WO2014016403A1 - Polarisationsgitter für schräge einfallswinkel - Google Patents

Polarisationsgitter für schräge einfallswinkel Download PDF

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WO2014016403A1
WO2014016403A1 PCT/EP2013/065784 EP2013065784W WO2014016403A1 WO 2014016403 A1 WO2014016403 A1 WO 2014016403A1 EP 2013065784 W EP2013065784 W EP 2013065784W WO 2014016403 A1 WO2014016403 A1 WO 2014016403A1
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liquid crystal
crystal layer
angle
polarization grating
light
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PCT/EP2013/065784
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Norbert Leister
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Seereal Technologies S.A.
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0808—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more diffracting elements
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering

Definitions

  • the invention relates to a polarization grating for diffractive light deflection with at least one liquid crystal layer on a substrate or between at least two substrates, wherein the liquid crystal molecules have a periodic change in their orientation.
  • the invention also relates to a
  • Light deflecting device in which at least one such polarization grating is included and a method for light deflection, which at least one such
  • Polarizing grid applies.
  • the invention relates to both reflective and transmissive polarization gratings, wherein reflective polarization gratings also as
  • Liquid crystal layers on a silicon substrate may be formed.
  • the invention also relates to a device for
  • Apparatus for directing solar radiation onto a photosensitive surface each containing at least one such polarization grating.
  • Diffractive Lichtablenkstoff have a wide range of applications. You can, for example, for passive and active beam or wave front shaping or
  • Beam associations or beam splitting can be made, as required for example in optical networks. For the tracking of a small viewer area, you can advantageously rely on the eyes of one
  • Polarization gratings for light deflection are diffraction gratings of fixed or variable grating period.
  • the grating period ⁇ determines the deflection angle ⁇ m:
  • ß m aresin sin (ia
  • m is an integer indicating the order of diffraction and ⁇ of the Einfallspp. Entry angle.
  • diffraction gratings may have a periodic surface structure (surface relief grating) or the optical properties may change periodically within the light-influencing layer.
  • the periodic optical properties may affect the amplitude and / or the phase and / or the polarization of the light.
  • the strength and the profile of the optical change determine at one
  • Diffraction grating with which diffraction efficiency the light is diffracted into the individual diffraction orders.
  • the diffraction efficiencies are also dependent on the angle of incidence in the polarization grating, since the effective optical properties change with the angle of incidence.
  • Polarizing gratings unlike, for example, surface relief gratings, have the property of being able to obtain nearly 100% diffraction efficiency in a single diffraction order.
  • polarization gratings can be formed as thin grids.
  • the term thin grating refers to that the thickness of the layer acting as a diffraction grating is smaller than its period. With a thick grating, the thickness of the layer acting as a diffraction grating is significantly larger than its period.
  • volume grid (Volume Bragg Grating), which has a narrow
  • This angular range can be, for example ⁇ 15 ° or ⁇ 20 °. Nevertheless, enough this is not enough for a number of applications.
  • Polarization gratings can be designed as passive gratings, as switchable grids of fixed grating period or as gratings controllable in their grating period.
  • the present invention relates primarily to switchable and controllable
  • Polarization grating but can also be applied to passive gratings.
  • Switchable grids with fixed grating period are often in a thin
  • LCPG liquid crystal layer
  • Liquid crystal material a positive or negative phase delay of the extraordinary beam to the ordinary beam, which is greatest when the light beam is perpendicular to the crystal optical axis.
  • Liquid crystal molecules in the liquid crystal layer or against each other can therefore be a phase change of the two partial beams to each other and thus the polarization state of the liquid crystal layer passing light can be achieved.
  • the desired orientation of the liquid crystal molecules can be adjusted, for example, in the preparation of the liquid-crystalline cell.
  • the grids have on one or both substrate sides alignment layers (alignment layer), which leads to a suitable alignment of the liquid crystal molecules in the active
  • Liquid crystal layer leads.
  • fixed grating period are the
  • Alignment layers are periodically structured according to the grid spacing, ie the grid period.
  • Such alignment layers can be prepared, for example, by polymerizing a photosensitive polymer by irradiation with a suitable exposure distribution, as described, for example, in US Pat. No. 7,196,758 B2 or in International Patent Application WO 2006/092 758 A2.
  • the liquid crystals align with their crystal-optical axes so that a periodic change in the polarization state of the transmitted light is achieved.
  • the alignment layers may also be patterned by patterning the alignment patterns using microstructured templates.
  • Switchable LCPGs with a fixed grating period have an electrode structure formed on the substrates. This can be designed flat or structured to allow a location-dependent switching. By applying a suitable voltage to the electrode structure, the through
  • Polarization grid ineffective, so that only light, the liquid crystal layer undistorted, i. in the 0th order of diffraction, leaves.
  • Passive polarizing gratings can also be fabricated using liquid crystal molecules in a manner similar to the switchable grids with a fixed grating period.
  • the liquid molecules z. B. in a
  • Passive and switchable grids of fixed grating period have a fixed deflection angle at a given wavelength.
  • Lattices controllable in their grating period are described, for example, in the applicant's international application WO 201 1/067 265 A1. They have a delicate individual controllable electrode structure on one or more sides of the substrate. By applying an electric field in the plane of
  • Liquid crystal layer in plane
  • the rotation angle of the liquid crystal molecules to be influenced This can be achieved, for example, by applying a voltage to an adjacent electrode pair, which is located on a substrate side.
  • a suitable periodic voltage profile to the electrode structure, the desired alignment of the liquid crystal molecules in the active layer, which is located between two substrates, is achieved, so that an adequate periodic change of the polarization state of the incident light takes place.
  • the period of the voltage profile at a predetermined wavelength and a predetermined angle of incidence determines the
  • the electrodes may be arranged comb-like on a substrate.
  • Such an electrode structure can be given a voltage profile which acts in the plane of the liquid crystal layer and leads to a change in the orientation of the liquid crystals in the liquid crystal layer.
  • the orientation of the liquid crystals in the de-energized state is also effected by one or more alignment layers, which may be unstructured in this case.
  • the deflection angle can be changed.
  • Polarizing gratings can be reflective or transmissive.
  • Polarization grating is described, for example, in US Pat. No. 6,924,870 B1
  • Polarization grids fixed grating period can be structured with small grating periods and thus large deflection angles.
  • TN liquid crystals which have a twist
  • twisted nematic (TN) modes are also known for liquid-crystal displays.
  • the orientation of the alignment layers on both substrates differs, for example, by 90 °. Due to the elastic energy of the liquid crystals then sets a continuous twist on the liquid crystal layer.
  • cholesteric liquid crystal phases which contain chiral molecules and form a helical structure of their orientation. Such a helix structure also has a twist.
  • TN liquid crystal mixtures also have an admixture of chiral dopants, ie the doped liquid crystal molecules have no rotational mirror axis. These dopants induce twist of the liquid crystal.
  • the twist in the TN cell is then not caused solely by the orientation on the alignment layers, but is also the tendency of the
  • Liquid crystals anyway a twisted structure form, supported.
  • Alignment layer is present. This allows firmer polarizing grids
  • Liquid crystal molecules are bound for example in a polymer matrix.
  • the twist angle can be adjusted by the composition of the material, that is to say the quantitative proportion and the type of chiral dopant.
  • Polarizing grid with twist There is also the use of chiral dopants to obtain a polarization grating with twist on a single alignment layer. There are also two-layer polarization grid with
  • the two liquid crystal layers have an opposite twist and have achromatic properties, i. H. they have a high
  • the liquid crystal molecules can also be compared to the plane of the
  • Liquid crystal layer have a tilt.
  • Such a tilt angle can z. B. be adjusted or controlled by an electric field across the plane of the liquid crystal layer.
  • Such a field can by applying an electrical voltage to a pair of electrodes, each with an electrode on one of the two
  • Substrate surfaces is generated.
  • Polarization grids can be designed so that light depends on the
  • Polarization state of the incoming light preferably in the +1. or -1.
  • Order ⁇ ⁇ 1 is calculated for a lattice of the layer thickness d and the birefringence at the liquid-crystalline layer to:
  • S 3 ' is the normalized stock parameter S3 / S0.
  • the Stokes parameters S 0 - S3 describe the polarization state of the incident light.
  • Liquid crystal layer experiences the light according to a K / 2 plate, a relative phase change, so that it is left circular polarized after the exit.
  • the diffraction efficiency is thus dependent on the wavelength and the birefringence for a given layer thickness.
  • Polarizing gratings can also be produced in multiple layers. It can For example, the orientation pattern of the liquid crystal molecules of the individual layers differ from each other or be shifted from each other. Such arrangements are also described, for example, in international patent application WO 2006/092 758 A2 or in international patent application WO 2008/130 561 A1 in order, for example, to obtain polarization gratings which have a high diffraction efficiency for a wide wavelength range (achromatic polarization gratings).
  • the effective layer thickness changes at the same time. This effect increases as the angle of incidence increases.
  • the effective birefringence of the liquid crystal layer (LC layer) also changes for light that passes obliquely to the orientation of the liquid crystal molecules (LC molecules) through the cell. She is at an angle
  • Components used in series meet light that comes from a previous one Component has already been deflected, but possibly obliquely to the subsequent elements.
  • a holographic display several components in succession to focus light and
  • Light for example, can only be focused by a field lens and then falls obliquely onto a polarization grating which has the task of further deflecting the light.
  • controllable elements When multiple controllable elements are used in series, the angle at which the light strikes the last element may vary depending on how the previous elements were driven.
  • controllable elements may be, for example, a stack of polarizing gratings in which
  • Total deflection angle is generated by different combination of the deflection angle of individual grid.
  • the angle of incidence of the light into a polarizing grating may be e.g. by a combination of different diffractive elements, such as
  • the angle of incidence may change with the sun's position.
  • Object of the present invention is to provide a diffractive optical element of the type mentioned and further, through which the
  • Diffraction efficiency for the ⁇ 1. Order for a predeterminable or variable angle of incidence in a wide range of angles of incidence be achieved.
  • a polarization grating for diffractive light deflection with at least one liquid crystal layer on a substrate, wherein the Liquid crystal layer containing liquid crystal molecules with a periodic change in their orientation within the plane of the liquid crystal layer in one or two mutually orthogonal directions, characterized in that at least one further orientation change of the liquid crystal molecules is set or adjustable so that light of a predetermined polarization with a predeterminable or controllable angle of incidence Going through the
  • Liquid crystal layer undergoes a predetermined phase delay.
  • the polarization grating can be a polarization grating for fixed or switchable or controllable light deflection, which contains at least one liquid crystal layer on or else between at least two substrates.
  • Liquid crystal layer contains liquid crystal molecules, wherein the liquid crystal molecules have a periodic change in their orientation in one or in two mutually orthogonal directions within the plane of the liquid crystal layer. In addition, at least one more orientation change of
  • Liquid crystal molecules set so predetermined or controlled that light of a predetermined or predetermined polarization undergoes a predeterminable phase delay with a predetermined or controllable angle of incidence when passing through the liquid crystal layer.
  • Orientation change of the liquid crystal molecules need not lie even in the plane of the liquid crystal layer, as for example, an adjustment or change in the tilt of the liquid crystal molecules against the plane of the
  • Liquid crystal layer represents.
  • the twist of the tilting can alternatively or simultaneously, for example, the twist of the tilting
  • Liquid crystal molecules can be set or controlled between the two substrates. By adjusting or controlling the orientation of the two substrates.
  • liquid crystal molecules can also be adapted to the diffraction efficiency of the irradiated wavelength spectrum.
  • the light undergoes a maximum diffraction efficiency in the +1 in the polarization grating according to the invention when passing through the liquid-crystal layer. or -1. Diffraction order.
  • the birefringence of the liquid crystal molecules is advantageous on the Stecke in the liquid crystal layer, each of the Light is traversed, constant, ie the liquid crystal molecules on the traversed by the light path are all similarly oriented.
  • Polarization gratings can be designed as passive gratings, as switchable grids of fixed grating period or as gratings controllable in their grating period:
  • this is designed as a grating controllable in its grating period with a controllable within the plane of the liquid crystal layer periodic change in orientation and at least one further controllable adjustable orientation change.
  • this is designed as a passive grating with a fixed periodic change in the orientation within the plane of the liquid crystal layer and at least one further fixed orientation change.
  • this is designed as a switchable grating with a fixed periodic change in the orientation within the plane of the liquid crystal layer and at least one further switchable or controllably adjustable orientation change.
  • the optical properties influencing the polarization change primarily in an optically active plane which is located on a substrate or between at least two substrates.
  • the substrates are arranged parallel to one another. However, they can also have an area-varying distance, for example, to locally vary the magnitude of the periodic change in optical properties.
  • the substrate or substrates can also have a curvature.
  • the polarization grating is configured so that the orientation of the liquid crystal molecules in the plane of the at least one liquid crystal layer as a proportion of the total toning and the orientation of the liquid crystal molecules outside the plane of the liquid crystal layer as a further proportion of the
  • the orientation of the liquid crystal layer changes periodically in one or two directions of the liquid crystal plane to form a polarization grating.
  • the birefringence can be locally adjusted so that the light is diffracted with the maximum possible efficiency for the desired wavelength and the desired angle of entry into the liquid crystal layer.
  • a circular array can be advantageously used in an optical system that is not collimated, as is the case, for example, in optical systems with multiple imaging.
  • circularly polarized light undergoes a phase change when passing through a birefringent layer, which is proportional to the rotation angle of the optical axis of this birefringent layer.
  • this rotation angle changes periodically along the birefringent layer continuously, so that light rays have a periodic phase change from laterally offset light rays.
  • Such a periodic phase change leads to the diffraction and thus to the deflection of the light.
  • a light beam passes obliquely through a conventional polarization grating without twisting, the light beam strikes different orientations of the liquid crystals at different depths in the liquid crystal layer, ie different phases.
  • the introduction of an additional twist sets a state in which an obliquely running light beam in the
  • Liquid crystal layer meets the same orientation of liquid crystals at any depth. This prevents smearing of the course of the phase modulation.
