielsweise auch elliptische Nano-Partikel unterschiedlicher Materialien, d.h. beispielsweise unterschiedlicher dielektrischer Materialien oder auch Metalle, insbesondere auch Kohlenstoff-Nano-Röhrchen, eingebettet werden.
Ein Vorteil ist, dass neben der Ausrichtung von Flüssigkristall-Monomeren, -Oligomeren und/oder - Polymeren an schräg zur Oberfläche stehenden Molekülen oder der Ausrichtung von Flüssigkristall- Monomeren, -Oligomeren und/oder -Polymeren am elektrischen Feld von UV-Strahlung,
entsprechende doppelbrechende Komponenten auch in dickeren Schichten räumlich gleichartig ausrichtbar sind, d.h. ihre optischen Achsen auch in dickeren Schichten bzw. dickeren Körpern in einer gewünschten Richtung orientierbar sind, wobei für Displayanwendungen die Schichtdicke beispielsweise von d = 50 μιη bis zu d = 500 μιη betragen kann.
In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden das Material der optisch transparenten Matrix und die Komponenten des optisch anisotropen Materials so gewählt, dass der Effekt der Doppelbrechung maximiert und der Anteil an Streulicht minimiert ist. Dies ist insbesondere bei einer hohen Mischbarkeit des Matrixmaterials mit den Komponenten des optisch anisotropen Materials der Fall.
Hilfreich ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, bei der die Komponenten des optisch anisotropen Materials bezüglich ihrer doppelbrechenden Eigenschaften durch ein Steuerbzw. Regelelement veränderbar sind. Mögliche Steuer- bzw. Regelgrößen, durch die über ein entsprechendes Steuer- bzw. Regelelement Einfluss auf die doppelbrechenden Eigenschaften der Komponenten des optisch anisotropen Materials genommen werden kann, sind beispielsweise ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, ein Strahlungsfeld, insbesondere eine UV-Beleuchtung, oder ein auf den doppelbrechenden Körper ausgeübter Druck. Sollen die doppelbrechenden Eigenschaften der Komponenten des optisch anisotropen Materials mittels eines elektrischen Feldes verändert werden, so ist ein entsprechendes Steuer- bzw. Regelelement durch auf dem doppelbrechenden Körper angeordnete, vorzugsweise optisch transparent ausgebildete, ansteuerbare Elektroden realisierbar. Durch ein solches Steuer- bzw. Regelelement kann die Ablenkung des einfallenden Lichtes durch den doppelbrechenden Körper verändert werden und damit beispielsweise Schwankungen einer gewünschten Dicke des doppelbrechender Körpers ausgeglichen werden bzw. auf eine veränderte Wellenlänge des einfallenden Lichtes reagiert werden.
In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Komponenten des optisch anisotropen doppelbrechenden Materials in der optisch transparenten Matrix räumlich periodisch gleichartig ausgerichtet. Dies bedeutet, dass innerhalb einer Periode Domänen definierter Größe jeweils unterschiedlicher Ausrichtung bestehen oder aber, dass sich die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials über eine Periode definiert kontinuierlich verändert. Damit kann eine gezielte Modulation der Doppelbrechung innerhalb des doppelbrechenden Körpers erzielt werden. Eine solch periodische Änderung der gleichartigen Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen doppelbrechenden Körpers ist je nach Herstellungsverfahren möglich, nur in eine Richtung, in mehrere Richtungen bzw. im gesamten Raum zu erzielen.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden die Komponenten des optisch anisotropen doppelbrechenden Materials in einem selben Bereich des doppelbrechenden Körpers in mehreren definierten Richtungen angeordnet, derart, dass sich ihre Brechungsindex- Ellipsoide gezielt im Raum überlagern. Der hieraus resultierende Brechungsindex-Körper ist ein mehrachsiger.
In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe des Weiteren durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den diesem Anspruch folgenden Unteransprüchen hervor.
Demgemäß ist eine optische Strahlvereinigungsanordnung zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels, die eine Lichtmodulationsvorrichtung (Spatial Light Modulator), die eine Anordnung von Pixeln aufweist, ein optisches Verzögerungselement, eine doppelbrechende Planplatte und ein Polarisationselement enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelbrechende Planplatte einen doppelbrechenden Körper gemäß einer Ausführungsform der vorstehenden Beschreibung aufweist und ihre Dicke und/oder andere Eigenschaften derart ausgebildet sind, dass die Wellenfelder zweier Pixel unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren der doppelbrechenden Planplatte zu einem komplexwertigen Pixel vereinbar sind. Ein entsprechendes optisches Verzögerungselement, das in der Regel eine mit die Anordnung der Pixel der Lichtmodulationsvorrichtung abgestimmte Verzögerungsstruktur enthält, kann beispielsweise durch eine sogenannte strukturierte Halbwellenlängenplatte (Half wave plate) gebildet werden; ein hier einsetzbares Polarisationselement, das als Analysator nutzbar ist, ist beispielsweise ein sogenannter 45° Polarisator. Dabei liegt vor der doppelbrechenden Planplatte das Licht zweier zu vereinigender Pixel mit TE und TM Polarisation vor. Nach der doppelbrechenden Planplatte wird ein Polarisationsfilter (auch kurz „Polarisator" genannt) - hier für lineare Polarisation - angeordnet, dessen Achse maximaler Transmission genau die Winkelhalbierende der E-Felder der TE und TM Polarisation bildet, d.h. jeweils zu beiden um 45 ° deg gedreht ist.
Eine solche optische Strahlvereinigungsanordnung kann einen Aufbau aufweisen, wie er z.B. in den Fig. 5, 10 bis 14, 17 oder 21 der WO 2010/149588 A1 gezeigt bzw. beschrieben ist.
An dieser Stelle sei darauf verwiesen, dass die Vereinbarkeit der Wellenfelder zweier Pixel der
Lichtmodulationsvorrichtung zu einem komplexwertigen Pixel von der Qualität des doppelbrechenden Körpers, insbesondere von seinen optischen Eigenschaften und seiner Dicke, abhängig ist.
Schwankungen bezüglich dieser Eigenschaften können ggf. mittels eines oben beschriebenen Steuerbzw. Regelelements, durch das die doppelbrechenden Eigenschaften des Körpers, und folglich hier der Planplatte, beeinflusst werden können, ausgeglichen werden. Diese Beeinflussung kann mittels eines elektrischen Feldes erfolgen. Dafür werden ansteuerbare Elektroden auf dem doppelbrechenden Körper möglichst parallel der Kodierungsrichtung eines holographischen Displays, in welchem die optische Strahlvereinigungsanordnung eingesetzt wird, angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung weist der für die doppelbrechende Planplatte verwendete doppelbrechende Körper eine Matrix mit einem optisch inaktiven Volumengitter einer solchen Gitterperiode Λ und eines solchen Gitterneigungswinkels γ auf, dass die Beleuchtung dieses doppelbrechenden Körpers für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts und bezüglich der verwendeten Einfallsrichtung des Lichts nichtbeugend realisierbar ist. Es wird also ausschließlich unter sogenannten„Off-Bragg" Bedingungen gearbeitet; das optisch inaktive
Volumengitter beugt das einfallende Licht nicht oder allenfalls zu einem geringen Anteil.
Dabei ist es günstig, wenn der Gitterneigungswinkel des in der doppelbrechenden Planplatte enthaltenen, optisch inaktiven Volumengitters, also der Winkel, der die Neigung des Gitters in Bezug auf die Basis der Planplatte angibt, zwischen 30° und 50° beträgt. Die Basis der Planplatte sei hier die der
Lichtmodulationsvorrichtung (SLM) zugewandte Oberfläche der Planplatte. Besonders günstig ist ein Gitterneigungswinkel, der einen Wert im Bereich zwischen 42° und 45° aufweist, sofern die optischen Achsen der räumlich gleichartig ausgerichteten doppelbrechenden Komponenten, die im optisch inaktiven Volumengitter eingebettet sind, entlang der Gitterebenen ausgerichtet sind. Dies ist in der Regel der Fall, wenn doppelbrechende Flüssigkristalle, die Monomere, Oligomere oder Polymere enthalten, in einem Monomere, Oligomere bzw. Polymere enthaltenden Volumengittermaterial durch Zwei- oder
Mehrstrahlinterferenz-Belichtung ausgerichtet und fixiert werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung werden die Pixel-Abstände einzelner Farben (Rot, Grün, Blau) der Lichtmodulationsvorrichtung in Abhängigkeit des lateralen Versatzes (Shear-Distanz s,) ihrer Wellenlängen im doppelbrechenden Körper gewählt. Selbstverständlich müssen bei einer Wahl der Pixel-Abstände in Abhängigkeit vom lateralen Versatz ihre Wellenlängen im doppelbrechenden Körper auch die entsprechenden
Öffnungen und insbesondere das optische Verzögerungselement mit angepasst werden. Bevorzugt sollte die für die Strahlengänge unterschiedlicher Wellenlängen in einer erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung eingeführte Differenz des lateralen Versatzes so angeglichen werden, dass sie weniger als 5 % beträgt.
