WO2018060497A1

WO2018060497A1 - Einrichtung zum vereinigen von lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten pixeln eines lichtmodulators wechselwirken

Info

Publication number: WO2018060497A1
Application number: PCT/EP2017/074903
Authority: WO
Inventors: Norbert Leister; Stephan Reichelt
Original assignee: Seereal Technologies S.A.
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-04-05
Also published as: JP2022159269A; DE112017004898A5; KR20190058593A; US20200033672A1; US11656494B2; TW201825982A; CN113741063B; CN110178092B; TWI749073B; JP7094947B2; TW202403412A; US10871674B2; TW202217409A; KR102509521B1; US20210109404A1; JP2019531507A; KR20230037706A; CN110178092A; JP7369242B2; CN113741063A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Einrichtung zur Strahlkombination und räumliche Lichtmodulationseinrichtung zur komplexwertigen Modulation. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Strahlkombinierung und eine optische Anordnung von polarisationssensitiven Komponenten, die eine komplexwertige Modulation eines Lichtfeldes mittels eines phasenmodulierenden Lichtmodulators und einem Strahlkombinierer ermöglicht, welche unempfindlich gegenüber Änderungen in der Einfallsrichtung der Beleuchtungswelle ist. Weiterhin betrifft dieses Dokument auch verschiedene Anordnungen von reflektiv arbeitende Lichtmodulatoren.

Description

Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Einrichtung zur Strahlkombination und eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung zur komplexwertigen Modulation von Licht. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Strahlkombinierung und eine optische Anordnung von polarisationssensitiven Komponenten, die eine komplexwertige Modulation eines Lichtfeldes mittels eines phasenmodulierenden Lichtmodulators und einem Strahlkombinierer ermöglicht, welche unempfindlich gegenüber Änderungen in der Einfallsrichtung der Beleuchtungswelle ist.

Einrichtungen der eingangs genannten Art kommen insbesondere in holographischen Displays zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Objekten und/oder Szenen zum Einsatz bzw. sind hierfür nützlich, wobei solche Displays z.B. in der WO 2006/066919 A1 oder in anderen Veröffentlichungen der Anmelderin beschrieben sind.

Stand der Technik

Die DE 10 2009 044 910 A1 und die WO 2010/149583 A1 beschreiben verschiedene Ausgestaltungen einer Einrichtung zur Strahlkombinierung von je 2 Phasenpixeln eines Lichtmodulators (SLM) zu einem komplexwertigen Pixel, im folgenden Beam Combiner genannt. Die beiden Pixel sind benachbart zueinander angeordnet. In diesem Dokument sind mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators insbesondere räumlich unmittelbar aneinander grenzende Pixel zu verstehen, wobei die Pixel in horizontaler, vertikaler oder in einer anderen Richtung - z.B. diagonal - benachbart zueinander angeordnet sein können. Licht von beiden Pixeln eines Pixelpaares wird nach Durchtritt durch den SLM eine unterschiedliche Polarisation aufgeprägt. Dies geschieht mittels einer strukturierten Verzögerungsplatte. Das Licht der einen Polarisation nimmt einen anderen Weg durch den Beam Combiner als das der anderen, so dass am Ausgang des Beam Combiners eine Überlagerung bzw. eine Vereinigung stattfindet. Unter dem Begriff Vereinigen von Lichtstrahlen ist in diesem Dokument insbesondere eine räumliche Überlagerung der Lichtstrahlen derart zu verstehen, dass nach der Vereinigung die vereinigten Lichtstrahlen an einem räumlichen Überlappungsbereich eine im Wesentlichen gleiche Ausbreitungsrichtung aufweisen. Fig. 1 - und in ähnlicher Weise Fig. 8 der WO 2010/149583 A1 - zeigt nach dem Stand der Technik eine strukturierte Aperturblende AP und eine Schicht PS mit einer polarisationsabhängigen Lichtausbreitung, zum Beispiel eine Kalzitschicht. Schematisch ist der Lichtweg eingezeichnet. Zur Vereinfachung ist schematisch die geometrische Lichtausbreitung eingezeichnet, wobei die Beugung nicht mitberücksichtigt ist.