  • the polarization grating can therefore be designed so that the
  • Liquid crystal molecules in the plane of the liquid crystal layer are periodically rotated against each other at least in one direction and additionally have a twist perpendicular to the liquid crystal layer, wherein angles of rotation of the twist along the liquid crystal layer are shifted so that light rays with a predetermined angle of incidence when passing through the liquid crystal layer meet positions of equal rotation angle. If the angle of incidence changes, the twist and / or the twist of the liquid crystal molecules in the depth of the
  • Liquid crystal layer adjusted so that each light beam only on each
  • Liquid crystal molecules meet the same angle of rotation, whereby the rotation angles change even in the plane periodically to form the polarization grating.
  • a ' is the angle at which the light beam with the angle of incidence ⁇ in the liquid crystal layer due to
  • a possible embodiment of the invention is a passive polarization grid, which ⁇ to a fixed angle and a fixed deflection angle ß for light the wavelength ⁇ is adjusted, the twist being adjusted by the concentration and type of chiral dopant mixed in the liquid crystal layer.
  • the liquid crystal molecules can be embedded in a polymerizable monomer.
  • the monomer may be aligned after aligning the liquid crystal molecules with the substrate
  • Alignment layer are polymerized.
  • Polarization grating which is also optimized to a fixed angle of incidence ⁇ and a fixed deflection angle ß.
  • a liquid crystal layer is oriented between 2 substrates, each with an alignment layer.
  • Liquid molecules are embedded, for example, in a polymerizable monomer, which is polymerized after their orientation.
  • the lateral offset of the same rotational angle of the twist between the upper and lower side of the liquid-crystal layer is set to a half grating period as far as possible.
  • the twist is therefore 90 °.
  • the polarization grating is equally optimized for incidence at an angle ⁇ as well as -a.
  • Polarization grid which is configured with at least one optically rewritable alignment layer.
  • an appropriate exposure in the photosensitive alignment layer displaces its alignment pattern laterally by d * tan (a) from the second fixed or changeable alignment layer. Accordingly, a changed orientation of the liquid crystal layer is established.
  • the exposure can be done for example with an interference pattern by UV light.
  • the grating period can additionally be configured in an adjustable manner. For this purpose, both alignment layers can have a different spectral sensitization.
  • Alignment layers can also be designed so that both
  • Layers is focused separately and the not focused on a layer of light remains below the sensitization threshold of this alignment layer. It is also possible to have an optically rewritable alignment layer with a
  • Photosensitive alignment layer can be adapted to the current grating period.
  • polarization grids can be configured switchable.
  • the orientation of the liquid crystal molecules can be changed so that in
  • Such a polarization grating can also be used as a light modulator, if suitable measures for suppressing the unwanted
  • Diffraction order such as polarizing filter and / or aperture, are taken.
  • a light modulator can also be in one or two directions in individual Divide modulator cells.
  • Deflection angle ß can, on a substrate via an alignment layer with a fixed patterning and on the second substrate via a comb-like electrode structure for twisting the liquid molecules relative to this
  • Alignment layer have to allow each a high diffraction efficiency as a function of the angle of incidence ⁇ .
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer of the polarization grating therefore have a bent structure (bend). At this time, the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer are at both
  • Alignment layers nearly horizontal and in the middle of the liquid crystal layer but oriented approximately vertically. This orientation has the same advantages as the arrangement described in the application WO 201 1/067265 A1.
  • a variable twist can be adjusted by the voltages applied to the electrodes on the lower and upper substrate according to the
  • phase difference obtained that the diffraction of the light in the desired direction with the best possible effectiveness can be determined experimentally or obtained by simulation calculations. If a controllable change in the orientation takes place, the control parameters necessary for this purpose can also be determined by optical sensors which can be arranged for this purpose at least in a partial region of the diffracted light in order to detect the maximum brightness of the diffracted light.
  • Adjustment of the necessary control parameters may, for example, be done by a system controller included in the system in which the polarization grating is included.
  • This system control can, for. B. also the
  • the control parameters are preferably determined for the centroid wavelength of the lightwave spectrum which is to be diffracted in the polarization grating. If the polarization grating is operated in a time division multiplex method with different light spectra, for example in applications in a color display, it is advantageous to determine the setting parameters for each wavelength spectrum separately and according to the temporal sequence of the spectra
  • the twist is usually the same for different wavelengths.
  • the tilt of the liquid crystals could change.
  • the grating period can each be adapted to the wavelength in order to obtain a fixed deflection angle. This also changes the twist.
  • the polarization grating according to the invention can be designed with a fixed grating period. Fixed grating period means that the local course of the grating period is not changeable and defines the local diffraction angle at a given wavelength and a given angle of incidence of the light.
  • the orientation of the liquid crystal molecules can be adjusted so that the diffraction of the light in the desired direction with maximum effectiveness possible.
  • the grid is designed so that the orientation of the
  • Liquid crystals is controllable, so that the effective birefringence of the
  • Liquid crystal layer can be adjusted to a predetermined angle of incidence so that the light diffracted with maximum possible effectiveness, d. H. is distracted.
  • the orientation of the liquid crystal molecules is advantageously controlled by applying a variable voltage profile to a suitable electrode structure.
  • the electrode structure depends on the structuring of the alignment layers and the required influence on the orientation of the liquid crystal molecules.
  • the rotation of the liquid crystal molecules can be changed by an electric field in the plane of the liquid crystal layer, as can be achieved by applying a voltage to electrode pairs, which is located on a
  • the field must be created so that the molecules are rotated out of the orientation predetermined by the alignment layer.
  • a perpendicular to the liquid crystal layer field profile can be achieved by applying a voltage across electrodes between the two substrates.
  • Liquid crystal layer can be adjusted. In general, this tilt angle is not uniform even with an applied voltage across the depth of the liquid crystal layer, since the two limiting substrate surfaces as impurities one
  • the polarization grating according to the invention can consist of a plurality of successive liquid crystal layers between the two substrates, wherein the same rotation angle of the twist along the liquid crystal layers are shifted so that light rays with a predetermined angle of incidence when passing through the liquid crystal layers meet positions of equal rotation angle.
  • Alignment layers which are arranged between the individual liquid crystal layers during the production of the polarization gratings, are structured in such a way that the desired displacement of the twist between the individual layers
  • Incident angle of the light is adjusted.
  • the polarization grating may be configured to have at least a second liquid crystal layer whose sign of birefringence of the liquid crystal molecules is different from the first liquid crystal layer, wherein both liquid crystal layers have the same grating period.
  • the two polarization lattice layers are advantageously shifted relative to one another in such a way that locally the optical axes are rotated by 90 degrees with respect to one another.
  • the thickness of the two liquid crystal layers di and d 2 are advantageously chosen so that the amount of the difference of the two optical path lengths for a design wavelength ⁇ of a half-wave plate corresponds (
  • ⁇ / 2).
  • the stated condition a1 * An1 * d1 + a2 * An2 * d2 0 ensures that angle-dependent changes of the optical path in the first and the second layer partially compensate each other and thus the overall angular dependence of the two-layer arrangement is reduced.
  • Positions of identical rotational angles of the twist along the passage direction of the light through one or more liquid crystal layers having a predefinable variable angle of incidence are set in an advantageous embodiment variant by applying a variable voltage profile to a delicate electrode structure of individually controllable electrodes located on at least one substrate.
  • the electrode structure can be designed such that the angle of rotation of the twist along one or two directions of the
  • Substrate level can be controlled, wherein the substrate plane is parallel to the plane of the liquid crystal layer. If only one-directional control is necessary, it can be extended, slender, individually controllable strip-shaped electrodes running parallel to one another and running perpendicular to the control direction over the substrate surface. If the adjustment angle of rotation Twisted in two directions, the electrodes are preferably designed as short individually controllable electrode strips cell-shaped, as it corresponds to the arrangement of electrodes in a liquid crystal display for switching the liquid crystal molecules in the display level (in-plane switching, IPS). Preferably, both substrates each have their own electrode structure. The course of the electrode strips is preferably transverse to the respective orientation of the liquid crystals on the associated substrate side in the de-energized state of adjacent electrode strips to each other, this orientation being determined by the respective substrate associated alignment layer.
  • the course of the electrode strips is preferably transverse to the respective orientation of the liquid crystals on the associated substrate side in the de-energized state of adjacent electrode strips to each other, this orientation being determined by the
  • Alignment patterns of both substrates can each assigned to
  • the respective electrode stripe patterns of the two substrates may also be
  • the local course of adjacent pairs of electrodes can also be matched in pairs to the course of the alignment layer of the associated substrate and thus the associated cell structure, d. H. adjacent electrode pairs are rotated in one or two directions against each other, and in addition they may also be rotated relative to the second substrate.
  • Electrode pairs align the crystal-optical axes of the liquid crystal molecules along the field lines.
  • the angular difference of the rotation between the two substrate sides sets the twist.
  • a tilt of the crystal-optical axes of the liquid crystal molecules from the plane of the liquid crystal layer can be adjusted. If only one substrate carries a delicate electrode structure and the second substrate has a common electrode of large area, tilting is achieved by changing the voltage difference between the electrodes
  • the polarization grating according to the invention is designed as a grating with a variable, ie controllable grating period.
  • Liquid crystals by applying a periodic voltage profile to the
  • fine-structure electrode structure which is located at least on one side of the substrate set.
  • the tension profile determines the course of the
  • Reference potential determines how much the position of the crystal-optical axis changes relative to the position determined by the associated alignment layer.
  • the period of the voltage profile determines the grating period of the phase grating and thus also the diffraction angle at a given
  • the alignment layers are typically uniformly patterned over the entire substrate surface in one direction, with the
  • Alignment layers of the two substrates may be rotated against each other, for. B. orthogonal to each other.
  • the alignment layers and the electrode structure may, for. B. are also aligned circularly to each other, for example, to form a controllable diffractive lens.
  • the polarization grating of the present invention may be configured such that the period of change in the orientation of the liquid crystal molecules locally or variably changes in one or two directions along the substrate plane. Due to the local change of the grating period, a local adaptation of the
  • Diffraction angle achieved at a predetermined angle of incidence of the light to realize, for example, collecting or scattering properties of the polarization grating.
  • the variation of the grating period can also have different values in different directions, for example
  • the polarization grating is formed circular, for example, the period in the direction of the radius can predeterminably change slightly in order to vary the diffraction angle and thus obtain a collecting or scattering function.
  • a fixed change of the period can be, for example, by a local
  • Electrode structure is adjustable, the period of the voltage profile can be changed locally. By locally changing the period of the finicky
  • the achievable diffraction angle range or the local angular resolution can be varied.
  • z. B. the deflection or its angular spectrum are kept locally almost constant when in addition a field lens function is implemented in the polarization grating.
  • the polarization grating according to the invention can advantageously also be designed so that the setting of the at least one further orientation of the liquid crystal molecules changes locally or variably in one or two directions along the substrate plane or in the plane of the liquid crystal layer.
  • Diffraction efficiency can be adapted to a locally varying angle of incidence of the light in the liquid crystal layer.
  • Alignment layers are locally adjusted so that light rays with locally different fixed angles of incidence when passing through the
  • this can be done by local variation of the drive voltage responsible for the additional orientation.
  • Liquid crystal molecules can be localized to the liquid crystal layer. By local variation of the voltage differences on the electrode pairs of at least one substrate side, the angle of rotation of the twist can be adjusted locally.
  • Light deflection can be advantageously contained with at least one of the polarization gratings described in the present invention, in particular, if the light entry is not perpendicular to the light entrance surface of the Lichtablenkanowski or the angle of incidence changes locally or temporally. This is especially the case when the Lichtablenkanowski extract is formed in multiple stages and / or has an additional imaging function.
  • Such Lichtablenkan extract invention is z.
  • a device for reconstructing holographically encoded spatial scenes to track at least a small field of visibility of the holographic reconstruction the movements of the eyes of one or more observers to allow a larger viewer area.
  • a device advantageously has a recognition system which detects the movements of the head or the eyes of the observer and, via a system control system, the at least one polarization grid and optionally further
  • Light deflection components controls so that the center of the
  • Visibility range with the location of the associated eye pupil covers as much as possible.
  • At least one inventive polarization grating can also be advantageous in an arrangement for directing light, in particular sunlight, on a
  • photosensitive surface should be included to change the light
  • Beam directions and / or light distributions of the photosensitive surface adapt.
  • a small visibility window of a display for the reconstruction of holographically encoded three-dimensional scenes are applied to the movement of the viewer or his eyes.
  • a plurality of passive and / or switchable and / or controllable polarization gratings can be connected in series or combined with other means for light deflection in order to realize a large tracking range.
  • the method can also be used to collect solar radiation or its tracking on a photovoltaic cell.
  • Other fields of application include, for example, in optical storage technology, lighting technology, in particular in variable lighting, the switching of optical connections in optical networks or optical computing.
  • Fig. 1 a a conventional polarization grating at normal incidence of light
  • Fig. 3 is a polarization grating containing a stack of liquid crystal layers which are laterally offset from each other and their Liquid crystal molecules are rotated from one layer to another by an angle to each other, the simulation of the dependence of the diffraction efficiency in a 1.
  • a polarization grating with a first liquid crystal layer having positive and a second liquid crystal layer with negative birefringence a three-layer polarization grating with two liquid crystal layers same sign of birefringence and a liquid crystal layer with opposite signs of birefringence, a polarizing grating without Twisting of the liquid crystal molecules, the polarization grating according to FIG. 7a with additional twisting of the liquid crystal molecules perpendicular to the liquid crystal layer, the polarization grating according to FIG. 7b with illustrated substrates and actual ray trajectory, the simulation of the dependence of the diffraction efficiency in FIG.
  • Fig. 12 shows a detail of a polarization grating with curved alignment
  • Fig. 13 shows a detail of the polarization grating of Fig. 1 1 with curved and twisted alignment.
  • Fig. 1 the intensity ratios in a polarizing grating 100 are shown in the prior art.
  • Fig. 1 a circularly polarized light which falls perpendicular to the polarizing grating 100, almost completely deflected depending on the direction of rotation of the circular polarization in a first diffraction order.
  • Hardly undistracted light passes through the polarizing grating 100 in a zero.
  • Polarization grid 100 shown. Only a part of the intensity is turned into a 1.
  • Fig. 2 illustrates the dependence of the intensity in a first Diffraction order of the angle of incidence in the passage of circularly polarized light through a
  • Fig. 3 shows a first embodiment of a polarization grating, which for oblique incidence of light was optimized.