In einer besonderen Ausgestaltung kann ein achromatisch bzw. apochromatisch eingeführter, d.h. unabhängig von der verwendeten Wellenlänge gleichbleibender Strahlversatz s durch die Wahl der orientiert in eine Matrix eingebetteten Komponenten erreicht werden, die beispielsweise
doppelbrechend, nicht selbst doppelbrechend aber in der Form nicht rotationssymmetrisch sein können. So kann beispielsweise eine Mischung von Komponenten eingebettet werden, wobei die Dispersion der einzelnen eingebetteten Komponenten der Mischung so gewählt wird, dass die resultierende Dispersion minimiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Dispersion der durch orientierte Einbettung
doppelbrechender Komponenten realisierten Doppelbrechung kompensierend zur der Dispersion der realisierten Formdoppelbrechung ausgelegt werden, so dass ein achromatischer oder
apochromatischer Strahlversatz eingeführt wird.
Nicht zuletzt kann für die Realisierung einer geringen chromatischen Dispersion ein Schichtstapel aus erfindungsgemäße doppelbrechende Körper enthaltenden planparallelen Platten verwendet werden, deren jeweilige Dispersionen sich in der Summe aufheben.
In einer alternativen Ausführungsform enthält die optische Strahlvereinigungsanordnung Mittel, um den Einfallswinkel des verwendeten Lichts auf die doppelbrechende Planplatte in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge so anzupassen, dass der Strahlversatz beim Durchlaufen der Strahlvereini- gungseinigungsanordnung (BC) für alle Wellenlängen konstant bleibt.
Rotes, grünes und blaues Licht können somit unter leicht unterschiedlichem Einfallswinkel auf die doppelbrechende Planplatte auftreffen, um auch bei vorhandener Dispersion einen gleichen Strahlversatz zu realisieren. Beispielsweise kann blaues Licht mit - 5 ° deg, grünes Licht unter 0 ° deg, d.h. senkrecht und rotes Licht unter + 3 ° deg auf die doppelbrechende Planplatte auftreffen.
Der Stahlvereinigungsanordnung folgende optische Bauteile eines Anzeigegerätes, wie beispielsweise unter Einhaltung der Bragg-Bedingung beugende Volumengitter-Feldlinsen, können auf die leicht unterschiedlichen Austrittwinkel, die hinter der doppelbrechenden Planplatte vorliegen, ausgelegt werden, um beispielsweise alle Farben in einem Fokuspunkt der RGB-Multiplex-Feldlinse zu fokussieren.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung enthält zusätzlich chromatische Apodisations-Filter-Blenden, um den lateralen Versatz, der beim Durchgang von Licht unterschiedlicher Wellenlängen, beispielsweise von Rot, Grün und Blau für ein farbige Darstellung einer dreidimensionalen Szene, durch die doppelbrechende Planplatte entsteht, zu kompensieren. Zur Erläuterung solcher chromatischen Apodisations-Filter-Blenden enthaltenden Ausgestaltungen sein ebenfalls auf die WO 2010/149588 A1 verwiesen, siehe hierin insbesondere die Fig. 16. Die chromatischen Apodisations-Filter-Blenden können sich sowohl auf, beziehungsweise nahe der Ebene der Lichtmodulationsvorrichtung (SLM) und somit vor der Eintrittsebene, als auch auf der Austrittebene des den Strahl vereinigenden Elementes, welches beispielsweise eine
doppelbrechende Planplatte ist, befinden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung enthält eine weitere doppelbrechende Planplatte, die einen doppelbrechenden Körper gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweist, wobei beide doppelbrechenden Planplatten zueinander derart gedreht angeordnet sind und ihre Dicken derart ausgebildet sind, dass die
Wellenfelder zweier benachbarter Pixel unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren beider doppelbrechender Planplatten im Wesentlichen gangunterschiedsfrei zu einem komplexwertigen Pixel vereinbar sind. Damit ist diese Anordnung am unempfindlichsten gegenüber
Wellenlängenschwankungen und Einfallswinkelschwankungen. In der Regel werden hierfür zwei gleichartige doppelbrechende Planplatten, d.h. zwei doppelbrechende Planplatten gleicher Dicke und derselben Ausführungsform des doppelbrechenden Körpers, verwendet. Eine solche Anordnung doppelbrechender Planplatten wird auch Savart-Platte bzw. Savartsche Doppelplatte genannt.
Eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung zur Strahlvereinigung der Wellenfelder zweier zu vereinender Phasen-Pixel unterschiedlicher Orientierung ergibt sich durch die Verwendung zweier gleichartiger, um 90 ° deg zueinander gedrehter, erfindungsgemäß ausgeführter doppelbrechender Planplatten. Diese doppelbrechenden Planplatten weisen jeweils eine optische Achse von zirka 45 ° deg zur Flächen-Normalen ihrer
Strahleintrittsflächen auf. Durch die erste doppelbrechende Planplatte wird ein erstes Wellenfeld lateral verschoben. Durch die zweite doppelbrechende Planplatte wird ein zweites Wellenfeld lateral verschoben, derart, dass in der Austrittsebene der Anordnung eine im Wesentlichen
gangunterschiedsfreie Vereinigung der Wellenfelder erfolgt, wobei diese in vorteilhafter Weise zueinander zentriert sind und sich in eine gemeinsame Richtung ausbreiten.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung der Wellenfelder zweier zu vereinender Phasen-Pixel unterschiedlicher Orientierung führt in einem ersten Schritt in einer ersten doppelbrechenden Planplatte eine laterale Verschiebung des ersten
Wellenfeldes um einen Betrag in einer Richtung, in einem zweiten Schritt eine Polarisationsdrehung der Wellenfelder der beiden zu vereinenden Phasen-Pixel mittels einer Halbwellenlängenplatte und schließlich in einem dritten Schritt in einer zweiten gleichartigen doppelbrechenden Planplatte, die im Vergleich zur ersten doppelbrechenden Planplatte um 180 ° deg um die Flächennormale der
Strahleintrittsfläche gedreht ist, eine laterale Verschiebung des zweiten Wellenfeldes um einen gleichen Betrag in einer anderen Richtung ein. Auch hier kommt es in der Austrittsebene der Anordnung zu einer im Wesentlichen gangunterschiedsfreien Vereinigung der beiden Wellenfelder, die sich in eine gemeinsame Richtung ausbreiten.
Der für den außerordentlichen Strahl eingeführte Ablenkwinkel bei senkrechtem Einfall des Lichtes auf einen erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, d.h. doppelbrechenden Materials enthält, dessen Brechungsindex-Ellipsoid keine Kugel ist, d.h., das zumindest zwei oder auch drei unterschiedlich große Hauptachsen aufweist, hängt vom Betrag der Doppelbrechung und von der Orientierung der optischen Achse zur Flächennormalen ab. Bei fest gehaltener Orientierung der optischen Achse bestimmt das Vorzeichen der Doppelbrechung, ob die Ablenkung zur optischen Achse hin oder von dieser weg erfolgt. Beispielsweise wird bei 43 ° deg zur Flächennormalen fest gehaltener Orientierung der optischen Achse der Pointing-Vektor des außerordentlichen Strahls im Falle vorliegenden positiver Doppelbrechung in entgegen gesetzter Richtung abgelenkt, als dies für negative Doppelbrechung der Fall wäre.