Das einfallende Licht wird aufgeteilt in Licht einer - beispielsweise linearen - Polarisation, das durch die Schicht zu einem ersten Pixel eines SLM PIX läuft und Licht einer zweiten - zum Beispiel zur ersten senkrecht stehenden und auch linearen - Polarisation, das zu einem zweiten Pixel des SLM PIX läuft. Zur Veranschaulichung sind hier schematisch die eine Polarisation mit einer gestrichelten Linie und die andere Polarisation mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet. Für einen LC-basierten phasenmodulierenden SLM, der beispielsweise nur Licht einer bestimmten Eingangspolarisation in der Phase moduliert, kann am Ausgang der polarisationsselektiven Schicht noch eine strukturierte Verzögerungsplatte angebracht sein. Diese bewirkt, dass vor Eintritt in den SLM PIX zum Beispiel für das zum zweiten Pixel laufende Licht die Polarisation so gedreht wird, dass nur Licht einer Polarisation den SLM selbst durchläuft. Im Falle eines reflektiven SLM läuft das Licht dann den gleichen Weg zurück, und Licht von beiden Pixeln eines Pixelpaares wird wieder an der Position der Aperturöffnung überlagert.

Fig. 2 zeigt den Fall ohne Aperturblende. Zur Veranschaulichung ist dasjenige Licht, das an einer Position eintritt, an der vorher die Aperturblende war, in einem anderen Grauton eingezeichnet. An jedem Pixel würde Licht beider Polarisationsrichtungen ankommen. Nach Durchlaufen des SLM PIX würde auch Licht wieder von jedem Pixel in zwei Richtungen zurücklaufen. Auf dem Rückweg würde zwar das Licht von Pixel 1 und Pixel 2 in gewünschter Weise überlagert. Unerwünscht würde aber auch Licht von Pixel 2 mit Licht von Pixel 3 überlagert. In dieser Form ist die Anordnung als Einrichtung zur Strahlkombination (Beam Combiner) nur unzureichend anwendbar. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen anzugeben und weiterzubilden, die diese Probleme weitgehend vermeidet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung dient zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken. Der Lichtmodulator weist eine Vielzahl von Pixeln auf und wird derart angesteuert, dass jeweils zwei benachbarte Pixel einen Makropixel bilden. Bezogen auf einen Makropixel ist ein Strahlteiler vorgesehen, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit einfallende Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl in Richtung des ersten Pixels des Makropixels propagiert und der zweite Teilstrahl in Richtung des zweiten Pixels des Makropixels propagiert. Vorzugsweise erfolgt die Aufteilung der Lichtstrahlen in den ersten Teilstrahl und in den zweiten Teilstrahl mit einer im Wesentlichen gleichen Intensität. Zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtmodulator ist ein erstes strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil vorgesehen, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist. Der erste und der zweite Teilstrahl durchlaufen nach Wechselwirkung mit dem jeweiligen Pixel des Makropixels ein zweites strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen - vorzugsweise entgegengesetzten - Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist. Ein Strahlvereiniger ist vorgesehen, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl vereinigbar ist. Zwischen dem Lichtmodulator und dem ersten oder zweiten strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil ist ein Strahlselektor angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet - z.B. absorbiert oder reflektiert - werden, die nicht zu dem Makropixel gehören. Der Lichtmodulator dieser Einrichtung wird vorzugsweise transmissiv von dem einfallenden Licht bzw. den beiden Teilstrahlen durchsetzt oder durchläuft den Lichtmodulator lediglich einmal. Im Folgenden wird diese Einrichtung als transmissiv arbeitende Einrichtung bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung dient zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken. Der Lichtmodulator weist eine Vielzahl von Pixeln auf und wird derart angesteuert, dass jeweils zwei benachbarte Pixel einen Makropixel bilden. Bezogen auf einen Makropixel ist ein Strahlteiler vorgesehen, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit einfallende Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl in Richtung des ersten Pixels des Makropixels propagiert und der zweite Teilstrahl in Richtung des zweiten Pixels des Makropixels propagiert. Vorzugsweise erfolgt die Aufteilung der Lichtstrahlen in den ersten Teilstrahl und in den zweiten Teilstrahl mit einer im Wesentlichen gleichen Intensität. Zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtmodulator ist ein strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil vorgesehen, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist. Ein Reflexionsmittel ist vorgesehen, mit welchem die Teilstrahlen reflektiert werden. Der erste und/oder der zweite Teilstrahl durchlaufen nach Wechselwirkung mit dem jeweiligen Pixel des Lichtmodulators das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil und den Strahlteiler erneut, um den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl wieder zu vereinigen. Zwischen dem Lichtmodulator und dem strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil ist ein Strahlselektor angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet werden, die nicht zu dem Makropixel gehören. Vorzugsweise wechselwirken das einfallende Licht bzw. die beiden Teilstrahlen mit dem Lichtmodulator dieser Einrichtung in reflektiver Weise. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, dass die beiden Teilstrahlen den Lichtmodulator zweimal durchlaufen, wenn beispielsweise eine Flüssigkristallschicht des Lichtmodulators ein erstes Mal durch die Flüssigkristallschicht verläuft, am Reflexionsmittel reflektiert wird und ein zweites Mal durch die Flüssigkristallschicht verläuft. Ein Beispiel für einen solchen Lichtmodulator ist ein LCoS. Andererseits können die Pixel des Lichtmodulators selbst ein Reflexionsmittel aufweisen, so dass die beiden Teilstrahlen jeweils mit einem reflektiv wirkenden Pixel wechselwirken. Ein Beispiel für einen solchen Lichtmodulator ist ein MEMS. Im Folgenden wird diese Einrichtung als reflektiv arbeitende Einrichtung bezeichnet.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass eventuell störende Beugungseffekte an einer strukturierten Apertur insbesondere dadurch vermieden werden können, dass keine solche strukturierte Apertur in der Einrichtung verwendet werden muss und die aufgeteilten Teilstrahlen dennoch nicht in unerwünschter Weise von benachbarten Makropixeln unbeabsichtigt beeinflusst werden. So wirkt nämlich aufgrund der besonderen Ausgestaltung und Anordnung des Strahlselektors in Verbindung mit einem strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil vergleichbar zu der nun nicht mehr erforderlichen strukturierten Apertur, nämlich derart, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet werden, die nicht zu dem Makropixel gehören. Die Wirkungsweise ist jedoch insoweit unterschiedlich, als die strukturierte Apertur an ihren lichtundurchlässigen Stellen keine Lichtstrahlen in die Einrichtung zur Strahlkombinierung gemäß des Stands der Technik eintreten lässt. Die erfindungsgemäße Einrichtung lässt jedoch alle einfallenden Lichtstrahlen in die erfindungsgemäße Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen eintreten und blendet - quasi erst im inneren der Einrichtung - aufgrund der Kombination des Strahlselektors in Verbindung mit dem strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil die nicht zu einem Makropixel gehörenden ersten und/oder zweiten Teilstrahlen aus. Dadurch dass keine strukturierte Apertur in der Einrichtung verwendet werden muss, entfällt in weiter vorteilhafter Weise die Ausrichtung der strukturierten Apertur zu den Positionen der Pixel des Lichtmodulators.

Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung zunächst etwas verallgemeinert dargestellt, wobei insbesondere die in der Figurenbeschreibung die bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung etwas ausführlicher und mit konkreten Beispielen erläutert werden. Bei der transmissiv arbeitenden Einrichtung könnten der Strahlteiler und der Strahlvereiniger identisch ausgebildete optisch doppelbrechende, uniaxiale Bauteile sein. Insoweit könnten der Strahlteiler und der Strahlvereiniger aus dem gleichen Material gefertigt sein bzw. gleiche optische Achsen aufweisen. Insbesondere ist die Orientierung der optischen Achse des Strahlteilers gleich ausgerichtet wie die Orientierung der optischen Achse des Strahlvereinigers. Die optischen Achsen der zwei doppelbrechenden uniaxialen Bauteile könnten so ausgerichtet sein, dass der Winkel (Θ) zur Grenzfläche für beide Bauteile einen gleichen Winkel zwischen ordinärem und extraordinärem Teilstrahl realisiert. Eine Verwendung von optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn polarisierte Lichtstrahlen bzw. Teilstrahlen miteinander zu vereinigen sind. Insbesondere könnte vorgesehen sein, dass die einfallenden Lichtstrahlen linear oder zirkulär polarisiert sind, wobei die Polarisationsrichtung der einfallenden Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Richtung derart orientiert ist, dass Strahlteiler vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit beispielsweise die einfallenden Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl - im Wesentlichen mit der gleichen Intensität - derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl in Richtung des ersten Pixels des Makropixels propagiert und der zweite Teilstrahl in Richtung des zweiten Pixels des Makropixels propagiert. Bei der reflektiv arbeitenden Einrichtung könnte der - von den beiden Teilstrahlen zweimal durchlaufene - Strahlteiler in Form eines optisch doppelbrechenden uniaxialen Bauteils ausgebildet sein. Insoweit hat der Strahlteiler eine Doppelfunktion, denn einerseits teilt er die einfallenden Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl auf und andererseits vereinigt der Strahlteiler den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl wieder miteinander.