  • Three liquid crystal layers 21 1, 212 and 213 are located between two substrates, not shown.
  • Liquid crystal layers 21 1, 212 and 213 are laterally offset from each other so that the angles of rotation of the birefringent axes of the
  • Liquid crystal molecules from layer to layer are rotated by 45 ° to each other.
  • Such gratings can be designed primarily as passive polarization gratings. With suitable electrode structures on the substrates, they can also be designed to be switchable.
  • Polarization grid according to the invention shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 Compared to FIG. 2, a significantly higher diffraction efficiency in FIG. Order in a wide
  • Fig. 5 shows another embodiment having a polarizing grating with a first liquid crystal layer 221 having positive birefringence and a second liquid crystal layer 222 having negative birefringence.
  • Liquid crystal layers 221, 222 are not successively on one here
  • Both liquid crystal lattice layers 221 and 222 are shifted relative to one another such that locally the optical axes are rotated by 90 ° to each other.
  • the substrates including the two stacked liquid crystal layers 221 and 222 are not shown in the drawing. This also relates to any electrode structures that may be located on these substrates and with which such arrangements of a polarization grating, which are optimized for an oblique passage of light, can be designed switchable.
  • a three-layer polarization grating is so designed such that two liquid crystal layers have an opposite sign of birefringence and a further liquid crystal layer has an opposite polarity
  • Liquid crystal layers 231 and 232 in Fig. 6 positive birefringence, wherein the grating pattern of the optical axes in these two liquid crystal layers are locally rotated by 90 ° to each other.
  • liquid crystal layer 233 has negative
  • Liquid crystal layer 231 or the second liquid crystal layer 232 are parallel.
  • FIG. 6 shows a parallel course to the liquid crystal layer 232.
  • Liquid crystal layer 240 required.
  • Liquid crystal layer 240 which has been optimized for a vertical light entry or in which a voltage is applied via an electrode structure, not shown, so that the liquid crystal molecules undergo no twisting.
  • Liquid crystal layer 240 meet molecules with different rotation angle. In the worst case, all the light beams would experience the same phase delay, so that no light in a 1. Diffraction order would be diffracted.
  • Liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 240 on an additional twist perpendicular to the liquid crystal layer are adapted to the desired angle of incidence, so that the light rays hit on their way through the liquid crystal layer 240 molecules of the same angle of rotation.
  • the angle of rotation thus changes both in the horizontal direction and perpendicular to the
  • the liquid crystal layer 240 is in a known manner between two also here not shown substrates. If the upper and lower substrate are configured with suitable electrode structures, the strength of the twist can be influenced by applying a voltage profile, so that an adjustment of the polarization grating to the angle of incidence can be controlled.
  • the light path is shown purely schematically. In fact, however, the rays already undergo a light deflection upon entry into the cell, which depends on the size of the refractive index difference. Usually the transition from air to glass takes place. This is demonstrated in Fig. 7c.
  • the liquid crystal layer 240 largely corresponds to FIG. 7b. However, it has been optimized for a lower angle of incidence, or the twist angle set by applying a voltage to an electrode structure (not shown) is smaller.
  • the light Upon penetration of the light into the substrate 310, the light already experiences a deflection. If the refractive index of the liquid-crystal layer differs from that of the substrate, a further light deflection takes place at the interface between substrate 310 and liquid-crystal layer 240.
  • FIG. 8 demonstrates simulation results for the diffraction efficiency in FIG. 1.
  • the polarization grating is optimized for an angle of incidence of approximately 37.5 ° in air. In this area a maximum diffraction efficiency is achieved.
  • the average refractive index of the liquid crystal layer is 1.5. This corresponds to an angle a 'in the
  • liquid crystal material can be adjusted according to the desired operating wavelength, the optical Wegharin selectedung within it
  • Polarization grating as possible corresponds to half a wavelength of the incident light.
  • Figs. 9a and 9b demonstrate a liquid crystal layer 250 in which the
  • Fig. 9a shows
  • Polarization grid for vertical light transmission.
  • the polarization grating is optimized for oblique light transmission.
  • Such a grid can also be equipped with suitable electrode structures, which can also be rastered, in order to controllably influence the tilt angle.
  • Fig. 10 schematically shows an arrangement in which the amount of twist of the liquid crystal molecules perpendicular to the liquid crystal layer 260 changes depending on the position within the surface of the liquid crystal layer 260.
  • the polarization grating can be adapted to a locally varying angle of entry or incidence, as may be the case, for example, behind a field lens.
  • the polarization grating is designed so that the intensity of the twist changes over distances that are large compared to the grating period. If the substrates, which are not shown here, are configured with a suitably gridded electrode structure, the polarization grid can also be controlled to vary over time
  • FIG. 1 schematically shows a section of the liquid crystal layer 270 of an adjustable polarization grating with a hybrid alignment of the Liquid Crystal Molecules Molecules of the Prior Art.
  • FIG. 12 shows a detail of a liquid-crystal layer 280 of an exemplary embodiment of a controllable polarization grating based on a bent structure of the liquid-crystal orientation (Bend).
  • Bend liquid-crystal orientation
  • Liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 280 by not shown
  • Alignment layers are arranged parallel to the two substrates 310 and 320.
  • the grating can be adjusted not only in its deflection direction with a variable angle of incidence, but also the diffraction efficiency of this deflected light can be controllably optimized as a function of the angle of incidence.
  • the grating period and thus the deflection angle can be variably set in such a polarization grating.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer Flüssigkristallschicht auf einem Substrat, wobei die Flüssigkristallmoleküle eine periodische Änderung ihrer Orientierung aufweisen, sowie eine Lichtablenkeinrichtung und ein Verfahren zur Lichtablenkung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Polarisationsgitter für einen schrägen Einfallswinkel des Lichts anzugeben, insbesondere mit einem hohen Beugungswirkungsgrad für die ±1. Ordnung für einen vorgebbaren oder veränderbaren Einfallswinkel in einem weiten Einfallswinkelbereich. Dies wird gelöst durch ein Polarisationsgitter, in dem mindestens eine weitere Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle so eingestellt oder einstellbar ist, dass Licht einer vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt, sowie mit einer Lichtablenkeinrichtung und einem Verfahren zur Lichtablenkung mit einem solchen Polarisationsgitter.

Description

Polarisationsgitter für schräge Einfallswinkel
Die Erfindung betrifft ein Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer Flüssigkristallschicht auf einem Substrat oder zwischen mindestens zwei Substraten, wobei die Flüssigkristallmoleküle eine periodische Änderung ihrer Orientierung aufweisen. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine
Lichtablenkeinrichtung, in der mindestens ein solches Polarisationsgitter enthalten ist und auf ein Verfahren zur Lichtablenkung, welches mindestens ein solches
Polarisationsgitter anwendet. Die Erfindung betrifft sowohl reflektive als auch transmissive Polarisationsgitter, wobei reflektive Polarisationsgitter auch als
Flüssigkristallschichten auf einem Siliziumsubstrat (LCOS, Liquid Crystal On Silicon) ausgebildet sein können. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur
Rekonstruktion holographisch kodierter dreidimensionaler Szenen und eine
Vorrichtung zum Richten von Solarstrahlung auf eine photoempfindliche Fläche, die jeweils mindestens ein solches Polarisationsgitter enthalten.
Diffraktive Lichtablenkmittel besitzen ein breites Einsatzspektrum. Sie können beispielsweise zur passiven und aktiven Strahl- bzw. Wellenfrontformung bzw.
allgemein als diffraktive optische Abbildungsmittel eingesetzt werden. Sie lassen sich weilenlängen- und/oder winkelselektiv herstellen, so dass mit ihnen auch
Strahlvereinigungen oder Strahlaufspaltungen vorgenommen werden können, wie sie beispielsweise in optischen Netzwerken benötigt werden. Vorteilhaft lassen Sie sich für die Nachführung eines kleinen Betrachterbereiches auf die Augen eines
Benutzers in einem stereoskopischen oder holographischen Displays anwenden. Ein weiteres Anwendungsfeld besteht z. B. bei der Konzentrierung und/oder der
Nachführung von Solarstrahlung auf eine photoempfindliche Fläche.
Polarisationsgitter zur Lichtablenkung sind Beugungsgitter fester oder variabler Gitterperiode. Bei Beugungsgittern legt bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ des Lichtes die Gitterperiode Λ den Ablenkwinkel ßm fest:
ßm = aresin sin(i a Dabei ist m eine Ganze Zahl, die die Beugungsordnung angibt und α der Einfallsbzw. Eintrittswinkel.
Im Allgemeinen können Beugungsgitter eine periodische Oberflächenstruktur aufweisen (Oberflächenreliefgitter) oder die optischen Eigenschaften können sich periodisch innerhalb der das Licht beeinflussenden Schicht ändern. Die periodischen optischen Eigenschaften können die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisation, des Lichtes beeinflussen.
Die Stärke und das Profil der optischen Änderung bestimmen bei einem
Beugungsgitter, mit welchem Beugungswirkungsgrad das Licht in die einzelnen Beugungsordnungen gebeugt wird. Dabei sind die Beugungswirkungsgrade auch vom Einfallswinkel in das Polarisationsgitter abhängig, da sich die wirksamen optischen Eigenschaften mit dem Einfallswinkel ändern. Für die meisten
Anwendungen ist jedoch ein hoher Beugungswirkungsgrad, auch
Beugungseffektivität bzw. Beugungseffizienz genannt, über ein breites Spektrum der Einfallswinkel notwendig.
Polarisationsgitter haben - anders als beispielsweise Oberflächenreliefgitter - die Eigenschaft, dass es möglich ist, nahezu 100% Beugungseffizienz in einer einzelnen Beugungsordnung zu erhalten. Im Gegensatz zu anderen Gittertypen mit hoher Beugungseffizienz, wie Volumengittern, die sogenannte dicke Gitter darstellen, können Polarisationsgitter als dünne Gitter ausgebildet sein. Die Bezeichnung dünnes Gitter bezieht sich darauf, dass die Dicke der als Beugungsgitter wirkenden Schicht kleiner ist als dessen Periode. Bei einem dicken Gitter ist die Dicke der als Beugungsgitter wirkenden Schicht deutlich größer als dessen Periode.
Im Vergleich zu anderen Gittertypen die eine hohe Beugungseffizienz ermöglichen, wie z. B. Volumengitter (Volume Bragg Gräting), die einen schmalen
Einfallswinkelbereich aufweisen, können Polarisationsgitter eine hohe
Beugungseffizienz für einen relativ breiten Einfallswinkelbereich aufweisen. Dieser Winkelbereich kann beispielsweise ±15° oder auch ±20° betragen. Trotzdem reicht das für eine Reihe von Anwendungen nicht aus.
Polarisationsgitter können als passive Gitter, als schaltbare Gitter fester Gitterperiode oder als in ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter ausgestaltet werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich vorrangig auf schalt- und steuerbare
Polarisationsgitter, kann aber auch auf passive Gitter angewendet werden.
Schaltbare Gitter mit fester Gitterperiode werden häufig in einer dünnen
doppelbrechenden, d. h. optisch anisotropen, flüssigkristallinen Schicht erzeugt (LCPG - Liquid Crystal Polarization Gräting), die sich zwischen zwei als Begrenzung der flüssigkristallinen Zelle wirkenden Substraten befindet. Licht, welches nicht in Richtung der kristalloptischen Achse der Flüssigkristallmoleküle verläuft, erfährt demnach je nach positiver oder negativer Doppelbrechung des
Flüssigkristallmaterials eine positive oder negative Phasenverzögerung des außerordentlichen Strahles gegenüber dem ordentlichen Strahl, die am größten ist, wenn der Lichtstrahl senkrecht zur kristalloptischen Achse verläuft. Positive
Doppelbrechung bedeutet dabei, dass die Differenz der Brechzahlen Δηρ für den außerordentlichen Strahl ne und den ordentlichen Strahl n0 größer Null ist (Δηρ = ne - n0 > 0) und negative Doppelbrechung, dass diese Differenz Δηη kleiner Null ist (Δηη = ne - n0 < 0). Durch eine geeignete Ausrichtung (Alignment) der
Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht bzw. gegeneinander kann demnach eine Phasenänderung der beiden Teilstrahlen zueinander und damit des Polarisationszustandes des die Flüssigkristallschicht durchlaufenden Lichtes erreicht werden. Die gewünschte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle kann beispielsweise bei der Herstellung der flüssigkristallinen Zelle eingestellt werden. Dazu besitzen die Gitter auf einer oder beiden Substratseiten Ausrichtungsschichten (Alignment-Layer), die zu einer geeigneten Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der aktiven
Flüssigkristallschicht führt. In Polarisationsgittern fester Gitterperiode sind die
Ausrichtungsschichten entsprechend dem Gitterabstand, d.h. der Gitterperiode periodisch strukturiert. Solche Ausrichtungsschichten können beispielsweise durch Auspolymerisieren eines photoempfindlichen Polymers durch Bestrahlen mit einer geeigneten Belichtungsverteilung hergestellt werden, wie es beispielsweise in der Patentschrift US 7 196 758 B2 oder in der internationalen Patentanmeldung WO 2006 / 092 758 A2 beschrieben ist. An den Ausrichtungsschichten richten sich die Flüssigkristalle mit ihren kristalloptischen Achsen so aus, dass eine periodische Änderung des Polarisationszustandes des durchtretenden Lichtes erreicht wird.
Die Ausrichtungsschichten können auch durch Abformung der Ausrichtungsmuster mit Hilfe mikrostrukturierter Vorlagen strukturiert werden.
Schaltbare LCPG mit fester Gitterperiode besitzen eine Elektrodenstruktur, die auf den Substraten ausgebildet ist. Dies kann flächig ausgebildet sein oder strukturiert werden, um ein ortsabhängiges Schalten zu ermöglichen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektrodenstruktur kann die durch die
Ausrichtungsschicht aufgezwungene Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle aufgehoben werden, so dass sie ihre gegenseitige Orientierung zueinander verlieren bzw. die kristalloptische Achse in der Lichtausbreitungsrichtung zu liegen kommt. Die Doppelbrechung der Flüssigkristallschicht wird aufgehoben und damit das
Polarisationsgitter unwirksam, so dass nur noch Licht die Flüssigkristallschicht unabgelenkt, d.h. in die 0. Beugungsordnung, verlässt.