Wird ein erfindungsgemäßer doppelbrechender Körper verwendet, der Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials enthält, dessen Brechungsindex-Ellipsoid keine Kugel ist, d.h., das zumindest zwei oder auch drei unterschiedlich große Hauptachsen aufweist, so können in Abhängigkeit von der verwendeten Orientierung des Brechungsindex-Ellipsoids auch die Pointing- Vektoren beider Eingangsstrahlen lateral verschoben werden, wobei dies in unterschiedliche
Richtungen und um unterschiedliche Beträge erfolgt. Die Auslegung dieses erfindungsgemäßen Körpers auf eine Strahlvereinigung muss dann entsprechend angepasst werden. Erfindungsgemäß können doppelbrechende Körper erzeugt und verwendet werden, deren
Brechungsindex-Ellipsoide zwei oder auch drei unterschiedlich große Hauptachsen aufweisen, wobei die Orientierung der Brechungsindex-Ellipsoide in Bezug auf die Lage in einer mit diesem
doppelbrechenden Körper oder auch mehreren dieser doppelbrechenden Körper erzeugten dünnen planparallelen Platte frei wählbar ist. Somit können erfindungsgemäße doppelbrechende Körper enthaltende planparallele Platten mit unterschiedlichen doppelbrechenden Eigenschaften, insbesondere negativer und positiver Doppelbrechung, in einem Schichtstapel enthalten sein, der optische Funktionen erfüllt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Erzeugung künstlicher doppelbrechender Körper besteht darin, die Doppelbrechung für die verwendeten Wellenlängen, beispielsweise Rot-Grün-Blau (RGB) optimieren zu können. Hierfür wird ein Schichtstapel aus erfindungsgemäße doppelbrechende Körper enthaltenden planparallelen Platten verwendet, der eine geringe chromatische Dispersion ergibt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Strahlvereinigungsanordnung enthält deshalb zwei doppelbrechende Planplatten, die jeweils einen Stapel mindestens zweier
doppelbrechender Teilplanplatten, die erfindungsgemäße doppelbrechende Körper enthalten, umfassen, von denen jeweils mindestens eine Teilplanplatte eine negative und jeweils mindestens eine Teilplanplatte eine positive Dispersion ermöglicht. Beim Passieren einer solchen Strahlvereinigungsanordnung erfolgt beispielsweise in einem ersten Halbschritt eine laterale Verschiebung eines Wellenfeldes dreier verschiedener Wellenlängen in einer erfindungsgemäßen doppelbrechenden Teilplanplatte negativer Dispersion und in einem zweiten Halbschritt in einer erfindungsgemäßen doppelbrechenden Teilplanplatte positiver Dispersion, oder umgekehrt, derart, dass die dadurch für drei Farben eingeführte Verschiebung möglichst geringe Abweichungen voneinander aufweist. Enthält nun die zweite doppelbrechende Planplatte nochmals einen Stapel mit einer solchen doppelbrechenden Teilplanplatte negativer Dispersion und einer solchen doppelbrechenden Teilplanplatte positiver Dispersion, die jedoch beide um 90 ° deg gedreht zur ersten einen Stapel doppelbrechender Teilplanplatten enthaltenden doppelbrechenden Planplatte angeordnet sind, oder aber mit einer zusätzlichen nach dem ersten Stapel mit den beiden doppelbrechenden Teilplanplatten negativer und positiver Dispersion angeordnete
Halbwellenlängenplatte beide um 180° deg gedreht zu den ersten beiden doppelbrechenden Teilplanplatten angeordnet sind, entsteht eine Strahlvereinigungsanordnung, mit der die Wellenfelder zweier benachbarter Pixel unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren beider
doppelbrechender Planplatten im Wesentlichen dispersionsunabhängig und gangunterschiedsfrei zu einem komplexwertigen Pixel vereinbar sind.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung einer optischen Strahlvereinigungsanordnung besteht darin, dass aufgrund der Nutzung des erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körpers eine solche Anordnung in Größen hergestellt werden kann, die mit den bislang genutzten Quarz- oder Kalzit- Platten wie auch den optisch aktiven Volumengitter nutzenden Anordnungen nicht möglich bzw. problematisch war. Insbesondere können hierdurch ausreichend dicke doppelbrechende Planplatten auch für 45-Zoll-Displays und größer genutzt werden. Zudem besteht insbesondere gegenüber der Nutzung von Quarz- oder Kalzit-Platten ein großer Vorteil bezüglich der Herstellungskosten.
Desweitere bedeutet die Nutzung des erfindungsgemäßen,„künstlich hergestellten"
doppelbrechenden Körpers in einer optischen Strahlvereinigungsanordnung ein sehr hohes Maß an Freiheit bezüglich der Erzeugung gewünschter optischer Eigenschaften, insbesondere des Betrags und des Vorzeichens der Doppelbrechung und der Dispersion.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung weist auch das optische Verzögerungselement einen doppelbrechenden Körper auf, der
Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind. Dies erlaubt es, die doppelbrechende Planplatten bzw. die Abfolge doppelbrechender Planplatten, die für die
erfindungsgemäße Strahlvereinigungsanordnung benötigt werden, und das optische
Verzögerungselement mit gleichartigen Verfahren nacheinander, ggf. sogar in einem Verfahren, herzustellen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlvereinigungsanordnung weist deshalb auch das optische Verzögerungselement einen wie oben beschriebenen,
erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper auf.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen
Strahlvereinigungsanordnung weist zudem ein erfindungsgemäßes Polarisationselement auf, wie es im Folgenden beschrieben wird.
In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird bezüglich des Polarisationselements die eingangs genannte Aufgabe nun des Weiteren durch die Merkmale des Anspruchs 23 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den diesem Anspruch folgenden Unteransprüchen hervor.
Demgemäß umfasst ein erfindungsgemäßes Polarisationselement einen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, d.h. doppelbrechenden, Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, wobei die Komponenten des optisch anisotropen Materials metallische Eigenschaften aufweisen. Eine Randbedingung eines solchen Polarisationselements sind hinreichend frei bewegliche Ladungsträger, wie beispielsweise Elektronen. Die beweglichen Ladungsträger müssen sich dabei nicht innerhalb von Linien bewegen. Es ist ausreichend, eine Bewegung auf Nano-Ellipsoiden zu verwenden. Sind diese Ellipsoide ausgerichtet, so ergibt sich auch hierbei die Funktion einer polarisationsabhängigen Reflexion und Transmission. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Polarisationselement deshalb auch einen oben beschriebenen erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper umfassen, wobei dessen
Komponenten des optisch anisotropen Materials metallische Eigenschaften aufweisen.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationselements umfassen die Komponenten des optisch anisotropen Materials elliptische metallische Nano-Partikel und/oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen mit metallischen Eigenschaften.
Es können somit beispielsweise metallische Nano-Partikel verwendet werden, welche innerhalb bzw. mittels eines Volumengitters ausgerichtet sind. Kohlenstoff-Nano-Röhrchen können ebenfalls als einzubettendes Material verwendet werden, insofern sie hinreichende Ladungsträgerbeweglichkeit ermöglichen. Dabei ist zu beachten, dass diese von der Form der Kohlenstoff-Nano-Röhrchen abhängt und zwischen rein dielektrisch, halbleitend und metallisch variieren kann. Auch wenn metallische Kohlenstoff-Nano-Röhrchen oder metallische elliptische Nano-Partikel eingebettet werden, so ist das resultierende Material nicht metallisch. Es ist auch nicht elektrisch leitend, da die metallische Eigenschaft nur im eingebetteten Nano-Partikel vorliegt und auf diesen beschränkt ist.
In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 25 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den diesem Anspruch folgenden Unteransprüchen hervor.
Demgemäß enthält ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers die folgenden Schritte: - Ein Matrix-Grundmaterial wird mit Komponenten eines optisch anisotropen, d.h. doppelbrechenden, Materials vermischt. In der Regel wird dieses Gemisch am Ende des Schrittes homogen sein. Als Matrix-Grundmaterial wird dabei ein Material gewählt, dass nach Durchlauf der Schritte des
Verfahrens, insbesondere nach einem Energieeintrag, in einer optisch transparenten, festen Matrix resultiert. - Durch die Einwirkung eines äußeren Feldes und/oder die Wechselwirkung mit dem Matrix- Grundmaterial werden die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der Mischung räumlich gleichartig ausgerichtet. Dies geschieht, im Gegensatz zur Herstellung vieler im Sinne einer Beugung optisch aktiver, d.h. das verwendete einfallende Licht beugender, Gitter ohne äußere Alignment- Hilfen. - Mittels eines weiteren Energieeintrags wird das Matrix-Grundmaterial unter Einschluss der räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten verfestigt. Dieser Schritt resultiert in einer optisch transparenten Matrix mit eingebetteten, räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers erfolgen mindestens zwei der drei Schritte:
- Vermischung des Matrix-Grundmaterials mit den Komponenten des optisch anisotropen Materials, Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials und Verfestigung der Matrix unter Einschluss der räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten zeitlich parallel oder teilweise zeitlich parallel. Häufig betrifft dies die Ausrichtung der
doppelbrechenden Komponenten, die erst dann ihre Ausrichtung beibehalten, wenn das Material der optisch transparenten Matrix verfestigt ist.