Es ist auch denkbar, dass der Strahlteiler und/oder der Strahlvereiniger jeweils nicht in Form eines doppelbrechenden Bauteils ausgebildet ist, sondern in Form von mindestens einem Volumengitter oder von mindestens einem Polarisationsgitter ausgebildet. Hierbei sollte jedoch die Dispersionseigenschaft des verwendeten Volumen- bzw. Polarisationsgitters korrigiert sein, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung mit Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden soll. In diesem Fall könnte auch für Licht jeder verwendeten Wellenlänge mindestens ein entsprechendes Gitter vorgesehen sein. Insoweit wird die Verwendung von optisch doppelbrechenden Bauteilen für die Funktion des Strahlteilers und/oder des Strahlvereinigers in der erfindungsgemäßen Einrichtung insbesondere dann bevorzugt, wenn Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zum Einsatz kommt. Ganz besonders bevorzugt weist das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil eine räumliche Strukturierung auf, die bereichsweise die Funktionalität eines Verzögerers realisiert, der eine h/2 Platte und/oder eine λ/4 Platte aufweist. Das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil könnte alternativ oder zusätzlich eine räumliche Strukturierung aufweisen, die bereichsweise keine optische Eigenschaft eines Teilstrahls verändert.

Die räumliche Strukturierung des strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteils ist vorzugsweise an die räumliche Struktur der Pixel des Lichtmodulators angepasst, beispielsweise im Sinn einer gedachten senkrechten Projektion der Struktur des strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteils auf die Struktur der Pixel des Lichtmodulators, wobei eine solche Projektion im Wesentlichen zu deckungsgleichen Bereichen führt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass diese Überlegungen sich auf die optischen Eigenschaften der Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen beziehen, und beispielsweise nicht auf die elektronischen Schaltkreise zum Ansteuern des Lichtmodulators beziehen, obwohl auch Teile der elektronischen Schaltkreise mit Licht wechselwirken.

Bei der reflektiv arbeitenden Einrichtung könnten die Pixel des Lichtmodulators selbst reflektiv ausgebildet sein, wie das z.B. bei MEMs der Fall ist. Alternativ könnte den lichtdurchlässigen Pixeln des Lichtmodulators ein Spiegel nachgeordnet sein.

Ganz besonders bevorzugt sind der Strahlteiler, der Strahlvereiniger, das erste und/oder das zweite strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil derart ausgebildet und angeordnet, dass der Strahlengang des ersten Teilstrahls und der Strahlengang des zweiten Teilstrahls im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich der Mitte zwischen dem ersten Pixel und dem zweiten Pixel des Makropixels ausgebildet ist. Genau genommen liegt die Punktsymmetrie bezüglich der Mitte zwischen dem ersten Pixel und dem zweiten Pixel des Makropixels in der Ebene vor, in welchem der Strahlengang eines ersten Teilstrahls und der Strahlengang eines zu dem ersten Teilstrahl zugehörigen zweiten Teilstrahls liegt. Bezogen auf den gesamten Makropixel liegt also eine Symmetrie bezogen zur Mittleren Strecke der beiden benachbarten Pixel vor. Insbesondere bei der transmissiv arbeitenden Einrichtung könnte der Strahlteiler und/oder das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Strahlengang des ersten Teilstrahls und der Strahlengang des zweiten Teilstrahls im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Strahlaufteilungspunktes und/oder eines Strahlvereinigungspunktes ausgebildet ist. Bei diesen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Vereinigen von Lichtstrahlen können in besonders vorteilhafter Weise die einfallenden Lichtstrahlen eine Einfallsrichtung aufweisen, die von einer vorgegebenen, einen Nominalzustand charakterisierende Einfallsrichtung abweicht und dennoch eine bestimmungsgemäße Aufteilung und Vereinigung der Teilstrahlen erreichen. Mit anderen Worten sind solche Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Vereinigen von Lichtstrahlen unempfindlich gegenüber Änderungen in der Einfallsrichtung. Weitere Ausführungen hierzu werden noch an anderer Stelle im vorliegenden Dokument gemacht.