Passive Polarisationsgitter können auf ähnliche Weise wie die schaltbaren Gitter mit fester Gitterperiode ebenfalls unter Verwendung von Flüssigkristallmolekülen hergestellt werden. Dabei können die Flüssigkeitsmoleküle z. B. in ein
polymerisierbares Monomer eingebettet sein, das nach ihrer Ausrichtung
auspolymerisiert wird, so dass der Ausrichtungszustand eingefroren wird. In diesem Fall ist es auch möglich, nur mit einem Substrat und einer Ausrichtungsschicht zu arbeiten (WO 2006 / 092 758 A2).
Passive und schaltbare Gitter fester Gitterperiode besitzen bei einer vorgegebenen Wellenlänge einen festen Ablenkwinkel.
In ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter werden beispielsweise in der internationalen Anmeldung WO 201 1 / 067 265 A1 der Anmelderin beschrieben. Sie besitzen eine feingliedrige individuell ansteuerbare Elektrodenstruktur auf einer oder mehreren Substratseiten. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Ebene der
Flüssigkristallschicht (In Plane) kann der Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an ein benachbartes Elektrodenpaar, welches sich auf einer Substratseite befindet, erreicht werden. Durch Anlegen eines geeigneten periodischen Spannungsprofils an die Elektrodenstruktur wird die gewünschte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der aktiven Schicht, welche sich zwischen zwei Substraten befindet, erreicht, so dass eine adäquate periodische Änderung des Polarisationszustandes des einfallenden Lichtes erfolgt. Dabei bestimmt die Periode des Spannungsprofils bei einer vorgegebenen Wellenlänge und einem vorgegebenen Einfallswinkel den
Ablenkwinkel. Beispielsweise können die Elektroden auf einem Substrat kammartig angeordnet sein. An eine solche Elektrodenstruktur lässt sich ein Spannungsprofil anlegen, das in der Ebene der Flüssigkristallschicht wirkt und zu einer Änderung der Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht führt. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle im spannungslosen Zustand wird dabei ebenfalls durch eine oder mehrere Ausrichtungsschichten bewirkt, die in diesem Fall auch unstrukturiert sein können.
Bei diesem Typ von Gittern kann durch Variation der Gitterperiode der Ablenkwinkel verändert werden.
Polarisationsgitter können reflektiv oder transmissiv arbeiten. Ein reflektives
Polarisationsgitter ist beispielsweise in der Patentschrift US 6 924 870 B1
beschrieben.
Polarisationsgitter fester Gitterperiode können mit kleinen Gitterperioden und damit großen Ablenkwinkeln strukturiert werden. Für Polarisationsgitter mit einstellbarer Gitterperiode begrenzen die maximal erreichbare Auflösung bei der Strukturierung der Elektrodenstruktur und deren individuellen Ansteuerung den maximal
erreichbaren Ablenkwinkel.
Von Flüssigkristallbildschirmen sind auch Anordnungen nematischer Flüssigkristalle bekannt, die eine Verdrillung (Twist) aufweisen, sogenannte twisted nematic (TN) Modes. In einer TN Flüssigkristallzelle unterscheidet sich die Orientierung der Ausrichtungsschichten auf beiden Substraten, beispielsweise um 90°. Aufgrund der elastischen Energie der Flüssigkristalle stellt sich dann eine kontinuierliche Verdrillung über die Flüssigkristallschicht ein. Bekannt sind auch cholesterische Flüssigkristallphasen, die chirale Moleküle enthalten und eine Helixstruktur ihrer Orientierung ausbilden. Eine solche Helixstruktur weist ebenfalls eine Verdrillung auf. Häufig weisen daher TN Flüssigkristallmischungen auch eine Beimischung von chiralen Dopanden auf, d.h. die dotierten Flüssigkristallmoleküle besitzen keine Drehspiegelachse. Diese Dopanden induzieren eine Verdrillung des Flüssigkristalls. Die Verdrillung in der TN Zelle wird dann nicht alleine durch die Orientierung an den Ausrichtungsschichten bewirkt, sondern wird auch von der Tendenz der
Flüssigkristalle, ohnehin ein verdrillte Struktur auszubilden, unterstützt.
Bei einem Polarisationsgitter fester Gitterperiode liegt eine periodische Änderung der Orientierung der Ausrichtungsschichten vor. Sind die Ausrichtungsschichten auf beiden Seiten eines solchen Polarisationsgitters bezüglich ihrer Strukturierung lateral gegeneinander verschoben, so kann sich die Ausrichtung entlang der
Flächennormalen der Flüssigkristallschicht ändern, d. h. die Moleküle erfahren entlang der Flächennormalen eine zusätzliche Verdrillung (Twist). Über den Bereich einer Gitterperiode ändert sich die Orientierung auf einer Ausrichtungsschicht um 360°. Beispielsweise entspricht eine 90° Verdrillung von der einen zur anderen Ausrichtungsschicht dann einer lateralen Verschiebung der Orientierung der beiden Ausrichtungsschichten zueinander um ein Viertel einer Gitterperiode.
Da chirale Flüssigkristallmischungen bereits eine Verdrillung aufweisen, kann sich auch eine verdrillte Flüssigkristallschicht einstellen, wenn nur eine
Ausrichtungsschicht vorhanden ist. Dies erlaubt es, Polarisationsgitter fester
Gitterperiode herzustellen, bei denen die Orientierung der Flüssigkeitsmoleküle eine Verdrillung aufweisen und die nur ein Substrat benötigen, wenn die
Flüssigkristallmoleküle beispielsweise in einer Polymermatrix gebunden sind. Der Verdrillungswinkel lässt sich dabei durch die Zusammensetzung des Materials, das heißt des mengenmäßigen Anteils und der Art des chiralen Dopanden, einstellen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2008 / 130 555 A1 beschreibt ein
Polarisationsgitter mit Twist. Dort wird ebenfalls die Verwendung chiraler Dopanden beschrieben, um auf einer einzelnen Ausrichtungsschicht ein Polarisationsgitter mit Twist zu erhalten. Es werden auch zweischichtige Polarisationsgitter mit
unterschiedlichen periodischen Ausrichtungsschichten auf einem Substrat und zwischen den beiden passiven Flüssigkristallschichten beschrieben. Die beiden Flüssigkristallschichten weisen beispielsweise einen entgegengesetzten Twist auf und besitzen achromatische Eigenschaften, d. h. sie weisen eine hohe
Beugungseffizienz bei mehreren Wellenlängen auf. Sie besitzen aber nur für einen schmaleren Einfallswinkelbereich eine hohe Beugungseffizienz.
Die Flüssigkristallmoleküle können auch gegenüber der Ebene der
Flüssigkristallschicht eine Kippung (Tilt) aufweisen. Ein solcher Kippwinkel kann z. B. durch ein elektrisches Feld quer zur Ebene der Flüssigkristallschicht eingestellt bzw. gesteuert werden. Ein solches Feld kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein Elektrodenpaar, bei dem sich je eine Elektrode auf einem der beiden
Substratflächen befindet, erzeugt werden.
Polarisationsgitter können so ausgestaltet werden, dass Licht abhängig vom
Polarisationszustand des eintretenden Lichtes vorzugsweise in die +1 . oder -1 .
Beugungsordnung mit annähernd 100% Beugungseffizienz gebeugt wird.
Die Beugungseffizienz für die ±1 . Ordnung η±1 berechnet sich für ein Gitter der Schichtdicke d und der Doppelbrechung An der flüssigkristallinen Schicht zu:
Figure imgf000009_0001
Wobei S3' der normalisierte Stockes-Parameter S3/S0 ist. Die Stokes-Parameter S0 - S3 beschreiben den Polarisationszustand des einfallenden Lichtes.
Für zirkulär polarisiertes Licht wird demnach eine Beugungseffizienz η±1 von 100% erreicht, wenn die Doppelbrechung An = h/2d beträgt. Ist beispielsweise das einfallende Licht rechtszirkular polarisiert, so beträgt S3' = -1 und alles Licht wird in die 1 . Beugungsordnung gebeugt. Bezüglich seiner Dicke entspricht ein solches Polarisationsgitter einer K/2 Platte. Im Gegensatz zu einer K/2 Platte mit fester optischer Achse ändert sich aber bei Polarisationsgittern lokal der Winkel der optischen Achse in der Gitterebene. Dieser Winkel dreht sich innerhalb einer
Gitterperiode um 180°. Beim Durchlaufen der doppelbrechenden
Flüssigkristallschicht erfährt das Licht entsprechend einer K/2 Platte eine relative Phasenänderung, so dass es nach dem Austritt linkszirkular polarisiert ist.
Linkszirkular polarisiertes Licht würde entsprechend S3' = 1 in die -1 .
Beugungsordnung gebeugt und würde das Gitter als rechtszirkular polarisiertes Licht verlassen. Die Beugungseffizienz der 0. Ordnung η0 berechnet sich zu:
Figure imgf000010_0001
Sie ist unabhängig vom Polarisationszustand des einfallenden Lichtes. Für eine Doppelbrechung An = A/2d wird die 0. Beugungsordnung weitestgehend unterdrückt. Für eine Doppelbrechung die von An = A/2d abweicht ist die 0. Beugungsordnung vorhanden. Bei geeigneter Wahl des Polarisationszustandes des einfallenden Lichtes (zirkulär polarisiert) unterscheidet sich aber der Polarisationszustand der 0. Ordnung von derjenigen der ±1 . Ordnung. Wenn beispielsweise das einfallende Licht linkszirkular polarisiert ist so ist die 0. Ordnung ebenfalls linkszirkular polarisiert, die - 1 . Ordnung aber rechtszirkular und die +1 . Ordnung hat die Intensität nahezu 0. Dies kann vorteilhaft für eine Filterung von Ordnungen verwendet werden. Ein zirkularer Polarisator der dem Polarisationsgitter nachgeordnet ist, kann beispielsweise die 0. Ordnung blockieren und die -I .Ordnung durchlassen.
Die Beugungseffizienz ist also bei vorgegebener Schichtdicke von der Wellenlänge und der Doppelbrechung abhängig.
Eine Effizienz in der +1 . oder -1 . Beugungsordnung von nahe 100 % wird
normalerweise nur für geraden Einfall des Lichtes erzielt. Mit schrägem Winkel nimmt die Effizienz ab, gleichzeitig steigt der meist unerwünschte Anteil des ungebeugten Lichtes der 0. Ordnung.
Polarisationsgitter können auch mehrschichtig hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise das Ausrichtungsmuster der Flüssigkristallmoleküle der einzelnen Schichten voneinander abweichen bzw. gegeneinander verschoben sein. Solche Anordnungen sind beispielsweise ebenfalls in der internationalen Patentanmeldung WO 2006 / 092 758 A2 oder in der internationalen Patentanmeldung WO 2008 / 130 561 A1 beschrieben, um beispielsweise Polarisationsgitter zu erhalten, die für einen breiten Wellenlängenbereich eine hohe Beugungseffizienz besitzen (achromatische Polarisationsgitter).
Ändert sich die Einfallsrichtung des Lichtes, ändert sich zugleich die wirksame Schichtdicke. Dieser Effekt steigt, je größer der Einfallswinkel wird. Allerdings ändert sich auch die effektive Doppelbrechung der Flüssigkristall Schicht (Liquid Crystal Schicht; LC-Schicht) für Licht das schräg zu der Orientierung der Flüssigkristall- Moleküle (LC Moleküle) durch die Zelle hindurch tritt. Sie wird bei schrägem
Durchgang kleiner. In der Regel überwiegt dieser Effekt demjenigen der größeren geometrischen Schichtdicke, so dass die effektive optische Weglänge für schrägen Durchgang kleiner wird. Werden durch ein elektrisches Feld die
Flüssigkristallmoleküle in ihrer Orientierung verändert so kann dies bei einem Pixel mit einheitlicher Flüssigkristallorientierung beispielsweise dazu führen, dass für Licht, das schräg von links einfällt, die effektive Doppelbrechung größer wird und für Licht, das schräg von rechts einfällt, die effektive Doppelbrechung kleiner wird. In einer herkömmlichen Flüssigkristallzelle zur Amplitudenmodulation nutzt man bei einigen Technologien eine Struktur mit mehreren Teilbereichen unterschiedlicher
Flüssigkristallorientierung um diesen Effekt auszugleichen (Multi-Domänenstruktur).
In einem Polarisationsgitter mit periodischer Orientierung der LC Moleküle würde aber ein Ankippen der LC Moleküle aus der Ebene der Substrate eine periodisch veränderliche effektive optische Weglänge für das schräg einfallende Licht bewirken. Das Gitter ist dann kein reines Polarisationsgitter mehr, sondern von Anteilen anderer Gittertypen zusätzlich überlagert. In der Regel erreicht man daher nicht nahezu 100 % Beugungseffizienz in einer einzelnen Ordnung.
In Einrichtungen, in denen mehrere fokussierende oder Licht ablenkende
Komponenten in Serie eingesetzt werden, trifft Licht, das von einer vorhergehenden Komponente bereits abgelenkt wurde, unter Umständen jedoch schräg auf die nachfolgenden Elemente. Beispielsweise kann ein holographisches Display mehrere Komponenten nacheinander zur Fokussierung von Licht und zur
Betrachternachführung enthalten. Licht kann beispielsweise erst von einer Feldlinse fokussiert werden und fällt dann schräg auf ein Polarisationsgitter das die Aufgabe hat das Licht weiter abzulenken.
Werden mehrere steuerbare Elemente in Serie eingesetzt, so kann der Winkel, mit dem das Licht auf das letzte Element auftrifft, je nachdem wie die vorhergehenden Elemente angesteuert wurden, variieren. Diese steuerbaren Elemente können beispielsweise ein Stapel von Polarisationsgittern sein in dem der
Gesamtablenkwinkel durch verschiedene Kombination der Ablenkwinkel einzelner Gitter erzeugt wird.
Allgemein kann der Eintritts- bzw. Einfallswinkel des Lichts in ein Polarisationsgitter z.B. durch eine Kombination unterschiedlicher diffraktiver Elemente, wie
Volumengitter, oder refraktiver Elemente, wie Prismen, die im Lichtweg vor dem Polarisationsgitter angeordnet sind, eingestellt oder geändert werden.