Je nach Wahl des Matrix-Grundmaterials laufen in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers während der Verfestigung dieses Matrix-Grundmaterials Umwandlungsreaktionen ab. So kann hierbei ein Monomer oder Oligomer polymerisiert werden. Viele andere Reaktionen sind denkbar, die unter Energieeintrag, ggf. in einer entsprechenden Umgebung, zu einer festen, optisch transparenten Matrix führen. Ein Durchoxidieren von Silizium oder Zink wären hier Beispiele.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers wird durch die Schritte der Vermischung des Matrix-Grundmaterials mit den Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder der Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials ein Verteilungsprofil der Komponenten des optisch anisotropen Materials in der verfestigten Matrix bestimmt. Wie schon erwähnt, wird in der Regel eine homogene Verteilung der doppelbrechenden Komponenten angestrebt. Es ist jedoch auch denkbar, ein nichthomogenes Verteilungsprofil zu realisieren, so dass innerhalb des doppelbrechenden Körpers die doppelbrechenden Eigenschaften moduliert werden können, falls die gewünschte Anwendung dies erfordert. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet hiermit eine zusätzliche Freiheit gegenüber der Nutzung von Quarz- und Kalzit-Platten als doppelbrechende Körper.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials bzw. die Verfestigung des Matrix-Grundmaterials zu realisieren.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
doppelbrechenden Körpers erfolgt die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder die Verfestigung der Matrix mittels eines Lasers und/oder eines elektrischen Feldes und/oder eines magnetischen Feldes. Ein solches elektrisches und/oder magnetisches Feld wird derart erzeugt, dass außerhalb der Mischung aus Matrix-Grundmaterial und doppelbrechenden Komponenten Magnete oder Elektroden in nächster Nähe dieser Mischung platziert werden, so dass sich die Mischung im Wirkbereich des elektrischen und/oder magnetischen Feldes befindet. Bei
Einsatz eines Laser zur Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder der Verfestigung der Matrix wird das Material großflächig oder anhand eines definierten Musters, dass durch die gewünschte innere Struktur der Matrix bestimmt wird, mit dem Licht des Lasers behandelt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers erfolgt die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen
Materials und/oder die Verfestigung der Matrix durch eine Flutbelichtung. Flutbelichtung bedeutet dabei, dass die gesamte Mischung homogen und gleichzeitig beleuchtet werden - ohne Nutzung einer Maskierungsvorrichtung, durch deren Einsatz nur gewünschte Bereiche beleuchtet, bzw.
Interferenzebenen im Raum und im zu belichtenden Material erzeugt würden. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder die Verfestigung der Matrix durch Zweioder Mehrstrahlinterferenz-Belichtung. Dies kann auch durch zwei verschiedene Belichtungen, bei denen innerhalb einer Belichtung jeweils kohärente Strahlen, untereinander jedoch inkohärente Strahlen genutzt werden, erfolgen, so dass jeweils eine periodische Struktur in zwei Richtungen erzeugt wird.
Eine Zwei- oder Mehrstrahlinterferenz kann ein räumliches Interferenzmuster erzeugen, welches beispielsweise an Orten mit hohem Dosiseintrag eine Polymerisationsreaktion anstößt. Die periodische Struktur des entstehenden Gitters ermöglicht eine Orientierung doppelbrechender Komponenten. Ein räumliches Interferenzmuster kann auch direkt eine Entmischung eingelagerter Komponenten bewirken. Eine Fixierung dieser Entmischung kann dann beispielsweise auch mit einer flächigen inkohärenten UV-Belichtung erfolgen. So werden beispielsweise, bedingt durch die Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld des Lichtes, Metall-Nano-Partikel in Bereiche mit geringem Dosiseintrag, d.h. in die dunklen Bereiche des Interferenzmusters, verschoben. Induzierte und permanente Dipole lassen sich ebenfalls in einem Interferenzmuster räumlich ausrichten.
Bei Nutzung solcher Belichtungsmethoden erfolgt in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Belichtungsschritt unter Zuhilfenahme eines Masters, also einer Art von„Kopiervorlage". Hierbei handelt es sich um ein als Maske genutztes Volumengitter derselben Gitterperiode wie das zu erzeugende, mit dem vorgegeben wird, an welchen Positionen die Mischung des Matrix-Grundmaterials und der doppelbrechenden Komponenten ein Energieeintrag durch die Belichtung erfolgen soll. Wird beispielsweise ein Master-Gitter mit einer Planwelle beleuchtet und ist diese auf einen Beugungswirkungsgrad von ca. 50 % ausgelegt, so erzeugt die nullte und die erste Beugungsordnung hinter diesem ein Interferenzmuster mit hohem Kontrast, welches geeignet ist, das Ausgangsgemisch zu belichten.
Eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers beinhaltet die folgenden Schritte:
Ein (holographisches) Volumengitter-Material wird mit Komponenten eines optisch anisotropen Materials homogen vermischt. Bei der Wahl des Volumengitter-Materials kommt es auf die optische Wirkung des Gitters in der sonst üblichen, das Licht beugenden Art und Weise nicht an, im Gegenteil, eine Beugung soll verhindert werden. Jedoch erlaubt es die Verwendung derart bekannter Materialien, bekannte Verfahren einzusetzen, um eine entsprechende Volumengitter- Matrix aufzubauen, die als Orientierungs- und Einlagerungsgerüst bzw. als Alignment-Matrix für die räumliche Ausrichtung und Einbettung der doppelbrechenden Komponenten dient.
- Durch Zwei- oder Mehrstrahl-Interferenzbelichtung mit einer solchen Periode, die zu einem
nichtbeugend ausgebildeten, also optisch inaktiven, Volumengitter für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts führt, werden zeitlich parallel die Komponenten des optisch anisotropen Materials räumlich gleichartig ausgerichtet und das Volumengittermaterial verfestigt, wobei die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der dabei entstehenden, optisch inaktiven Volumengitter-Matrix gleichartig ausgerichtet fixiert werden. Die oben zitierten, bekannten
Materialien werden also in einer Art und Weise verwendet, dass keine Beugung stattfindet: Obwohl ein Volumengitter mit den üblichen Verfahren belichtet wird, so ist dieses aufgrund der Wahl der Gitterperiode und der Belichtungsrichtung in Bezug auf die Wellenlängen eines zu Verwendung vorgesehenen Lichtes, ggf. des gesamten Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts, sowie bezüglich dessen Einfallsrichtung nichtbeugend ausgebildet. In keinem Fall werden also die Braggsche Beugungsbedingungen erfüllt. Das so geschaffene Volumengitter ist folglich optisch inaktiv im Sinne einer Beugung und stellt ein künstliches Dielektrikum dar. Es beinhaltet jedoch die in diesem Gitter verteilten und räumlich gleichartig ausgerichteten doppelbrechenden Komponenten, die dem so entstandenen Körper seine doppelbrechenden Eigenschaften verleihen.
Die optisch inaktive Volumengitter-Matrix kann dabei etwa 50% am gesamten Volumen ausmachen. Richten sich die eingebetteten Komponenten auch aneinander aus, so kann der Anteil der als Alignment-Matrix dienenden optisch inaktiven Volumengitter-Matrix am Gesamtvolumen sogar auf unter 25% gebracht werden.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers wird ein polymerisierbares, unsymmetrische Monomere und/oder Oligomere aufweisendes Volumengitter-Material durch Zwei- oder Mehrstrahl-Interferenz belichtet und polymerisiert.