Ganz besonders bevorzugt weist der Strahlselektor einen Polarisator auf bzw. besteht aus einem Polarisator. Bei dem Polarisator handelt es sich vorzugsweise um ein nicht räumlich strukturiertes Element. Hierbei ist der Polarisator derart ausgebildet und angeordnet, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet werden, die nicht zu dem Makropixel gehören.

Ganz besonders bevorzugt ist ein Strahlüberlagerungsbauteil vorgesehen, mit welchem der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl zur Interferenz bringbar sind. Bei dem Strahlüberlagerungsbauteil könnte es sich ebenfalls um einem Polarisator handeln, der insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein könnte, dass zur wirksamen Phasenmodulation des Makropixels die maximalen Amplituden der beiden zu überlagernden Teilstrahlen nach der Vereinigung im Wesentlichen einen gleichen Amplitudenwert aufweisen.

Falls der Lichtmodulator Flüssigkristalle aufweist, deren Orientierungsrichtung mittels elektrischer Ansteuerung variierbar ist, wird grundsätzlich zur Vermeidung von Elektrolyse eine zyklische Spannungsinvertierung bei der elektrischen Ansteuerung realisiert. Eine Spannungsinvertierung kann üblicherweise als eine Frame-Inversion, eine Line-Inversion oder mittels einer Pixel-Inversion konkret realisiert werden. Bei einer Frame Inversion werden zunächst alle Pixel mit dem gleichen Vorzeichen der Spannung angesteuert, dann wird für alle Pixel das Vorzeichen invertiert. Bei einer Line Inversion werden üblicherweise benachbarte Zeilen oder Spalten der Pixel eines Lichtmodulators mit unterschiedlichem Vorzeichen der Spannung angesteuert, zum Beispiel zunächst die geraden Zeilen mit einem positiven und die ungeraden Zeilen mit einem negativen Vorzeichen. Dann wird für alle Pixel das Vorzeichen umgekehrt. Bei einer Pixelinversion wird üblicherweise eine schachbrettartige Anordnung von positiven und negativen Spannungen verwendet.

Ganz besonders bevorzugt werden die Pixel eines Makropixels jeweils mit einer elektrischen Spannung mit gleichem Vorzeichen angesteuert. Dies könnte bei einer Line-Inversion so erfolgen, dass jeweils zwei benachbarte Pixel eines Makropixels in derselben zu invertierenden Zeile oder Spalte angeordnet sind. Alternativ kann auch die Line Inversion durch eine Double Line Inversion ersetzt werden, bei der 2 benachbarte Spalten oder Zeilen jeweils mit dem gleichen Vorzeichen der Spannung angesteuert werden und die nächsten zwei Spalten oder Zeilen mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. Das jeweils erste Pixel eines Makropixels kann sich dann in der ersten Zeile oder Spalte und das zweite Pixel des Makropixels in der jeweils zweiten Zeile oder Spalte befinden. Eine Pixel-Inversion ist auch denkbar, wobei dies sich auf eine elektrische Inversion derart bezieht, dass die beiden Pixel eines Makropixels gleichermaßen invertiert werden. Bei einer Frame-Inversion wäre die Ansteuerung der Pixel für alle Makropixel des Lichtmodulators jeweils mit einer elektrischen Spannung mit gleichem Vorzeichen stets gegeben.

Nun könnten der Strahlteiler, ein ggf. vorhandener Strahlvereiniger, das mindestens eine strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil und/oder der Strahlselektor im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und an der ein oder anderen Stelle einen Zwischenraum aufweisen. Ganz besonders bevorzugt sind jedoch der Strahlteiler, ein ggf. vorhandener Strahlvereiniger, das mindestens eine strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil und/oder der Strahlselektor unmittelbar aneinander angeordnet oder aneinander befestigt (Sandwich- Anordnung). Hierdurch kann ein kompakter und stabiler Aufbau einer Sandwich-Anordnung erzielt werden, welche z.B. hinsichtlich Temperaturschwankungen optimiert ist, ohne die optischen Eigenschaften wesentlich zu verändern. Die einzelnen Komponenten könnten beispielsweise mittels Kleber aneinander befestigt sein, wobei insbesondere hinsichtlich der bereits erwähnten Symmetrisierung der Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung bevorzugt derselbe Klever verwendet wird, um unterschiedliche Schichten zusammen zu kleben.