Auch kann sich beispielsweise bei solaren Anwendungen der Einfallswinkel mit der Sonnenposition ändern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Diffraktives Optisches Element der eingangs genannten Art anzugeben und weiterzubilden, durch welches die
vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll ein hoher
Beugungswirkungsgrad für die ±1 . Ordnung für einen vorgebbaren oder veränderbaren Einfallswinkel in einem weiten Einfallswinkelbereich erzielbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist ein Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer Flüssigkristallschicht auf einem Substrat, wobei die Flüssigkristallschicht Flüssigkristallmoleküle mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht in einer oder zwei zueinander orthogonalen Richtungen periodischen Änderung ihrer Orientierung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle so eingestellt oder einstellbar ist, dass Licht einer vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der
Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt.
Das Polarisationsgitter kann ein Polarisationsgitter zur festen oder schalt- oder steuerbaren Lichtablenkung sein, das mindestens eine Flüssigkristallschicht auf einem oder aber auch zwischen mindestens zwei Substraten enthält. Die
Flüssigkristallschicht enthält Flüssigkristallmoleküle, wobei die Flüssigkristallmoleküle zueinander eine periodische Änderung ihrer Orientierung in einer oder in zwei zueinander orthogonalen Richtungen innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht aufweisen. Zudem wird mindestens eine weitere Orientierungsänderung der
Flüssigkristallmoleküle so vorgegeben oder steuerbar eingestellt, dass Licht einer vorgebbaren bzw. vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt. Die weitere einzustellende
Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle braucht dabei selbst nicht in der Ebene der Flüssigkristallschicht liegen, wie es beispielsweise ein Einstellung oder Änderung der Verkippung der Flüssigkristallmoleküle gegen die Ebene der
Flüssigkristallschicht darstellt. Neben der Einstellung bzw. Steuerung der Verkippung kann alternativ oder gleichzeitig beispielsweise auch die Verdrillung der
Flüssigkristallmoleküle zwischen den beiden Substarten eingestellt bzw. gesteuert werden. Durch die Einstellung bzw. Steuerung der Orientierung der
Flüssigkristallmoleküle kann zugleich auch eine Anpassung der Beugungseffizienz an das eingestrahlte Wellenlängenspektrum erfolgen.
In vorteilhafter Ausführung erfährt im erfindungsgemäßen Polarisationsgitter das Licht beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine maximale Beugungseffizienz in der +1 . oder -1 . Beugungsordnung. Hierfür ist vorteilhaft die Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle auf der Stecke in der Flüssigkristallschicht, die jeweils vom Licht durchlaufenen wird, konstant, d.h. die Flüssigkristallmoleküle auf der vom Licht durchlaufenen Strecke sind alle gleichartig orientiert.
Polarisationsgitter können als passive Gitter, als schaltbare Gitter fester Gitterperiode oder als in ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter ausgestaltet werden:
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als in seiner Gitterperiode steuerbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht steuerbaren periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als passives Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren fest eingestellten Orientierungsänderung ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als schaltbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren schaltbar oder steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet.
Bei den hier betrachteten Polarisationsgittern ändern sich die die Polarisation beeinflussenden optischen Eigenschaften vornehmlich in einer optisch aktiven Ebene periodisch, die sich auf einem Substrat oder zwischen mindestens zwei Substraten befindet. Im Allgemeinen sind dabei die Substrate parallel zueinander angeordnet. Sie können aber auch einen sich in der Fläche ändernden Abstand aufweisen, um beispielsweise die Stärke der periodischen Änderung der optischen Eigenschaften lokal zu variieren. Weiterhin kann das oder die Substrate auch eine Krümmung aufweisen.
In einem Display mit paralleler aber schräger Beleuchtung unter einem bekannten Winkel kann man durch geeignete Ansteuerung der LC Moleküle folglich den schrägen Einfall ausgleichen. Damit ist eine hohe Beugungseffizienz erreichbar. Vorteilhaft wird das Polarisationsgitter so ausgestaltet dass die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der mindestens einen Flüssigkristallschicht als ein Anteil an der Gesamtonentierung und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle außerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht als ein weiterer Anteil an der
Gesamtorientierung den örtlichen Verlauf der Doppelbrechung der
Flüssigkristallschicht bestimmen. Die Orientierung der Flüssigkristallschicht ändert sich dabei periodisch in ein oder zwei Richtungen der Flüssigkristallebene um ein Polarisationsgitter zu bilden.
Diese Änderung kann beispeisweise auch entlang konzentrischer Kreise erfolgen. Durch das Einstellen bzw. Steuern der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle außerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht, beispielsweise einem
entsprechenden Kippwinkel gegen die Ebene der Flüssigkristallschicht, kann die Doppelbrechung lokal so eingestellt werden, das für die gewünschte Wellenlänge und den gewünschten Eintrittwinkel in die Flüssigkristallschicht das Licht mit möglichst maximaler Effizienz gebeugt wird. Eine Zirkulare Anordnung kann so beispielsweise vorteilhaft in einem optischen System eingesetzt werden, das nicht kollimiert beleuchtet wird, wie es beispielsweise bei optischen Systemen mit einer Mehrfachabbildung der Fall ist.
Allgemein erfährt zirkulär polarisiertes Licht eine Phasenänderung beim Durchlaufen einer doppelbrechenden Schicht, die proportional zum Drehwinkel der optischen Achse dieser doppelbrechenden Schicht ist. Bei einem Polarisationsgitter ändert sich dieser Drehwinkel periodisch entlang der doppelbrechenden Schicht kontinuierlich, so dass Lichtstrahlen eine periodische Phasenänderung gegenüber lateral versetzter Lichtstrahlen aufweisen. Eine solche periodische Phasenänderung führt zur Beugung und damit zur Ablenkung des Lichtes. Läuft ein Lichtstrahl jedoch schräg durch ein herkömmliches Polarisationsgitter ohne Verdrillung, so trifft der Lichtstrahl in verschiedenen Tiefen in der Flüssigkristallschicht auf unterschiedliche Orientierungen der Flüssigkristalle also unterschiedliche Phasen. Dies führt zu einer Art Glättung oder Verschmierung des Verlaufs der Phasenmodulation, der dann von einem Prisma abweicht und so die Beugungseffizienz verringert. Erfindungsgemäß wird durch die Einführung einer zusätzlichen Verdrillung ein Zustand eingestellt, bei dem ein schräg verlaufender Lichtstrahl in der
Flüssigkristallschicht in jeder Tiefe auf die gleiche Orientierung der Flüssigkristalle trifft. Damit wird eine Verschmierung des Verlaufs der Phasenmodulation verhindert.
Das Polarisationsgitter kann demnach so ausgestaltet sein, dass die
Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der Flüssigkristallschicht mindestens in eine Richtung periodisch gegeneinander verdreht sind und zusätzlich senkrecht zur Flüssigkristallschicht eine Verdrillung aufweisen, wobei Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschicht so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen. Ändert sich der Einfallswinkel, so wird die Verdrillung und/oder die Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle in der Tiefe der
Flüssigkristallschicht so angepasst, dass jeder Lichtstrahl jeweils nur auf
Flüssigkristallmoleküle gleichen Drehwinkels treffen, wobei sich die Drehwinkel selbst in der Ebene periodisch ändern um das Polarisationsgitter zu formen.
Licht, das unter einem Winkel α auf ein Polarisationsgitter mit einer
Flüssigkristallschicht der Dicke d auftrifft, tritt um die Strecke L = d*tan(a') lateral versetzt aus der Flüssigkristallschicht aus. Dabei ist a' der Winkel, unter dem sich der Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel α in der Flüssigkristallschicht auf Grund der
Brechzahlen der beteiligten Schichten, insbesondere des Substrates auf der
Einfallseite und der Flüssigkristallschicht selbst, entsprechend des
Brechungsgesetzes fortpflanzt. Die Flüssigkristallorientierung wird bei einem solchen Polarisationsgitter vorteilhaft so eingestellt, dass sie am unteren Substrat in der lateralen Position 0 und am oberen Substrat in der lateralen Position L = d*tan(a') den selben Wert aufweist, wobei sich diese Orientierung in lateraler Richtung innerhalb einer Gitterperiode Λ um 180° dreht. Der Verdrillwinkel τ zwischen oberen und unteren Substrat wird also vorteilhaft auf den Wert τ = 180° * d * tan(a') / Λ eingestellt.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein passives Polarisationsgitter, welches auf einen festen Einfallswinkel α und einen festen Ablenkwinkel ß für Licht der Wellenlänge λ optimiert wird, wobei die Verdrillung über die Konzentration und Art eines chiralen Dopanden, der der Flüssigkristallschicht beigemischt ist, eingestellt wird. Die Flüssigkristallmoleküle können dabei in einem polymerisierbaren Monomer eingebettet sein. Bei der Herstellung des Polarisationsgitters kann nach Auftragen des polymerisierbaren Monomers auf einem Substrat mit einer Ausrichtungsschicht das Monomer nach Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle an der
Ausrichtungsschicht auspolymerisiert werden. Der chirale Dopand und seine
Konzentration in der Flüssigkristallschicht wird dabei so ausgewählt, dass sich über die Schichtdicke d der Flüssigkristallschicht der Verdrillungswinkel τ = 180° * d * tan(a') / Λ einstellt. Hierbei steht die Gitterperiode Λ in Bezug zu den Ablenkwinkeln als A = A / (sin(a) + sin(ß)).
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein passives
Polarisationsgitter, das ebenfalls auf einen festen Einfallswinkel α und einen festen Ablenkwinkel ß optimiert wird. Dabei wird eine Flüssigkristallschicht zwischen 2 Substrate mit jeweils einer Ausrichtungsschicht orientiert. Die Ausrichtungsschichten auf beiden Seiten der Flüssigkristallzelle sind bezüglich ihrer Strukturierung lateral gegeneinander verschoben, vorzugsweise um den Betrag I = d * tan(a'). Die
Flüssigkeitsmoleküle sind beispielsweise in ein polymerisierbares Monomer eingebettet, das nach ihrer Ausrichtung auspolymerisiert wird.
Die Dicke der Flüssigkristallschicht eines Polarisationsgitters kann vorteilhaft so an einen bevorzugten Einfallswinkel und eine bevorzugte Wellenlänge angepasst werden, dass die Phasenänderung des Lichtes zwischen ordentlichen und
außerordentlichen Strahl bei diesem Einfallswinkel und dieser Wellenlänge
weitestgehend einer halben Wellenlänge entspricht.
In einer besonderen Variante einer der oben genannten Ausführungsformen wird der laterale Versatz gleicher Drehwinkel der Verdrillung zwischen Ober- und Unterseite der Flüssigkristallschicht weitestgehend auf eine halben Gitterperiode eingestellt. Die Verdrillung ist also 90°. In diesem Fall ist das Polarisationsgitter gleichermaßen für den Einfall unter einem Winkel α wie auch -a optimiert. Damit kann es zum Beispiel vorteilhaft in einem Polarisationsgitterstapel eingesetzt werden in dem ein erstes Gitter für senkrechten Einfall ausgelegt ist und je nach einfallender Polarisation um den Winkel ßi =C(2 oder ßi =-C(2 ablenkt. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, ein zweites Gitter zur weiteren Lichtablenkung auf diesen schrägen Einfall zu optimieren.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein schaltbares
Polarisationsgitter, welches mit mindestens einer optisch wieder beschreibbaren Ausrichtungsschicht ausgestaltet ist. Bei sich änderndem Einfallswinkel α wird durch eine geeignete Belichtung in der photoempfindlichen Ausrichtungsschicht deren Ausrichtungsmuster lateral um d*tan(a) gegenüber der zweiten festen oder änderbaren Ausrichtungsschicht verschoben. Entsprechend stellt sich eine geänderte Orientierung der Flüssigkristallschicht ein. Die Belichtung kann beispielsweise mit einem Interferenzmuster durch UV Licht erfolgen. Sind beide Schichten optisch änderbar, kann zusätzlich auch die Gitterperiode einstellbar ausgestaltet werden. Dazu können beide Ausrichtungsschichten über eine unterschiedliche spektrale Sensibilisierung verfügen. Die Belichtungseinheiten für die Veränderung der
Ausrichtungsschichten können auch so ausgestaltet werden, dass auf beide
Schichten separat fokussiert wird und das nicht auf eine Schicht fokussierte Licht unterhalb der Sensibilisierungsschwelle dieser Ausrichtungsschicht bleibt. Es ist auch möglich, eine optisch wieder beschreibbare Ausrichtungsschicht mit einer
Flüssigkristallschicht zu kombinieren, die eine Elektrodenstruktur zum Einstellen der Gitterperiode enthält, wobei die optischen Einschreibmuster für die
photoempfindliche Ausrichtungsschicht an die aktuelle Gitterperiode angepasst werden.
Mit Hilfe eine geeigneter Elektrodenstrukturen, welche sich auf einem oder auf beiden Substraten befindet können, lassen sich Polarisationsgitter schaltbar ausgestalten. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenstruktur kann dabei die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle so geändert werden, dass in
Strahlrichtung keine Doppelbrechung auftritt bzw. die Beugungseffizienz beeinflusst wird. Ein solche Polarisationsgitter lässt sich auch als Lichtmodulator einsetzen, wenn geeignete Maßnahmen zur Unterdrückung der unerwünschten
Beugungsordnung, wie Polarisationsfilter und/oder Blenden, getroffen werden. Ein solcher Lichtmodulator lässt sich auch in ein oder zwei Richtungen in einzelne Modulatorzellen unterteilen.