Des Weiteren werden in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Flüssigkristalle enthaltende Komponenten des optisch anisotropen Materials eingesetzt. Flüssigkristalle übernehmen also die Funktion der Doppelbrechung. Zudem sind sie relativ leicht beeinflussbar, wenn durch zusätzlich verwendete Steuer- bzw. Regelelemente die doppelbrechenden Eigenschaften verändert werden sollen.
Ein weiterer Vorteil einer solche Ausgestaltung ist, dass neben der Ausrichtung von Flüssigkristall- Monomeren, -Oligomeren bzw. -Polymeren an schräg zur Oberfläche stehenden Molekülen und/oder der Ausrichtung von Flüssigkristall-Monomeren, -Oligomeren bzw. -Polymeren am elektrischen Feld von UV-Strahlung eine Vorgehensweise zur Verfügung steht, welche es erlaubt, auch dickere Schichten mit hoher Richtungspolarisation auszurichten.
Dabei können in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers auch die in den doppelbrechenden Komponenten enthaltenen Flüssigkristalle durch einen Energieeintrag polymerisiert werden. Gegebenenfalls erlaubt dies eine bessere Fixierung der räumlichen Ausrichtung dieser Komponenten, insbesondere bezüglich der Lage ihrer optischen Achsen, die einen direkten Einfluss auf die doppelbrechenden Eigenschaften des herzustellenden Körpers haben.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden und/oder die oben beschriebenen Ausführungsformen - soweit möglich - miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 , 8 bzw. 18 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen.
In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Herstellung eines erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körpers durch die Erzeugung zweier Ausrichtungsstrukturen mittels nacheinander erfolgender Belichtung in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 2a, 2b und 2c die Herstellung zweier Ausrichtungsstrukturen mittels nacheinander erfolgender Belichtung in einer Draufsicht;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäße optische Strahlvereinigungsanordnung, die eine einen erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper enthaltende Planplatte aufweist;
Fig. 4a und 4b eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen
Strahlvereinigungsanordnung zur gang unterschiedsfreien Strahlvereinigung;
Fig. 5a, 5b und 5c schematische Abbildungen (in Projektion in eine Ebene sowie als schematischer Draufsicht) dreier möglicher Varianten der Strahlvereinigung zweier zu vereinender Phasen- Pixel unterschiedlicher Orientierung bei Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung;
Fig. 6a und 6b eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen
Strahlvereinigungsanordnung zur gangunterschiedsfreien und dispersionsfreien bzw.
dispersionsarmen Strahlvereinigung für verschiedene verwendete Wellenlängen, beispielsweise Rot-Grün-Blau (RGB)
Fig. 7 das Prinzip und die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Polarisationselements
Zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers wird ein holographisches Volumengitter-Material, beispielsweise ein hinreichend flüssiges Photopolymer-Gemisch (z.B. Vorstufen folgender Produkte, DuPont: HRF, Omnidex; Bayer Material Science: HX), ein PMMA, PVA oder Urethan-Acrylat basiertes Photopolymer-Gemisch, oder ein Gemisch, welches u. a. Pre-Polymer PN393 (Merk) und 1 ,1 ,1 ,3,3,3,3- Hexafluoroisopropanol-Acrylat (Sigma-Aldrich) enthält, als Matrix-Material mit Flüssigkristalle LC, beispielsweise E7, E8, E49, TL205 (Merck), enthaltenden Komponenten als Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials homogen vermischt. In WO 201 1/054792 A1 ist die
Zusammensetzung eines verwendbaren holographischen Volumengittermaterials, d.h. eines
Photopolymer-Gemisches beschrieben.
Anschließend werden durch zwei voneinander unabhängige und zueinander inkohärente Zweistrahl- Interferenzbelichtungen E1 und E2, jeweils mit einer solchen Richtung und Periode, die zu einem nichtbeugend ausgebildeten, also optisch inaktiven, Volumengitter für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts führt, zeitlich parallel die die Flüssigkristalle LC enthaltenden Komponenten räumlich gleichartig ausgerichtet und das Volumengittermaterial polymerisiert, wobei die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der dabei entstehenden, optisch inaktiven Volumengitter-Matrix gleichartig ausgerichtet fixiert werden.
Dabei wird in einer in der Fig. 1 gezeigten ersten Belichtung E1 (engl.: exposure, E1 ) in das betrachtete Volumen eine periodische Struktur belichtet. Die dabei durch eine Polymerisation entstehenden Ebenen sind mit P1 bezeichnet. Die Periode verringert sich mit verringerter Belichtungswellenlänge und mit steigendem Winkeln zwischen den Aufnahmestrahlen. Die Schräglage der planen Ebenen (engl.: plane) P1 wird durch die Mittelhalbierende der Aufnahmestrahlen bestimmt. In einer zweiten Belichtung E2 wird in das betrachteten Volumen eine weitere periodische Struktur belichtet. Die dabei durch eine
Polymerisation entstehenden Ebenen sind mit P2 bezeichnet. Beide Belichtungen E1 und E2 können gleichzeitig erfolgen, wenn beispielsweise zwei zueinander inkohärente Laser verwendet werden.
Die Fig. 2 zeigt die Herstellung der Ebenen P1 und P2 zweier Ausrichtungsstrukturen mittels
nacheinander erfolgender Belichtungen E1 und E2 in einer Draufsicht, wobei eine erste Belichtung E1 die in der Fig. 2a gezeigten ersten Ebenen P1 erzeugen, eine zweite Belichtung E2 die in der Fig. 2b gezeigten ersten Ebenen P2 erzeugen, die dann schließlich in der Erzeugung der in der Fig. 2c gezeigte Summenausrichtungsstruktur, also des im Sinne einer Beugung optisch inaktiven Volumengitters VG resultieren.
Diese Belichtungen sind im Vergleich zu solchen, mit denen ein im Sinne einer Beugung optisch aktives Volumengitter realisiert werden soll, wesentlich einfacher zu realisieren, da die Anforderungen an sie geringer sind. Die die Flüssigkristalle LC enthaltenden doppelbrechenden Komponenten werden dadurch in der Volumengittermatrix VG orientiert und diese Matrix dient gleichzeitig als Einlagerungsgerüst, in dem die Flüssigkristalle LC enthaltenden Komponenten in dieser gewünschten Orientierung dauerhaft fixiert werden. Dadurch ist ein solcher erfindungsgemäßer doppelbrechender Körper auch über größere Dimensionen und insbesondere Dicken d realisierbar. Das so geschaffene Volumengitter VG ist also im Sinne einer Beugung optisch inaktiv, transparent, und stellt ein künstliches Dielektrikum dar. Es beinhaltet jedoch die in diesem Gitter verteilten und räumlich gleichartig ausgerichteten, doppelbrechenden Flüssigkristalle LC enthaltenden Komponenten, die dem so entstandenen Körper seine doppelbrechenden Eigenschaften verleihen.
Ein mit einem solchen Verfahren hergestellter, erfindungsgemäßer doppelbrechender Körper, der gleichartig ausgerichtete, doppelbrechende Flüssigkristalle LC enthaltende Komponenten enthält, die in einer im Sinne einer Beugung optisch inaktiven, transparenten Volumengittermatrix VG fest eingebettet sind, ist in einer doppelbrechenden Planplatte SP enthalten, die wiederum in einer erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung BC zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels eingesetzt wird. Ein Ausschnitt einer solchen optischen Strahlvereinigungsanordnung BC ist in der Fig. 3 in einer Seitenansicht dargestellt. Die optische Strahlvereinigungsanordnung BC enthält eine
Lichtmodulationsvorrichtung (Spatial Light Modulator) SLM mit einer Anordnung von Pixeln Pi1 und Pi2, eine strukturierte Halbwellenlängenplatte (Half Wave Plate) HWP, die die Polarisationsrichtung des Lichts eines Teils der Pixel Pi der Lichtmodulationsvorrichtung SLM ändert, eine doppelbrechende Planplatte SP und einen 45° Polarisator WGP, der als Analysator verwendet wird. Die strukturierte
Halbwellenlängenplatte HWP weist eine Struktur auf, welche im Wesentlichen von den Maßen der die Pixel Pi enthaltenden Spalten und Zeilen der Lichtmodulationsvorrichtung SLM abhängt.