Im Konkreten könnten die einfallenden Lichtstrahlen eine lineare Polarisation oder eine zirkuläre Polarisation aufweisen, die derart ausgerichtet oder eingestellt ist, dass die Lichtstrahlen in die ersten und zweiten Teilstrahlen aufgeteilt werden und wiedervereinigt werden können.

Bei der reflektiv arbeitenden Einrichtung könnte zwischen dem Lichtmodulator und dem Strahlteiler oder zwischen dem Strahlteiler und dem Strahlüberlagerungsbauteil eine flächenförmige Beleuchtungseinrichtung (vergleichbar zur WO 2010/149583 A1 ) angeordnet sein. Eine solche flächenförmige Beleuchtungseinrichtung könnte vergleichbar zur WO 2010/149583 A1 ausgebildet sein. Die Beleuchtungseinrichtung könnte einen flächenförmigen Lichtleiter und eine Auskoppeleinheit aufweisen, mit welcher das Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt und in Richtung des Lichtmodulators umlenkbar ist. Das am Reflexionsmittel reflektierte Licht könnte im Wesentlichen unabgelenkt durch die Beleuchtungseinrichtung und dann durch den Strahlvereiniger propagieren, falls beispielsweise die Polarisationsrichtungen der entsprechenden Lichtstrahlen geeignet eingestellt sind.

Falls der Lichtmodulator Flüssigkristalle aufweist und derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkristalle eine out-of-plane Drehung durchführen, wie das z.B. bei Flüssigkristalle im ECB-Modus (electrically controlled birefringence) der Fall ist, so könnten die einfallenden Lichtstrahlen linear polarisiert sein, wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil bereichsweise die Funktionalität einer K/2 Platte aufweisen könnte. Der Lichtmodulator könnte Flüssigkristalle aufweisen und derart ausgebildet sein, dass die Flüssigkristalle eine in-plane Drehung durchführen. Eine solche Konfiguration ist insbesondere im HAN-LC-Mode (hybrid aligned nematic liquid crystal mode) oder im CI PR- Mode (continuous in-plane rotation) oder in smektische LC-Moden, bei denen eine in-plane Drehung der LC-Moleküle in einem elektrischen Feld im Vergleich zu einer out-of-plane Drehung dominiert, gegeben. Ferner könnte der Lichtmodulator auch Flüssigkristalle enthalten die eine cholesterische Phase aufweisen und bei denen die optische Achse im elektrischen Feld eine in-plane Drehung aufweist (uniform lying helix - ULH - mode). In den genannten Fällen könnten die einfallenden Lichtstrahlen linear polarisiert sein, wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil bereichsweise die Funktionalität einer λ/4 Platte aufweist. Das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil ändert dann die Polarisation, so dass in den Lichtmodulator selbst zirkulär polarisiertes Licht eintritt. Beispielsweise kann durch strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil bereichsweise rechts-zirkular polarisiertes licht und bereichsweise links-zirkular polarisiertes Licht erzeugt werden. Mit anderen Worten wird die erfindungsgemäße Aufgabe ferner durch eine Einrichtung zur Strahlkombination gelöst, die eine strukturierte Verzögerungsplatte aufweist. Die strukturierte Verzögerungsplatte weist SLM-seitig, also von der strukturierten Verzögerungsplatte zum SLM gesehen, wenigstens einen zusätzlichen Polarisator auf. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den unabhängigen 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 der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung

Fig. 1 und 2 Anordnungen von Beam Combiner aus dem Stand der Technik, Fig. 3, 3a, 3b ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators in einer reflektiven Anordnung wechselwirken,

Fig. 4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum

Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators in einer transmissiven Anordnung wechselwirken,

Fig. 5 im oberen Diagramm die resultierende Phase als Funktion der

Phasendifferenz zwischen den beiden Phasenwerten und im unteren Diagramm die Amplitude und die Intensität als Funktion der Phasendifferenz,