Eine mögliche Ausgestaltung eines solchen schaltbaren Polarisationsgitters mit fester Gitterperiode, das auf einen variablen Einfallswinkel α und einen festen
Ablenkwinkel ß optimiert ist, kann auf einem Substrat über eine Ausrichtungsschicht mit einer festen Strukturierung und auf dem zweiten Substrat über eine kammartige Elektrodenstruktur zur Verdrillung der Flüssigkeitsmoleküle relativ zu dieser
Ausrichtungsschicht verfügen, um jeweils eine hohe Beugungseffienz in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α zu ermöglichen.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Polarisationsgitters mit variabel einstellbarer Gitterperiode also variablem Ablenkwinkel ß, das auf einen variablen Einfallswinkel α ausgelegt ist. Die in der internationalen Patentanmeldung WO 201 1 / 067 265 A1 der Anmelderin beschrieben Gitter mit hybridem Alignment ermöglichen zwar das Einstellen einer variablen Gitterperiode, allerdings weisen die dort beschriebenen Flüssigkristallschichten eine senkrechte Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle auf einer Ausrichtungsschicht auf. Das Einstellen einer variablen Gitterperiode durch ein elektrisches Feld ist bei dieser Ausrichtung nur nahe dem Substrat mit der planaren (waagerechten) Orientierung der Flüssigkristalle möglich. Daher ist in der dort beschriebenen Anordnung die Einstellung einer
Verdrillung nicht möglich. Erfindungsgemäß weisen die Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht des Polarisationsgitters daher eine gebogene Struktur (Bend) auf. Dabei sind die Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht an beiden
Ausrichtungsschichten nahezu horizontal und in der Mitte der Flüssigkristallschicht aber ungefähr senkrecht orientiert. Diese Ausrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie die in der Anmeldung WO 201 1 / 067265 A1 beschriebene Anordnung. Durch Elektrodenpaare, die sich jeweils auf beiden Substraten befinden, kann zusätzlich eine variable Verdrillung eingestellt werden, indem die anliegenden Spannungen an den Elektroden auf dem unteren und oberen Substrat entsprechend des
Einfallwinkels lateral zueinander verschoben werden.
Die Einstellung bzw. Steuerung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle und damit der wirksamen Doppelbrechung für das die Flüssigkristallschicht unter dem gewünschten Einfallswinkel durchlaufende Licht erfolgt dabei so, dass die ordentlichen und außerordentlichen Anteile der Lichtstrahlen eine solche
Phasendifferenz erhalten, dass die Beugung des Lichts in die gewünschte Richtung mit möglichst optimaler Effektivität erfolgt. Die dazu notwendigen Einstellwerte können experimentell ermittelt werden oder durch Simulationsrechnungen gewonnen werden. Erfolgt eine steuerbare Änderung der Orientierung, können die dazu notwendigen Steuerparameter auch durch optische Sensoren ermittelt werden, die dazu zumindest in einen Teilbereich des gebeugten Lichtes angeordnet werden können, um die maximale Helligkeit des gebeugten Lichtes zu erfassen. Die
Einstellung der notwendigen Steuerparameter kann beispielsweise durch eine Systemsteuerung erfolgen, die in dem System, in welcher das Polarisationsgitter enthalten ist, vorhanden ist. Diese Systemsteuerung kann z. B. auch den
gewünschten Beugungswinkel einschalten oder steuern.
Die Steuerparameter werden vorzugsweise für die Schwerpunktwellenlänge des Lichtwellenspektrums, welches im Polarisationsgitter gebeugt werde soll, bestimmt. Wird das Polarisationsgitter in einem Zeitmultiplexverfahren mit unterschiedlichen Lichtspektren betrieben, beispielsweise bei Anwendungen in einem Farbdisplay, ist es vorteilhaft, die Einstellparameter für jedes Wellenlängenspektrum separat zu ermitteln und entsprechend der zeitlichen Abfolge der Spektren das
Polarisationsgitter mit dem zugehörigen Einstellparameter anzusteuern.
Bei Gittern mit einer festen Gitterperiode ist die Verdrillung in der Regel für unterschiedliche Wellenlängen gleich. Es könnte sich beispielsweise aber die Verkippung der Flüssigkristalle ändern. Bei Gittern mit einer variablen Periode kann beispielsweise die Gitterperiode jeweils auf die Wellenlänge angepasst werden um einen festen Ablenkwinkel zu erhalten. Damit ändert sich auch die Verdrillung.
Bei Polarisationsgittern, deren Beugungswinkel in einer oder zwei Richtungen variiert, beispielsweise um eine fokussierende Funktion zu implementieren, ist es vorteilhaft, die Einstellparameter für den jeweiligen Eintrittsort separat zu bestimmen bzw. einzustellen. Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann mit einer festen Gitterperiode ausgestaltet sein. Feste Gitterperiode bedeutet dabei, dass der lokale Verlauf der Gitterperiode nicht änderbar ist und bei einer vorgegebenen Wellenlänge und einem vorgegebenen Einfallswinkel des Lichtes den lokalen Beugungswinkel festlegt. Die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle kann dabei so eingestellt werden, dass die Beugung des Lichtes in die gewünschte Richtung mit möglichst maximaler Effektivität erfolgt. Vorteilhaft wird das Gitter so ausgestaltet, das die Orientierung der
Flüssigkristalle steuerbar ist, so dass die effektive Doppelbrechung der
Flüssigkristallschicht an einen vorgegebenen Einfallswinkel so angepasst werden kann, dass das Licht mit maximal möglicher Effektivität gebeugt, d. h. abgelenkt wird. Das Steuern der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle erfolgt vorteilhaft durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine geeignete Elektrodenstruktur. Die Elektrodenstruktur hängt dabei von den Strukturierungen der Ausrichtungsschichten und der benötigten Beeinflussung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle ab. Die Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle kann dabei durch ein elektrisches Feld in der Ebene der Flüssigkristallschicht geändert werden, wie es durch Anlegen einer Spannung an Elektrodenpaaren erreicht werden kann, die sich auf einem
gemeinsamen Substrat befinden. Das Feld muss dabei so angelegt werden, dass die Moleküle aus der durch die Ausrichtungsschicht vorgegebenen Orientierung herausgedreht werden. Ein zur Flüssigkristallschicht senkrechter Feldverlauf lässt sich durch Anlegen einer Spannung an Elektroden zwischen den beiden Substraten erreichen. Damit kann der Kippwinkel der Flüssigkristallmoleküle zur
Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Im Allgemeinen ist dieser Kippwinkel auch bei einer angelegten Spannung über der Tiefe der Flüssigkristallschicht nicht einheitlich, da die beiden begrenzenden Substratflächen als Störstellen eine
Orientierung vorgeben. Es wird damit ein mittlerer oder effektiver Kippwinkel wirksam, der die Doppelbrechung festlegt. Bei einem schrägen Durchgang des Lichts durch das Polarisationsgitter sollte die Spannung an die Elektroden zum Abschalten des Gitters so gelegt werden, dass die kristalloptische Achse in Lichtrichtung zeigt, d.h. keine Doppelbrechung wirksam wird. Im eingeschalteten Zustand ist die
Spannung so zu wählen, dass die erforderliche Doppelbrechung für eine maximale Beugungseffizienz eingestellt wird. Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann aus mehreren hintereinander liegenden Flüssigkristallschichten zwischen den beiden Substraten bestehen, wobei gleiche Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschichten so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschichten auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen. Die
Ausrichtungsschichten, die bei der Herstellung der Polarisationsgitter zwischen die einzelnen Flüssigkristallschichten angeordnet werden, werden dafür so strukturiert, das die gewünschte Verschiebung der Verdrillung zwischen den einzelnen
Flüssigkristallschichten eingestellt und damit an den lokal fest vorgegebenen
Einfallswinkel des Lichtes angepasst wird.
Erfindungsgemäß kann das Polarisationsgitter so ausgestaltet werden, dass mindestens eine zweite Flüssigkristallschicht vorhanden ist, deren Vorzeichen der Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle sich von der ersten Flüssigkristallschicht unterscheidet, wobei beide Flüssigkristallschichten die gleiche Gitterperiode aufweisen. Die beiden Polarisationsgitterschichten sind vorteilhaft so zueinander verschoben, dass lokal die optischen Achsen um 90 Grad zueinander gedreht sind. Die Dicke der beiden Flüssigkristallschichten di bzw. d2 werden vorteilhaft so gewählt, dass der Betrag der Differenz der beiden optischen Weglängen für eine Designwellenlänge λ einer Halbwellenplatte entspricht (|Δηι di - Δη2 d2| = λ/2).
Gleichzeitig sollte die Bedingung ai*Ani*di + a2 *An2 *d2 = 0 eingehalten werden. Dabei sind ai und a2 zwei Konstanten ai = (noi+nei)/(2*n0i2*nei) und a2 =
(no2+ne2)/(2*no2 2*ne2). Die Schichtdicken d1 und d2 errechnen sich damit zu di = (a2 / (ai + a2)) * λ/(2 * Δηι) und d2 = I (ai + a2)) * λ/(2 * Δη2). Vorteilhaft ist, dass bei dieser Anordnung die Beugungseffizienz für einen breiten Winkelbereich optimiert ist. Die genannte Bedingung a1 *An1 *d1 + a2*An2*d2 = 0 sorgt dafür, dass sich winkelabhängige Änderungen des optischen Weges in der ersten und der zweiten Schicht teilweise gegenseitig kompensieren und so die gesamte Winkelabhängigkeit der zweischichtigen Anordnung verringert wird.
Im Falle eines dreischichtigen Systems, bei dem sich das Vorzeichen der
Doppelbrechung zweier Schichten mit der Dicke di und d2 gegenüber dem Vorzeichen der dritten Schichten der Dicke d3 unterscheidet, sollte beispielsweise die Bedingungen
(|Δηι di - Δη2 d2 - Δη3 d3| = h/2),
Ani*di / (n0i*nei ) + Ani*d2 / (n0i2) + An3*d3 / (no3 2) = 0 und Δηι* di / (n0i2) + Ani*d2 / (n0i * nei ) + An3*d3 / (no3 * ne3) = 0 eingehalten werden, wobei die Flüssigkristallmaterialien so gewählt werden, dass die Bedingung nei * ne3 > n0i * no3 möglichst erfüllt ist.
Ähnlich wie bei einem zweischichtigen System ist ein solches dreischichtiges System für einen breiten Einfallswinkelbereich ausgelegt, da sich durch die beiden
Bedingungen
Ani*di / (n0i*nei ) + Ani*d2 / (n0i2) + An3*d3 / (no3 2) = 0 und
Δηι* di / (n0i2) + Ani*d2 / (n0i * nei ) + An3*d3 / (no3 * ne3) = 0 winkelabhängige Änderungen des optischen Weges in den 3 einzelnen Schichten gegenseitig kompensieren.
Positionen gleicher Drehwinkel der Verdrillung entlang der Durchlaufrichtung des Lichts durch eine oder der mehrere Flüssigkristallschichten mit einem vorgebbaren variablen Einfallswinkel werden in einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine feingliedrige Elektrodenstruktur individuell ansteuerbarer Elektroden, welche sich auf mindestens einem Substrat befindet, eingestellt. Die Elektrodenstruktur kann dabei so ausgestaltet werden, dass der Drehwinkel der Verdrillung entlang einer oder zwei Richtungen der
Substratebene gesteuert werden kann, wobei die Substratebene parallel zur Ebene der Flüssigkristallschicht liegt. Ist nur eine Steuerung in eine Richtung notwendig, kann es sich um ausgedehnte parallel zueinander verlaufende feingliedrige individuell ansteuerbare streifenförmige Elektroden handeln, die senkrecht zur Steuerrichtung über die Substratfläche verlaufen. Soll die Anpassung Drehwinkel der Verdrillung in zwei Richtungen erfolgen, werden die Elektroden vorzugsweise als kurze individuell ansteuerbare Elektrodenstreifen zellenförmig ausgestaltet, wie es der Anordnung von Elektroden in einem Flüssigkristalldisplay zum Schalten der Flüssigkristallmoleküle in der Displayebene (In-Plane-Switching, IPS) entspricht. Vorzugsweise tragen beide Substrate jeweils eine eigene Elektrodenstruktur. Der Verlauf der Elektrodenstreifen ist dabei vorzugsweise quer zur jeweiligen Ausrichtung der Flüssigkristalle an der zugeordneten Substratseite im spannungslosen Zustand benachbarter Elektrodenstreifen zueinander, wobei diese Ausrichtung durch die dem jeweiligen Substrat zugeordnete Ausrichtungsschicht festgelegt wird. Die
Ausrichtungsmuster beider Substrate können dabei jeweils an zugeordneten
Positionen gegeneinander verdreht sein, um eine gewünschte Verdrillung der
Flüssigkeitsmoleküle im spannungslosen Zustand vorzugeben. Entsprechend können die jeweiligen Elektrodenstreifenmuster der beiden Substrate ebenfalls
gegeneinander gedreht sein. Bei einem Polarisationsgitter mit einer festen
Gitterperiode, welches durch eine periodische Strukturierung einer oder mehrerer Ausrichtungsschichten vorgegeben wird, kann der lokale Verlauf benachbarter Elektrodenpaare auch jeweils paarweise an den Verlauf der Ausrichtungsschicht des zugeordneten Substrates und damit auch die zugehörige Zellenstruktur angepasst werden, d. h. benachbarte Elektrodenpaare sind in ein oder zwei Richtungen gegeneinander gedreht, wobei sie zusätzlich auch gegenüber dem zweiten Substrat gedreht sein können. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an die
Elektrodenpaare richten sich die kristalloptischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle entlang den Feldlinien aus. Die Winkeldifferenz der Drehung zwischen den beiden Substratseiten stellt dabei die Verdrillung ein. Durch Ändern der Spannungsdifferenz zwischen dem jeweiligen unteren und oberen Elektrodenpaar kann zusätzlich eine Verkippung der kristalloptischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle aus der Ebene der Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Trägt nur ein Substrat eine feingliedrige Elektrodenstruktur und das zweite Substrat eine großflächige gemeinsame Elektrode, wird die Verkippung durch Ändern der Spannungsdifferenz zwischen der
gemeinsamen Elektrode und der mittleren Spannungsdifferenz am jeweiligen
Elektrodenpaar eingestellt. Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Polarisationsgitter als Gitter mit variabler, d. h. steuerbarer Gitterperiode ausgestaltet. Dazu wird die periodische Änderung der die Polarisation des Lichtes beeinflussenden Ausrichtung der
Flüssigkristalle durch Anlegen eines periodischen Spannungsprofils an die
feingliedrige Elektrodenstruktur, die sich mindestens auf einer Substratseite befindet, eingestellt. Das Spannungsprofil bestimmt dabei den Verlauf der
Polarisationsänderung. Die Höhe des lokalen Spannungswertes zu einem
Bezugspotential legt dabei fest, wie stark sich die Lage der kristalloptischen Achse gegenüber der Lage, die durch die zugehörige Ausrichtungsschicht festgelegt wird, ändert. Die Periode des Spannungsprofils, bestimmt dabei die Gitterperiode des Phasengitters und damit auch den Beugungswinkel bei einem vorgegebenen
Einfallswinkel. Die Ausrichtungsschichten werden in der Regel über die gesamte Substratfläche einheitlich in eine Richtung strukturiert, wobei die
Ausrichtungsschichten der beiden Substrate gegeneinander gedreht sein können, z. B. orthogonal zueinander. Ohne ein entsprechendes Spannungsprofil an den feingliedrigen Elektrodenstrukturen bildet sich somit kein Polarisationsgitter aus und das Licht verlässt die Schicht unabgelenkt. Die Ausrichtungsschichten und die Elektrodenstruktur kann z. B. auch zirkulär zueinander ausgerichtet werden, um beispielsweise eine steuerbare Beugungslinse zu bilden.
Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann so ausgestaltet werden, dass die Periode der Änderung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle sich in ein oder zwei Richtungen entlang der Substratebene örtlich fest oder variabel ändert. Durch die örtliche Änderung der Gitterperiode wird eine örtliche Anpassung des
Beugungswinkels bei einem vorgegebenen Einfallswinkel des Lichts erreicht, um beispielsweise sammelnde oder streuende Eigenschaften des Polarisationsgitters zu realisieren. Die Variation der Gitterperiode jedoch kann dabei in unterschiedliche Richtungen auch unterschiedliche Werte aufweisen, um beispielsweise
Zylinderlinsentherme zu realisieren. Wird das Polarisationsgitter kreisförmig ausgebildet, kann sich beispielsweise die Periode in Richtung des Radius vorgebbar leicht ändert, um den Beugungswinkel zu variieren und so eine sammelnde oder streuende Funktion zu erhalten. Eine feste Änderung der Periode lässt sich beispielsweise durch eine örtliche
Variation der Ausrichtungsschichten erreichen. Bei Polarisationsgittern, bei denen die Gitterperiode über ein periodisches Spannungsprofil an einer feingliedrigen
Elektrodenstruktur einstellbar ist, kann die Periode des Spannungsprofils örtlich geändert werden. Durch örtliches Ändern der Periode des feingliedrigen
Elektrodenrasters kann zudem der erzielbare Beugungswinkelbereich bzw. die örtliche Winkelauflösung variiert werden. Dadurch kann z. B. der Ablenkbereich bzw. dessen Winkelspektrum örtlich nahezu konstant gehalten werden, wenn in das Polarisationsgitter zusätzlich eine Feldlinsenfunktion implementiert ist.
Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann vorteilhaft auch so ausgestaltet werden, dass die Einstellung der mindestens einen weiteren Orientierung der Flüssigkristallmoleküle sich in ein oder zwei Richtungen entlang der Substratebene bzw. in der Ebene der Flüssigkristallschicht örtlich fest oder variable ändert. Durch diese örtliche Variation der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle kann die
Beugungseffizienz an einen örtlich variierenden Einfallswinkel des Lichtes in die Flüssigkristallschicht angepasst werden.
Bei festen Gittern lässt sich dies z. B. durch eine örtliche Variation der
Ausrichtungsrichtungen der Ausrichtungsschichten zueinander vorgeben, so dass Lichtstrahlen mit örtlich unterschiedlichen fest vorgegeben Einfallswinkeln beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht z. B. auf jeweils gleiche, dem Einfallswinkel zugeordnete, Drehwinkel der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle treffen. Ist die aktive Schicht aus mehreren hintereinander angeordneten Flüssigkristallschichten angeordnet, können auch die sich zwischen diesen Schichten befindlichen
Ausrichtungsschichten lokal so angepasst werden, dass Lichtstrahlen mit örtlich unterschiedlichen fest vorgegeben Einfallswinkeln beim Durchlaufen der
Flüssigkristallschichten auf jeweils gleiche, dem Einfallswinkel zugeordnete,
Drehwinkel der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle treffen.
Bei schalt- oder steuerbaren Gittern kann dies durch örtliche Variation der für die zusätzliche Orientierung verantwortlichen Ansteuerspannung erfolgen. Durch
Änderung der mittleren Spannungsdifferenz zwischen zugeordneten Elektrodenpaaren beider Substrate kann beispielsweise der Kippwinkel der
Flüssigkristallmoleküle zur Flüssigkristallschicht örtlich eingestellt werden. Durch örtliche Variation der Spannungsdifferenzen an den Elektrodenpaaren mindestens einer Substratseite kann der Drehwinkel der Verdrillung örtlich eingestellt werden.
In Anordnungen zur ein- oder zweidimensionalen festen oder variablen
Lichtablenkung, kann vorteilhaft mit mindestens einem der erfindungsgemäß beschriebenen Polarisationsgitter enthalten sein, insbesondere, wenn der Lichteintritt nicht senkrecht zur Lichteintrittsfläche der Lichtablenkanordnung erfolgen soll bzw. sich der Einfallswinkel örtlich oder zeitlich ändert. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Lichtablenkanordnung mehrstufig ausgebildet ist und/oder eine zusätzliche abbildende Funktion aufweist.
Eine solche erfindungsgemäße Lichtablenkanordnung ist z. B. vorteilhaft in einem Gerät zum rekonstruieren holographisch kodierter räumlicher Szenen enthalten, um mindestens einen kleinen Sichtbarkeitsbereich der holographischen Rekonstruktion den Bewegungen der Augen eines oder mehrerer Betrachter nachzuführen, um einen größeren Betrachterbereich zu ermöglichen. Dazu besitzt ein solches Gerät vorteilhaft ein Erkennungssystem, welches die Bewegungen des Kopfes bzw. der Augen des bzw. der Betrachter erfasst und über eine Systemsteuerung das mindestens eine Polarisationsgitter und gegebenenfalls weitere
Lichtablenkkomponenten so steuert, dass sich das Zentrum des
Sichtbarkeitsbereiches mit der Lage der zugeordneten Augenpupille weitestgehend deckt.
Mindestens ein erfindungsgemäßes Polarisationsgitter kann auch vorteilhaft in einer Anordnung zum Richten von Licht, insbesondere Sonnenlicht, auf eine
photoempfindliche Fläche enthalten sein, um das Licht wechselnden
Einstrahlrichtungen und/oder Lichtverteilungen der photoempfindliche Fläche anzupassen.
In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die
Anwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Polarisationsgitters zur vollständigen oder teilweisen ein- oder zweidimensionalen Lichtablenkung mit einem festen oder variablen Ablenkwinkel gelöst. Ein solches Verfahren kann
beispielsweise zur Nachführung eines kleinen Sichtbarkeitsfensters eines Displays zur Rekonstruktion holographisch kodierter dreidimensionaler Szenen auf die Bewegung des Betrachters bzw. dessen Augen angewendet werden. Dazu können mehrere passive und/oder schaltbare und oder steuerbare Polarisationsgitter hintereinandergeschaltet werden oder mit anderen Mitteln zur Lichtablenkung kombiniert werden, um einen großen Nachführbereich zu realisieren. Das Verfahren lässt sich auch zum Sammeln von Solarstrahlung oder deren Nachführung auf eine Photovoltaikzelle anwenden. Weitere Anwendungsgebiete bestehen beispielsweise in der optischen Speichertechnik, der Beleuchtungstechnik, insbesondere bei variablen Beleuchtungen, dem Schalten optischer Verbindungen in optischen Netzwerken oder der optischen Rechentechnik.
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 dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In
Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In den Zeichnungen zeigen schematisch
Fig. 1 a ein herkömmliches Polarisationsgitter bei senkrechten Lichteinfall und
Fig. 1 b das herkömmliche Polarisationsgitter bei schrägem Lichteinfall,
Fig. 2 die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .
Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem herkömmlichen
Polarisationsgitter,
Fig. 3 ein Polarisationsgitter, das einen Stapel aus Flüssigkristallschichten enthält, die lateral gegeneinander verschoben sind und deren Flüssigkristallmoleküle jeweils von Schicht zu Schicht um einen Winkel gegeneinander verdreht sind, die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .
Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 3, ein Polarisationsgitter mit einer ersten Flüssigkristallschicht mit positiver und einer zweiten Flüssigkristallschicht mit negativer Doppelbrechung, ein dreischichtiges Polarisationsgitter mit zwei Flüssigkristallschichten gleichen Vorzeichens der Doppelbrechung und einer Flüssigkristallschicht mit entgegengesetzten Vorzeichen der Doppelbrechung, ein Polarisationsgitter ohne Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, das Polarisationsgitter nach Fig. 7a mit zusätzlicher Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht, das Polarisationsgitter nach Fig. 7b mit dargestellten Substraten und tatsächlichen Strahlverlauf, die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .
Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 7b, ein Polarisationsgitter mit Verkippung und ohne Verdrillung der
Flüssigkristallmoleküle, das Polarisationsgitter nach Fig. 9a mit Verkippung und zusätzlicher Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, ein Polarisationsgitter mit örtlich variierender Stärke der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht, Fig. 1 1 ein Ausschnitt aus einem Polansationsgitter mit hybrider Ausrichtung,
Fig. 12 ein Ausschnitt aus einem Polarisationsgitter mit gebogener Ausrichtung und
Fig. 13 ein Ausschnitt aus dem Polarisationsgitter nach Fig. 1 1 mit gebogener und verdrillter Ausrichtung.
In Fig. 1 sind die Intensitätsverhältnisse bei einem Polarisationsgitter 100 nach dem Stand der Technik dargestellt. Wie in Fig. 1 a gezeigt, wird zirkulär polarisiertes Licht, welches senkrecht auf das Polarisationsgitter 100 fällt, abhängig vom Drehsinn der zirkulären Polarisation fast vollständig in eine erste Beugungsordnung abgelenkt. Es tritt kaum unabgelenktes Licht durch das Polarisationsgitter 100 in einer 0.
Beugungsordnung.
In Fig. 1 b sind die Verhältnisse für einen schrägen Lichtdurchtritt durch das
Polarisationsgitter 100 dargestellt. Dabei wird nur ein Teil der Intensität in eine 1 .
Beugungsordnung abgelenkt. Ein erheblicher Teil tritt hingegen unabgelenkt durch das Polarisationsgitter.
Fig. 2 verdeutlicht die Abhängigkeit der Intensität in einer 1 . Beugungsordnung vom Einfallswinkel beim Durchgang von zirkulär polarisiertem Licht durch ein
Polarisationsgitter nach dem Stand der Technik. Gezeigt werden
Simulationsergebnisse für ein Polarisationsgitter, welches in einer Flüssigkristallschicht ausgebildet wurde und 2μηη Gitterperiode bei einer Schichtdicke von ca. 1 ,5μηη aufweist. Die Flüssigkristallmoleküle besitzen keine spiralförmige Verdrehung entlang der Achse senkrecht zur Flüssigkristallschicht. Ein solches Gitter hat im grünen
Spektralbereich bei senkrechtem Lichteinfall einen Ablenkwinkel von ca. 15°. Bis etwa 10° Grad Einfallswinkel treten noch sehr hohe Beugungseffizienzen nahe 100%
Prozent in der +1 . oder -1 . Ordnung auf. Bei höheren Einfallswinkeln nimmt die
Effizienz ab. Ab Einfallswinkeln von ca. 45° Grad fällt die Effizienz in der +1 oder -1 . Ordnung unter 50%.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Polarisationsgitters, welches für schrägen Lichteinfall optimiert wurde. Drei Flüssigkristallschichten 21 1 , 212 und 213 befinden sich zwischen zwei nicht dargestellten Substraten. Die Schichtdicke der ersten Flüssigkristallschicht 21 1 und der dritten Flüssigkristallschicht 213 werden so ausgelegt dass die Schichtdicke jeweils einer λ/4 Platte entspricht (Δη d = K/4). Die zweite
Flüssigkristallschicht 212 wird als K/2 Platte ausgestaltet (Δη d = K/2). Alle drei
Schichten bestehen aus dem gleichen flüssigkristallinen Material. Die drei
Flüssigkristallschichten 21 1 , 212 und 213 werden lateral so gegeneinander verschoben angeordnet, dass die Drehwinkel der doppelbrechenden Achsen der
Flüssigkristallmoleküle von Schicht zu Schicht um jeweils 45° zueinander verdreht sind. Solche Gitter können vorrangig als passive Polarisationsgitter ausgestaltet werden. Mit geeigneten Elektrodenstrukturen auf den Substraten lassen sie sich auch schaltbar ausgestalten.
In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Intensität in einer 1 . Beugungsordnung vom
Einfallswinkel beim Durchgang von zirkulär polarisiertem Licht durch ein
erfindungsgemäßes Polarisationsgitter nach Fig. 3 dargestellt. Gegenüber Fig. 2 wird eine deutlich höhere Beugungseffizienz in der 1 . Ordnung in einem breiten
Einfallswinkelbereich erzielt.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Polarisationsgitter mit einer ersten Flüssigkristallschicht 221 mit positiver Doppelbrechung und einer zweiten Flüssigkristallschicht 222 mit negativer Doppelbrechung. Die beiden
Flüssigkristallschichten 221 , 222 werden nacheinander auf einem hier nicht
dargestellten ersten Substrat abgeschieden. Beide Flüssigkristallgitterschichten 221 und 222 sind so gegeneinander verschoben, dass lokal die optischen Achsen um 90° zueinander gedreht sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in der Zeichnung die Substrate, die die beiden übereinander gestapelten Flüssigkristallschichten 221 und 222 einschließen, nicht mit dargestellt. Das betrifft auch etwaige Elektrodenstrukturen, die sich auf diesen Substraten befinden können und mit denen solche Anordnungen eines Polarisationsgitters, welches für einen schrägen Lichtdurchtritt optimierte sind, schaltbar ausgestaltet werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein dreischichtiges Polarisationsgitter so ausgestaltet, dass zwei Flüssigkristallschichten ein gleiches Vorzeichen der Doppelbrechung und eine weitere Flüssigkristallschicht ein entgegen gesetztes
Vorzeichen der Doppelbrechung aufweisen. Rein beispielhaft weisen die beiden
Flüssigkristallschichten 231 und 232 in Fig. 6 positive Doppelbrechung auf, wobei der Gitterverlauf der optischen Achsen bei diesen beiden Flüssigkristallschichten lokal um 90° zueinander gedreht sind. Flüssigkristallschicht 233 besitzt dagegen negative
Doppelbrechung. Sein Gitterverlauf der optischen Achse kann zur ersten
Flüssigkristallschicht 231 oder zur zweiten Flüssigkristallschicht 232 parallel verlaufen. In Fig. 6 ist ein paralleler Verlauf zur Flüssigkristallschicht 232 dargestellt.