Dabei beträgt der Gitterneigungswinkel γ der Gitterebenen P1 der den doppelbrechenden Körper enthaltenden doppelbrechenden Planplatte SP, die senkrecht zu der in der Fig. 3 gezeigten
Ansichtsebene stehen, 43 ° deg, wobei der Gitterneigungswinkel γ die Neigung des Gitters in Bezug auf die Basis der doppelbrechenden Planplatte SP angibt. Für die Gitterebenen P2 parallel zu dieser Ansichtsebene beträgt er 90° deg. In beiden Richtungen sind die Perioden der Gitter so gewählt, dass für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts eine Beugung ausgeschlossen wird. Die Dicke d der den doppelbrechenden Körper aufweisenden Planplatte SP ist dabei derart gewählt, dass die Wellenfelder zweier Pixel Pi1 , Pi2 unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren der doppelbrechenden Planplatte SP zu einem komplexwertigen Pixel PK vereinbar sind, also der außerordentliche Strahl (parallel polarisiertes Licht) TM bei Durchlaufen der doppelbrechenden Planplatte SP um eine Pixelbreite lateral versetzt wird, und folglich nach Ausgang aus dieser doppelbrechenden Planplatte SP mit dem ordentlichen Strahl (senkrecht polarisiertes Licht) TE interferieren kann. Die Ausbreitungsrichtung der miteinander interferierenden Strahlen ist im Wesentlichen gleich.
Es gibt Anwendungen, für die eine Symmetrisierung des Strahlenganges vorteilhaft oder notwendig ist. Ziel ist es hier, einen optischen Gangunterschied (optical path difference) OPD zweier
Strahlengänge durch ein optisches Medium, zu vermeiden, insbesondere wenn sie nach dem
Durchlaufen des optischen Mediums, durch das beide Strahlengänge lateral versetzt werden, an einer definierten Position interferieren sollen. Dies ist gewünscht bei Anordnungen, die mit Licht geringer zeitlicher Kohärenz oder mit nicht an den lateralen Versatz eines Strahlengangs angepasster räumlicher Kohärenz betrieben werden können bzw. sollen. Eine einen optischen Gangunterschied vermeidende Symmetrisierung kann vor den Modulatorzellen, wie den Pixeln Pi einer räumlichen Lichtmodulationsvorrichtung SLM, also in einer Auflicht- oder in einer Durchlicht-Beleuchtungseinheit (Front light oder Back light BL) erfolgen.
Sie kann jedoch auch nach der Ebene einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung SLM durchgeführt werden, d.h. beispielsweise im Fernfeld. Dies wird bei optischen Strahlvereinigungsanordnungen BC regelmäßig genutzt.
Die Fig. 4a und 4b zeigen in schematischen Abbildungen eine mögliche Variante einer solche Anordnung zur im Wesentlichen gangunterschiedsfreien optische Strahlvereinigung zweier zu vereinender Phasen- Pixel Pi1 , Pi2 unterschiedlicher Orientierung, die zwei um 90 ° deg zueinander gedrehte, den erfindungsgemäßen Körper aufweisende, doppelbrechende Planplatten SP1 , SP2 enthält, wobei diese jeweils eine optische Achse von ca. 45 ° deg zur Flächennormalen aufweisen. Die Fig. 4a zeigt dabei eine Draufsicht (engl.: top view), während die Fig. 4b eine Seitenansicht (engl.: side view) darstellt. Es ist dargestellt, dass durch die erste doppelbrechende Platte SP1 ein erstes Wellenfeld lateral verschoben wird und dass durch die zweite doppelbrechende Platte SP2 ein zweites Wellenfeld lateral verschoben wird, derart, dass in der Austrittsebene der Anordnung eine Vereinigung der Wellenfelder erfolgt, wobei diese in vorteilhafter Weise zueinander zentriert sind und sich in eine gemeinsame Richtung ausbreiten. Um die Interferenzfähigkeit der zwei orthogonal polarisierten, zentrierten und sich in die gleiche Richtung ausbreitenden Wellenfelder zu ermöglichen, ist am Ausgang der Anordnung ein Polarisationsfilter WGP angebracht.
Werden als Eingangspolarisationen beispielsweise eine TE und eine TM Polarisation verwendet, und stellt der TM polarisierte Strahl in Bezug auf die erste doppelbrechende Planplatte SP1 den außerordentlichen Strahl dar, während der TE polarisierte Strahl in Bezug auf die erste
doppelbrechende Planplatte SP1 den ordentlichen Strahl darstellt, so wird der Pointing-Vektor des TM polarisierten Strahls lateral verschoben, der Pointing-Vektor des TE polarisierten Strahls jedoch nicht. Die Anordnung einer zweiten gleichartigen doppelbrechenden Planplatte SP2, wobei diese jedoch zur ersten um 90 ° deg um die Flächennormalen der Strahleintrittsfläche gedreht ist, bewirkt in Bezug auf die Orientierung zur betrachteten optischen Achse des doppelbrechenden Materials eine
Vertauschung von TE und TM Polarisation. Dies bedeutet, dass der Strahl, der beim Durchlaufen der ersten doppelbrechenden Planplatte SP1 nicht verschoben worden ist, nun in der zweiten
doppelbrechenden Planplatte SP2 verschoben wird und dass der Strahl, der in der ersten
doppelbrechenden Planplatte SP1 verschoben worden ist, nun ohne laterale Verschiebung die zweite doppelbrechende Planplatte SP2 durchläuft. Die Drehung der zweiten doppelbrechenden Planplatte SP2 zur ersten SP1 um 90 ° deg vertauscht dabei die auf TE und TM polarisierte Strahlen
angewandten Operationen, d.h. die Verschiebungen, welche hierbei jedoch in orthogonaler Richtung erfolgen.
Eine Situation der Vertauschung der Verschiebung kann auch durch eine 180 ° deg Drehung der zweiten doppelbrechenden Planplatte SP2 erreicht werden, indem zwischen zwei gleichartige doppelbrechende Planplatten SP1 , SP2 eine unstrukturierte Halbwellenlängenplatte gebracht wird. Hierbei erfolgen die beiden Verschiebungen - um jeweils den halben Gesamtbetrag - in derselben Ebene und in entgegengesetzten Richtungen, d.h. aufeinander zu. Im Sinne der Reduktion zu verwendender Bauteile ist eine Anordnung bevorzugt, welche eine zusätzliche Halbwellenlängenplatte nicht benötigt. Diese Anordnung ist hier deshalb nicht figürlich dargestellt.
Die Fig. 5a bis 5c zeigen eine schematische Abbildung dreier möglicher Varianten der
Strahlvereinigung zweier zu vereinender Phasen-Pixel Pi1 , Pi2 unterschiedlicher Orientierung bei Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung BC in einer in
Ausbreitungsrichtung der Strahlen projizierten Ansicht von vorn F, und von der Seite S. Die
Strahlvereinigungsanordnung BC umfasst dabei eine oder aber zwei zueinander gedrehte, den erfindungsgemäßen doppelbrechenden Körper aufweisende, nach der Ebene der
Lichtmodulationsvorrichtung SLM, die die zu vereinenden Phasen-Pixel Pi1 und Pi2 enthält, angeordnete, doppelbrechende Planplatten SP1 und/oder SP2, wobei diese jeweils eine optische Achse von ca. 45 ° deg zur Flächennormalen aufweisen. Ein Polarisationsfilter WGP ist dabei zu beiden Ausgangspolarisationen um 45 ° deg gedreht angeordnet. Dargestellt ist dabei in den Fig. 5a bis 5c, neben der Position der Pixel Pi1 und Pi2, die Polarisation der einzelnen und des vereinigten Pixels PK vor dem Analysator, d.h. vor dem (nicht gezeigten) Polarisationsfilter.
Im Falle der Fig. 5a enthält die optische Strahlvereinigungsanordnung BC nur eine doppelbrechende Planplatte SP. Die Anordnung entspricht der in der Fig. 3 vorgestellten Strahlvereinigungsanordnung BC. Während die Wellenfront des ersten Pixels Pi1 die doppelbrechende Planplatte SP ohne
Ablenkung passiert, wird die Wellenfront des senkrecht zu Pi1 polarisierten Pixels Pi2 beim Passieren der doppelbrechenden Planplatte SP abgelenkt. Bei entsprechend gewählter Dicke d der
doppelbrechenden Planplatte SP werden dadurch die Wellenfronten der Pixel Pi1 und Pi2 nach dem Durchlaufen der Strahlvereinigungsanordnung BC zu einem komplexwertigen Pixel PK vereinigt, der sich in der Projektion von vorn an der Stelle des ersten Pixels Pi1 befindet. Bei dieser Variante der optischen Strahlvereinigung besteht allerdings ein optischer Gangunterschied.