Fig. 6 im oberen Diagramm der Michelson Kontrast als Funktion der Phasendifferenz und im unteren Diagramm die Intensitätsdifferenz als Funktion der Phasendifferenz,

Fig. 7 eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen nach dem Stand der

Technik, wobei auf der linken Seite in Fig. 7a die zu vereinigenden Lichtstrahlen benachbarter Pixel im Wesentlichen senkrecht auf den Lichtmodulator einfallen, und wobei auf der rechten Seite in Fig. 7b die zu vereinigenden Lichtstrahlen benachbarter Pixel in einem vom Lot zur Oberfläche abweichenden Winkel auf den Lichtmodulator einfallen,

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, wobei bei der oberen Fig. 8a die zu vereinigenden Lichtstrahlen benachbarter Pixel im Wesentlichen senkrecht auf den Lichtmodulator einfallen, und wobei bei der unteren Fig. 8b die zu vereinigenden Lichtstrahlen benachbarter Pixel in einem vom Lot zur Oberfläche abweichenden Winkel auf den Lichtmodulator einfallen, und

Fig. 9 eine zur Fig. 8 vergleichbare erfindungsgemäße Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, wobei der in Fig. 9 gezeigte Lichtmodulator auf in-plane LC- Modulation basiert.

Die Verwendung des Polarisators ist insbesondere sinnvoll bei Einsatz von SLM, die selbst polarisiertes Licht benötigen, wie beispielsweise Flüssigkristall (LC)-basierte SLM. Sie ist aber nicht auf derartige beschränkt, sondern kann auch mit anderen Typen von SLM vorteilhaft eingesetzt werden.

Die Verwendung des Polarisators ist besonders vorteilhaft bei reflektiven SLM mit kleinen Pixeln, wie beispielsweise LCoS (liquid crystal on Silicon), aber nicht auf solche beschränkt.

Im Folgenden werden die Wirkungsweise des Polarisators und deren Äquivalenz zur Aperturblende beschrieben. Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Einrichtung zur Strahlkombination mit einem Polarisator Pol für einen reflektiven SLM PIX.

Fig. 3a zeigt den Hinweg des Lichtes: Die Schicht PS mit polarisationsselektiver Lichtausbreitung bewirkt, dass an beiden Pixeln zunächst Licht beider Polarisationsrichtungen ankommt. Anschließend durchläuft das Licht die strukturierte Verzögerungsplatte WP. Durch einen Polarisator Pol wird auf dem Hinweg eine der beiden Polarisationsrichtungen gefiltert.

Im Fall einer geometrischen Lichtausbreitung würde diese Filterung in ihrer Wirkung äquivalent sein zur der Wirkung einer strukturierten Aperturblende wie sie in Figur 1 nach dem Stand der Technik gezeigt ist. Denn nur das Licht, das von den Positionen innerhalb der Apertur kommen würde, wird von dem Polarisator durchgelassen. Für den realistischen Fall, der störenden Beugung an den Aperturen berücksichtigt, ist allerdings die Anordnung mit Polarisator zu bevorzugen. Dies gilt in besonderem Maße für kleine Pixel.

Fig. 3b zeigt den Rückweg des Lichtes nach dem Durchgang durch den reflektiven SLM. Es ergibt sich die Überlagerung nur von den gewünschten Pixelpaaren, nämlich Pixel 1 mit Pixel 2, aber nicht Pixel 2 mit Pixel 3. Der Polarisator kann bei einem reflektiven SLM wahlweise selbst reflektiv ausgebildet und an der Rückseite des SLM angeordnet sein.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen verkippungstoleranten transmissiven SLM, der keine Aperturblende aufweist, stattdessen mit einem Polarisator Pol an der Eingangsseite des SLM PIX, der zwischen zwei polarisationsselektiven Schichten PS angeordnet ist, versehen ist. Ferner sind zwei Verzögerungselemente WP vorgesehen.

Möglich sind auch andere Ausgestaltungen, bei denen beispielsweise der SLM die Phase von zirkulärem Licht moduliert, indem zusätzliche Verzögerungsplatten in die Anordnung eingefügt werden. Die Erfindung ist also nicht auf die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Konfigurationen beschränkt.