In Fig. 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das vorteilhaft nur eine
Flüssigkristallschicht 240 benötigt. Zum Vergleich ist in Fig. 7a eine Polarisationsgitter ohne zusätzliche Verdrillung der Flüssigkeitsmoleküle senkrecht zur
Flüssigkristallschicht 240 dargestellt, das für einen senkrechten Lichteintritt optimiert wurde bzw. bei dem über eine nicht dargestellte Elektrodenstruktur so eine Spannung angelegt wird, dass die Flüssigkristallmoleküle keine Verdrillung erfahren. Die
Lichtstrahlen treffen dabei jeweils auf Flüssigkristallmoleküle gleichen Drehwinkels der doppelbrechenden Achse. In lateraler Richtung ändert sich der Drehwinkel periodisch, was zu der gewünschten periodischen Phasenänderung führt. Lichtstrahlen, die schräg auf die Flüssigkristallschicht 240 auftreffen, würden auf ihrem Weg durch die
Flüssigkristallschicht 240 auf Moleküle mit unterschiedlichem Drehwinkel treffen. Im ungünstigsten Fall würden dadurch alle Lichtstrahlen die gleiche Phasenverzögerung erfahren, so dass kein Licht in eine 1 . Beugungsordnung gebeugt würde.
Beim erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 7b weisen die
Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 240 eine zusätzliche Verdrillung senkrecht zur Flüssigkristallschicht auf. Die Stärke der Verdrillung ist dabei an den gewünschten Einfallswinkel angepasst, so dass die Lichtstrahlen auf ihrem Weg durch die Flüssigkristallschicht 240 auf Moleküle gleichen Drehwinkels treffen. Der Drehwinkel ändert sich damit sowohl in horizontaler Richtung als auch senkrecht zur
Flüssigkristallschicht.
Die Flüssigkristallschicht 240 befindet in bekannter Weise zwischen zwei auch hier nicht dargestellten Substraten. Wird das obere und untere Substrat mit geeigneten Elektrodenstrukturen ausgestaltet, kann durch Anlegen eines Spannungsprofils die Stärke der Verdrillung beeinflusst werden, so dass steuerbar eine Anpassung des Polarisationsgitters an den Einfallswinkel erfolgen kann.
In den meisten Figuren ist der Lichtverlauf rein schematisch dargestellt. Tatsächlich erfahren die Strahlen beim Eintritt in die Zelle jedoch bereits eine Lichtablenkung, die von der Größe des Brechzahlunterschiedes abhängt. Meist erfolgt der Übergang von Luft in Glas. Dies wird in Fig. 7c demonstriert. Die Flüssigkristallschicht 240 entspricht weitestgehend Fig. 7b. Sie wurde jedoch für einen geringeren Einfallswinkel optimiert bzw. der durch Anlegen einer Spannung an eine nicht dargestellte Elektrodenstruktur eingestellte Verdrillungswinkel ist geringer. Beim Eindringen des Lichtes in das Substrat 310 erfährt das Licht bereits eine Ablenkung. Unterscheidet sich die Brechzahl der Flüssigkristallschicht von der des Substrates, erfolgt an der Grenzfläche zwischen Substrat 310 und Flüssigkristallschicht 240 eine weitere Lichtablenkung. Beim
Übergang von der Flüssigkristallschicht 240 in das zweite Substrat 320 kann eine weitere Ablenkung erfolgen. Beim Austritt des Lichts aus dem zweiten Substrat 320, erfährt das Licht eine weitere Ablenkung entsprechend des Brechungsgesetzes. Dieser Austritt erfolgt meist von Glas in Luft. Da das durch das Polarisationsgitter hindurch tretende Licht eine periodische Phasenänderung an den Flüssigkristallmolekülen erfahren, interferieren sie miteinander und werden in die gewünschte Richtung gebeugt.
Fig. 8 demonstriert Simulationsergebnisse für die Beugungseffizienz in einer 1 .
Beugungsordnung in Abhängigkeit vom Eingangswinkel für ein Polarisationsgitter gemäß Figur 7b. Das Polarisationsgitter ist für einen Einfallswinkel von ca. 37,5° in Luft optimiert. In diesem Bereich wird eine maximale Beugungseffizienz erreicht. Die
Gitterperiode beträgt wie in Fig. 2 ebenfalls Λ = 2μηη. und für die Dicke der
Flüssigkristallschicht wurden d = 1 ,5μηη gewählt. Der mittlere Brechungsindex der Flüssigkristallschicht beträgt 1 ,5. Dies entspricht einem Winkel a' in der
Flüssigkristallschicht von 24 Grad. Der Drehwinkel der Verdrillung beträgt ca. τ = 60° und berechnet sich nach der Formel τ = d * tan(a') * 180° / Λ. Aus den
Simulationsergebnissen ist zu sehen, dass eine maximale Beugungseffizienz bei ca. 35° - 40° Einfallswinkel erreicht wird. Bei senkrechtem Lichteinfall ist die Beugungseffizienz deutlich geringer. Neben der Stärke der Verdrillung sollte bei der Optimierung eines Polarisationsgitters für einen schrägen Lichteinfall auch die Dicke der Flüssigkristallschicht und/oder die Stärke der Doppelbrechung des
flüssigkristallienen Materials entsprechend der gewünschten Arbeitswellenlänge so eingestellt werden, das die optische Weglängenänderung innerhalb es
Polarisationsgitters möglichst einer halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes entspricht.
Fig. 9a und 9b demonstrieren eine Flüssigkristallschicht 250, bei der die
Flüssigkristallmoleküle eine zusätzliche Verkippung aufweisen. Fig. 9a Zeigt ein
Polarisationsgitter für senkrechten Lichtdurchtritt. In Fig. 9b ist das Polarisationsgitter für einen schrägen Lichtdurchtritt optimiert. Damit besteht eine weitere Möglichkeit, die optische Doppelbrechung entlang des Lichtweges so einzustellen, dass eine hohe Beugungseffizienz in einer ersten Ordnung erreicht wird. Auch ein solches Gitter kann mit geeigneten Elektrodenstrukturen, die auch gerastert ausgeführt werden können, ausgestattet werden, um den Kippwinkel steuerbar zu beeinflussen.
Es ist auch möglich, Verdrillung und Verkippung der Flüssigkristallmoleküle zu kombinieren.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Anordnung, bei dem sich die Stärke der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht 260 in Abhängigkeit von der Position innerhalb der Fläche der Flüssigkristallschicht 260 ändert. Auf diese Weise kann das Polarisationsgitter auf einen örtlich variierenden Eintritts- bzw. Einfallswinkel, wie er beispielsweise hinter einer Feldlinse vorliegen kann, angepasst werden. Im Allgemeinen wird das Polarisationsgitter so ausgestaltet, dass sich die Stärke der Verdrillung über Abstände ändert, die groß gegen die Gitterperiode sind. Werden die hier nicht dargestellten Substrate mit einer geeignet gerasterten Elektrodenstruktur ausgestaltet, kann das Polarisationsgitter auch steuerbar an zeitlich variierende
Eingangswinkelverteilungen angepasst werden.
Die Fig. 1 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Flüssigkristallschicht 270 eines einstellbaren Polarisationsgitters mit einer hybriden Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle Moleküle nach dem Stand der Technik. Mit individuell ansteuerbaren streifenförmigen Elektroden 410 auf dem unteren Substrat 310 lässt sich die Orientierung der Flüssigkristalle durch Anlegen eines periodischen
Spannungsprofils an diesen Elektroden 410 so einstellen, dass die gewünschte
Gitterperiode und damit die gewünschte Ablenkrichtung entsprechend der
Arbeitswellenlänge erhalten wird. Da sich die Flüssigkristallmoleküle an der nicht dargestellten oberen Orientierungsschicht, welche sich auf der den Flüssigkristallen zugewandten Seite des oberen Substrates 320 befindet, senkrecht ausrichten, ist es nicht möglich, durch streifenförmige Elektroden auf diesem Substrat eine zusätzliche Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle zur Optimierung der Beugungseffizienz für einen schrägen Lichteinfall in der Flüssigkristallschicht einzustellen.
Die Fig. 12 zeigt stattdessen einen Ausschnitt aus einer Flüssigkristallschicht 280 eines Ausführungsbeispiels eines steuerbaren Polarisationsgitters, das auf einer gebogenen Struktur der Flüssigkristallorientierung (Bend) beruht. Hier sind die
Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 280 durch nicht dargestellte
Ausrichtungsschichten parallel zu den beiden Substraten 310 und 320 angeordnet. Durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine zusätzliche Elektrodenstruktur 430 auf dem oberen Substrat 320 lässt sich eine zusätzliche Verdrillung der
Flüssigkristallmoleküle einstellen, wie es in Fig. 13 schematisch dargestellt ist. Dadurch kann das Gitter bei veränderbarem Einfallswinkel nicht nur in seiner Ablenkrichtung eingestellt werden, sondern auch die Beugungseffizienz dieses abgelenkten Lichtes in Abhängigkeit vom Einfallswinkel steuerbar optimiert werden. Durch Anlegen geeigneter periodischer Spannungsmuster an die untere und obere gerasterte Elektrodenstruktur 420, 430 kann bei einem solchen Polarisationsgitter auch die Gitterperiode und damit der Ablenkwinkel veränderbar eingestellt werden.
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 . Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer
Flüssigkristallschicht auf einem Substrat, wobei die Flüssigkristallschicht
Flüssigkristallmoleküle mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht in einer oder zwei zueinander orthogonalen Richtungen periodischen Änderung ihrer Orientierung enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens eine weitere Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle so eingestellt oder einstellbar ist, dass Licht einer vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt.
2. Polarisationsgitter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Licht beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine maximale Beugungseffizienz in der +1 . oder -1 . Beugungsordnung erfährt.
3. Polarisationsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als in seiner Gitterperiode steuerbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht steuerbaren periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet ist.
4. Polarisationsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als passives Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren fest eingestellten Orientierungsänderung ausgebildet ist.
5. Polarisationsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als schaltbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren schaltbar oder steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet ist.
6. Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anteil der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der mindestens einen Flüssigkristallschicht und der Anteil der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle außerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht den örtlichen Verlauf der Doppelbrechung der Flüssigkristallschicht bestimmen.
7. Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der
Flüssigkristallschicht mindestens in eine Richtung periodisch gegeneinander verdreht sind und zusätzlich senkrecht zur Flüssigkristallschicht eine Verdrillung aufweisen, wobei die Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschicht so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen.
8. Polarisationsgitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrillung über die Konzentration und Art eines chiralen Dopanden, der der
Flüssigkristallschicht beigemischt ist, einstellbar ist.
9. Polarisationsgitter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein zweites Substrat enthält, wobei sich die Flüssigkristallschicht zwischen den Substraten befindet und der Drehwinkel der Verdrillung der
Flüssigkristallmoleküle durch die gegenseitige laterale Verschiebung je einer
Ausrichtungsschicht auf jedem Substrat einstellbar ist.
10. Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der Flüssigkristallschicht an einen bevorzugten Einfallswinkel und eine bevorzugte Wellenlänge so angepasst ist, dass die
Phasenänderung des Lichtes zwischen ordentlichen und außerordentlichen Strahl beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht bei diesem Einfallswinkel und dieser Wellenlänge weitestgehend einer halben Wellenlänge entspricht.
1 1 . Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verschiebung gleicher Drehwinkel der Verdrillung zwischen Ober- und Unterseite der Flüssigkristallschicht weitestgehend einer halben Gitterperiode entspricht.
12. Polarisationsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optisch wieder beschreibbare
Ausrichtungsschicht enthalten ist.
13. Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine geeignete Elektrodenstruktur enthält, mit der sich durch Anlegen eines geeigneten Spannungsprofils die Orientierung der
Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht ändern lässt.
14. Polarisationsgitter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Substrat eine Ausrichtungsschicht mit einer festen Strukturierung und ein zweites Substrat mit einer kammartigen Elektrodenstruktur zur Verdrillung der Flüssigkeitsmoleküle relativ zu dieser Ausrichtungsschicht enthält.
15. Polarisationsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsgitter mehrere hintereinander liegende Flüssigkristallschichten enthält, wobei gleiche Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschichten so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem
vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschichten auf
Positionen gleicher Drehwinkel treffen.
16. Polarisationsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine weitere Flüssigkristallschicht enthält, deren Vorzeichen der Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle sich von der ersten Flüssigkristallschicht unterscheidet und beide Flüssigkristallschichten die gleiche Gitterperiode aufweisen.
17. Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Substrat eine feingliedrige Elektrodenstruktur individuell ansteuerbarer Elektroden aufweist, um den Drehwinkel der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an die Elektrodenstruktur in ein oder zwei Richtungen in der Ebene der Flüssigkristallschicht zu steuern, so dass Lichtstrahlen mit einem variablen Einfallswinkel beim
Durchlaufen der einen oder der mehreren Flüssigkristallschichten auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen.
18. Polarisationsgitter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel der Lichtstrahlen nach dem Durchlaufen der mindestens einen
Flüssigkristallschicht durch Ändern der Periode des Spannungsprofils steuerbar ist.
19. Polarisationsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode der Änderung der Orientierung der
Flüssigkristallmoleküle in einer oder zwei Richtungen in der Ebene der
Flüssigkristallschicht örtlich variabel ist.
20. Anordnung zur ein- oder zweidimensionalen festen oder variablen
Lichtablenkung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anordnung mindestens ein Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 19 enthalten ist.
21 . Anordnung zur Rekonstruktion holographisch kodierter dreidimensionaler Szenen, dadurch gekennzeichnet, dass in ihr mindestens ein Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 19 enthalten ist.
22. Anordnung zum Richten von Sonnenlicht auf eine photoempfindliche Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass in ihr mindestens ein Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 19 enthalten ist.
23. Verfahren zur ein oder zweidimensionalen festen oder variablen
Lichtablenkung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtablenkung mit mindestens einem Polarisationsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 19 teilweise oder vollständig erfolgt.
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