Im Falle der Fig. 5b hingegen enthält die optische Strahlvereinigungsanordnung BC zwei
doppelbrechende Planplatten SP1 , SP2, die zueinander um 180 ° deg um ihre Flächennormalen gedreht sind, und in der zwischen beiden doppelbrechenden Planplatten SP1 und SP2 eine unstrukturierte Halbwellenlängenplatte angeordnet ist.
Dadurch werden die Wellenfronten beider Pixel Pi1 und Pi2 abgelenkt, wie oben beschrieben, und das resultierende komplexwertige Pixel PK befindet sich in der Projektion von vorn auf halbem Abstand zwischen den beiden Pixeln Pi1 und Pi2. In diesem Falle ist die Strahlvereinigung im Wesentlichen gangunterschiedsfrei erfolgt, da die Wellenfelder beider Pixel gleiche Entfernungen zurückzulegen haben.
Im Falle der Fig. 5c sind die beiden doppelbrechenden Planplatten SP1 und SP2 zueinander um 90° um ihre Flächennormalen gedreht. Dies entspricht der optischen Strahlvereinigungsanordnung BC der Fig. 4a und 4b. Beide doppelbrechenden Planplatten SP1 und SP2 führen dadurch jeweils einen lateralen Versatz von |sx| = |sy| = |s-i | ein, wobei der durch beide Platten eingeführte Versatz sx und sy senkrecht zueinander erfolgt. Der relative Versatz ist somit
Figure imgf000023_0001
Diese Anordnung zweier doppelbrechender Planplatten SP1 , SP2 kann als optischen
Strahlvereinigungsanordnung (engl.: beam combiner) BC eingesetzt werden, um die Phasenwerte zweier Pixel Pi1 , Pi2 zu einem komplexen Wert z eines komplexen Pixels PK zu vereinen, der in Phase und Intensität frei wählbar ist. Die zu vereinenden Pixel Pi1 , Pi2 liegen dabei nicht mehr direkt in herkömmlicher Weise nebeneinander, sondern in den beiden Richtungen x und y um |sx| = |sy| = |s-i | und damit in Summe diagonal um | S2 |= 2x | S1 | versetzt. Eine solche Anordnung führt im Falle eines bezüglich der zu s2 senkrechten Richtung leicht schrägen Einfalls des Lichtes unter der Bedingung baugleicher doppelbrechender Planplatten SP1 , SP2 und |sx| = |sy| = |si | zu einem für beide Strahlengänge gleichlang bleibenden relativen optischen Weg, so dass der optische Gangunterschied beider Strahlen Null bleibt. Ein leichter Winkelfehler senkrecht zur Richtung der Strahlvereinigung wird somit in Bezug auf die zwischen zwei zu vereinenden Phasen- Pixeln vorliegende relative Phasenlage kompensiert.
Die Fig. 6a und 6b zeigen in schematischen Abbildungen eine mögliche Variante einer Anordnung zur im Wesentlichen gangunterschiedsfreien und dispersionsfreien bzw. dispersionsarmen optische Strahlvereinigung zweier zu vereinender Phasen-Pixel Pi 1 , Pi2 unterschiedlicher Orientierung für verschiedene verwendete Wellenlängen, beispielsweise Rot-Grün-Blau (RGB), die zwei um 90° zueinander gedrehte, den erfindungsgemäßen Körper aufweisende und Teilplanplatten SP1T1 , SP1T2, SP2T1 , SP2T2 enthaltende, doppelbrechende Planplatten SP1 , SP2 enthält, wobei diese jeweils eine optische Achse von ca. 45° zur Flächennormalen aufweisen in einer Draufsicht (Fig. 6a) und in einer Seitenansicht (Fig. 6b). Diese bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Strahlvereinigungsanordnung BC enthält also zwei doppelbrechende Planplatten SP1 , SP2, die jeweils einen Stapel zweier doppelbrechender Teilplanplatten SP1T1 , SP1 T2 sowie SP2T1 , SP2T2 die erfindungsgemäße doppelbrechende Körper enthalten, umfassen, von denen jeweils eine Teilplanplatte SP1T1 sowie SP2T1 eine negative und eine Teilplanplatte SP1T2 sowie SP2T2 eine positive Dispersion ermöglicht. Wie schon beschrieben, erfolgt beim Passieren einer solchen Strahlvereinigungsanordnung BC in einem ersten Halbschritt eine laterale Verschiebung eines Wellenfeldes dreier verschiedener Wellenlängen in einer erfindungsgemäßen doppelbrechenden Teilplanplatte SP1T1 negativer Dispersion und in einem zweiten Halbschritt in einer erfindungsgemäßen doppelbrechenden Teilplanplatte SP1T2 positiver Dispersion. Dadurch weisen die für drei Farben eingeführten Verschiebungen nur geringe
Abweichungen voneinander auf. Die zweite doppelbrechende Planplatte SP2 enthält nochmals einen Stapel mit einer doppelbrechenden Teilplanplatte SP2T1 negativer Dispersion und einer
doppelbrechenden Teilplanplatte SP2T2 positiver Dispersion, die jedoch beide um 90 ° deg gedreht zum ersten einen Stapel doppelbrechender Teilplanplatten SP1 T1 , SP1T2 angeordnet sind. Auch hier ist die sonst für verschiedene Wellenlängen auftretende unterschiedliche Dispersion nach dem Passieren der beiden Teilplanplatten SP2T1 , SP2T2 wieder beseitigt oder zumindest nahezu beseitigt. Damit ist es möglich, mit dieser Strahlvereinigungsanordnung BC die Wellenfelder dreier Farben Rot-Grün-Bau RGB zweier benachbarter Pixel Pi1 , Pi2 unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren beider doppelbrechender Planplatten SP1 , SP2 im Wesentlichen dispersionsfrei bzw. dispersionsarm sowie gangunterschiedsfrei zu einem komplexwertigen Pixel PK zu vereinen. Ein erfindungsgemäßer doppelbrechender Körper kann zudem unter den oben beschriebenen Umständen als Polarisationselement WGP genutzt werden. Ein solches kann in der
erfindungsgemäßen optischen Strahlvereinigungsanordnung, jedoch auch unabhängig davon eingesetzt werden. Die Fig. 7 erläutert das Prinzip und die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Polarisationselements WGP, das einen doppelbrechenden Körper enthält, in den metallische Nano- Partikel bzw. Kohlenstoff-Nano-Röhrchen CNT eingebettet sind. Innerhalb dieser Partikel CNT wird eine hinreichend anisotrope Beweglichkeit von Ladungsträgern ermöglicht. Dadurch unterliegt das TM-Wellenfeld, bei dem die Elektronen parallel zur Beweglichkeit der Ladungsträger der metallische Nano-Partikel bzw. Kohlenstoff-Nano-Röhrchen CNT schwingen, einer hohen Wechselwirkung und wird reflektiert. Das TE-Wellenfeld, bei dem die Elektronen senkrecht zur Beweglichkeit der
Ladungsträger der metallische Nano-Partikel bzw. Kohlenstoff-Nano-Röhrchen CNT schwingen, erfährt nur geringe Wechselwirkungen und kann das Polarisationselement WGP passieren.
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. Insbesondere könnten die oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Doppelbrechender Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, d.h. doppelbrechenden, Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optisch anisotropen Materials in einer ein optisch inaktives Volumengitter (VG) enthaltenden optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, wobei das optisch inaktive Volumengitter (VG) für alle Wellenlängen und Einfallswinkel eines verwendeten Lichts nichtbeugend ausgebildet ist.
2. Doppelbrechender Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten des optisch anisotropen Materials in der optisch transparenten Matrix fest eingebettet sind.
3. Doppelbrechender Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optisch anisotropen Materials bezüglich ihrer doppelbrechenden Eigenschaften durch ein Steuerbzw. Regelelement veränderbar sind.
4. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch inaktive Volumengitter (VG) durch ein mittels Zwei- oder Mehrstrahl-Interferenz-Belichtung erzeugtes Polymer ausgebildet ist.
5. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optisch transparenten Matrix ebenfalls doppelbrechende Eigenschaften aufweist.
6. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des in die Matrix eingebetteten, optisch anisotropen Materials polymerisierbare Monomere und/oder Oligomere enthalten.
7. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optisch transparenten Matrix und die Komponenten des optisch anisotropen Materials so gewählt sind, dass die Doppelbrechung maximiert und der Anteil an Streulicht minimiert ist.
8. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optisch anisotropen doppelbrechenden Materials räumlich periodisch gleichartig ausgerichtet in der optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind.
9. Doppelbrechender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optisch anisotropen doppelbrechenden Materials in einem selben Bereich des doppelbrechenden Körpers in mehreren definierten Richtungen angeordnet sind und sich deren Brechungsindex-Ellipsoide gezielt im Raum überlagern.
10. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) zur Erzeugung eines komplexwertigen Pixels, die eine Lichtmodulationsvorrichtung (SLM), die eine Anordnung von Pixeln (Pi) aufweist, ein optisches Verzögerungselement (HWP), eine doppelbrechende Planplatte (SP) und ein Polarisationselement (WGP) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelbrechende Planplatte (SP) einen doppelbrechenden Körper aufweist, der Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, oder einen doppelbrechenden Körper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, und ihre Dicke (d) und/oder andere Eigenschaften derart ausgebildet sind, dass die Wellenfelder zweier Pixel (Pi1 , Pi2) unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren der doppelbrechenden Planplatte (SP) zu einem komplexwertigen Pixel (PK) vereinbar sind.
1 1. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Körper eine Matrix mit einem optisch inaktiven Volumengitter (VG) einer solchen Gitterperiode (Λ) und eines solchen Gitterneigungswinkels (γ) aufweist, dass die Beleuchtung dieses doppelbrechenden Körpers für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts nichtbeugend realisierbar ist.
12. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterneigungswinkel (γ) der doppelbrechenden Planplatte (SP) in einem Bereich zwischen 30° und 50°, vorzugsweise zwischen 42° und 45°, liegt.
13. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel-Abstände einzelner Farben der Lichtmodulationsvorrichtung (SLM) in Abhängigkeit des lateralen Versatzes (s,) ihrer Wellenlängen im doppelbrechenden Körper gewählt werden.
14. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel enthält, um den Einfallswinkel des verwendeten Lichts auf die doppelbrechende Planplatte (SP) in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge so anzupassen, dass der Strahlversatz beim Durchlaufen der Strahlvereinigungseinigungsanordnung (BC) für alle Wellenlängen konstant bleibt.
15. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie chromatische Apodisations-Filter-Blenden enthält.
16. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine weitere doppelbrechende Planplatte (SP) enthält, die einen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, oder einen doppelbrechenden Körper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei beide doppelbrechenden Planplatten (SP1 , SP2) um ihre Flächennormalen so zueinander gedreht angeordnet sind, und ihre Dicken (d) derart ausgebildet sind, dass die Wellenfelder zweier benachbarter Pixel (Pi1 , Pi2) unterschiedlicher Polarisation nach dem Passieren beider
doppelbrechender Planplatten (SP1 , SP2) im Wesentlichen gangunterschiedsfrei zu einem komplexwertigen Pixel (PK) vereinbar sind.
17. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste doppelbrechende Planplatte (SP1 ) als auch die zweite doppelbrechende Planplatte (SP2) einen Stapel mindestens zweier doppelbrechender Teilplanplatten (SP1T1 , SP1T2, SP2T1 , SP2T2, ...) enthält, von denen jeweils mindestens eine Teilplanplatte eine negative und jeweils mindestens eine Teilplanplatte eine positive Dispersion ermöglicht.
18. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite doppelbrechende Planplatte (SP2) zur ersten doppelbrechenden Planplatte (SP1 ) um 90° deg um ihre Flächennormalen gedreht angeordnet ist.
19. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite doppelbrechende Planplatte (SP2) zur ersten doppelbrechenden Planplatte (SP1 ) um 180° deg um ihre Flächennormalen gedreht angeordnet ist, wobei zusätzlich zwischen der ersten (SP1 ) und der zweiten doppelbrechenden Planplatte (SP2) eine unstrukturierten Halbwellenlängenplatte angeordnet ist.
20. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelbrechenden Planplatten (SP1 , SP2) doppelbrechende Körper mit Komponenten mehrerer optisch anisotroper doppelbrechenden Materialien enthält, deren
Brechungsindex-Ellipsoide mindestens zwei unterschiedlich große Hauptachsen aufweisen.
21. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verzögerungselement (HWP) einen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials enthält, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind oder einen doppelbrechenden Körper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
22. Optische Strahlvereinigungsanordnung (BC) nach einem der Ansprüche 10 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Polarisationselement (WGP) gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23 enthält.
23. Polarisationselement (WGP) dadurch gekennzeichnet, dass es einen doppelbrechenden Körper, der Komponenten eines optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials, die räumlich gleichartig ausgerichtet in einer optisch transparenten Matrix eingebettet angeordnet sind, oder einen
doppelbrechenden Körper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei die Komponenten des optisch anisotropen Materials metallische Eigenschaften aufweisen.
24. Polarisationselement (WGP) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die
Komponenten des optisch anisotropen, doppelbrechenden Materials elliptische metallische
Nanopartikel und/oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (CNT) mit metallischen Eigenschaften umfassen.
25. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers, wobei
- ein Matrix-Grundmaterial mit Komponenten eines optisch anisotropen, d.h. doppelbrechenden, Materials vermischt wird,
- ohne Zuhilfenahme äußerer Alignmenthilfen durch die Einwirkung eines äußeren Feldes und/oder die Wechselwirkung mit dem Matrix-Grundmaterial die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der Mischung räumlich gleichartig ausgerichtet werden,
- mittels eines weiteren Energieeintrags das Matrix-Grundmaterial unter Einschluss der räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten verfestigt wird und in einer optisch transparenten Matrix mit eingebetteten, räumlich gleichartig ausgerichteten
Komponenten resultiert.
26. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der drei Schritte Vermischung des Matrix-Grundmaterials mit den Komponenten des optisch anisotropen Materials, Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und Verfestigung der Matrix unter Einschluss der räumlich gleichartig ausgerichteten Komponenten zeitlich parallel oder teilweise zeitlich parallel erfolgen.
27. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verfestigung des Matrix-Grundmaterials die Komponenten des optisch anisotropen Materials im Matrix-Grundmaterial fixiert werden.
28. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schritte der Vermischung des Matrix-Grundmaterials mit den Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder der Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials ein nichthomogenes Verteilungsprofil der Komponenten des optisch anisotropen Materials in der verfestigten Matrix bestimmt wird.
29. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder die Verfestigung der Matrix mittels eines Lasers und/oder eines elektrischen Feldes und/oder eines magnetischen Feldes erfolgt.
30. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder die Verfestigung der Matrix durch eine Flutbelichtung erfolgt.
31. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Komponenten des optisch anisotropen Materials und/oder die Verfestigung der Matrix durch Zwei- oder Mehrstrahlinterferenz-Belichtung erfolgt.
32. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt unter Zuhilfenahme eines Masters erfolgt.
33. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Volumengitter-Material mit Komponenten eines optisch anisotropen Materials homogen vermischt wird,
- durch Zwei- oder Mehrstrahl-Interferenzbelichtung mit einer solchen Periode, die zu einem nichtbeugend ausgebildeten, also optisch inaktiven, Volumengitter (VG) für alle Wellenlängen eines verwendeten Lichts führt, zeitlich parallel die Komponenten des optisch anisotropen Materials räumlich gleichartig ausgerichtet werden und das Volumengittermaterial verfestigt wird, wobei die Komponenten des optisch anisotropen Materials in der dabei entstehenden, optisch inaktiven
Volumengitter-Matrix gleichartig ausgerichtet fixiert werden.
34. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass ein polymerisierbares, unsymmetrische Monomere und/oder Oligomere aufweisendes Volumengitter-Material durch Zwei- oder Mehrstrahl-Interferenz belichtet und polymerisiert wird.
35. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optisch anisotropen Materials Flüssigkristalle (LC) aufweisen.
36. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Körpers nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristalle (LC) durch einen Energieeintrag polymerisiert werden.
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