Im Folgenden wird ein weiterer Aspekt in Verbindung mit Einrichtungen zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, beschrieben, die einerseits in Verbindung mit dem oben beschriebenen Konzept, andererseits jedoch auch losgelöst davon umgesetzt werden können. Dieser weitere Aspekt betrifft die Empfindlichkeit auf Änderungen des Einfallswinkels des Lichts auf eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen.

Eine unsymmetrische Anordnung der Komponenten zum Beeinflussen des Lichts zur Überlagerung zweier Phasenpixel würde jedoch dazu führen, dass die auf Zweistrahlinterferenz basierende Überlagerung zweier Nachbarpixel sehr empfindlich gegenüber kleinen Veränderungen des Lichtweges durch ein Lichtmodulator-Sandwich ist. Dazu wird zunächst die resultierende Intensität l_R = A_R ² = (U_R · U_R ) betrachtet, die sich bei der kohärenten Überlagerung zweier Wellen U_R = Ui + U₂ ergibt zu:

wobei A-i und A₂ die Amplituden der Teilwellen und Δφ der relative Phasenunterschied beider Teilwellen (Teilstrahlen) sind. Haben beide Amplituden den gleichen Wert von A-i = A₂ = 0,5 wird deutlich, dass gemäß Fig. 5 die resultierende Intensität vom Kosinus des relativen Phasenunterschiedes Δφ abhängig ist, mit konstruktiver Interferenz (d.h. maximale Intensität) bei Δφ = 0 und destruktiver Interferenz (d.h. minimale Intensität) bei Δφ = π. Es wird nun vorausgesetzt, dass das räumliche Lichtmodulator-Sandwich (SLM) so kalibriert ist, dass die beiden Teilphasen φ-ι , φ₂, die zur relativen Phasendifferenz Δφ = φ₂ - φ₁ beitragen, die gewünschten Intensitätswerte 0 < l_R < 1 am Ausgang des SLM korrekt anzeigen. Dieser Zustand wird im Folgenden als Nominalzustand bezeichnet. Erfährt nun einer der beiden Teilstrahlen eine zusätzliche Phasenverschiebung von π, führt dies dazu, dass das angezeigte Grauwertbild invertiert wird, d.h. eine Kontrastumkehr stattfindet. Gemäß Fig. 6 wird der Michelson-Kontrast zwischen einem ursprünglich hellen und dunklen Bildpixel dann zu CM = -1 - Im kalibrierten Nominalzustand ist der Michelson-Kontrast gleich 1 . Nur kleine Abweichungen von diesem Idealzustand sind zulässig, damit der Kontrastverlust nicht als störend wahrgenommen wird. Als plausible, jedoch nicht fest definierte Grenze sei für die folgende Betrachtung ein minimal zulässiger Wert von C_M = 0,924 angenommen, der bereits bei einem relativen Phasenfehler von π/8 = 0.3927 rad auftritt, siehe auch die Fig. V4 und V5. Für holographische Displays ist es jedoch sehr wichtig, sowohl die Amplitude als auch die Phase richtig darzustellen, da sich ansonsten die Rekonstruktionsqualität deutlich verschlechtert. Nicht korrekt dargestellte Hologramm-Amplitudenwerte führen in der Rekonstruktion zu weniger bzw. nicht mehr darstellbaren Grauwerten. Aus den Fig. 6 und V4 wird insbesondere deutlich, dass Grauwerte die Intensitäten um 0,5 entsprechen, am empfindlichsten auf kleine Änderungen der Phasendifferenz reagieren, da in diesem Bereich die partielle Ableitung der Intensität nach der Phasendifferenz (Phase 2 - Phase 1 ) am größten ist.

Nachfolgend wird dies am Beispiel der WO 2010/149588 A1 erklärt, in der eine Einrichtung zur Strahlkombination offenbart ist. Dazu wird Fig. 7 der vorliegenden Anmeldung betrachtet. Das polarisationssensitive Element (uniaxial crystal - einachsiger Kristall) dient hier zur Kombinierung beider durch den SLM modulierten Teilstrahlen in den zusammengesetzten Strahl. Es wird vorausgesetzt, dass der relative Phasenunterschied, verursacht durch unterschiedliche optische Weglängen in der polarisationssensitiven Komponente (uniaxial crystal), zwischen beiden Teilstrahlen für den Nominalzustand bereits kalibriert ist, so dass beide Wellen „in Phase" ohne relative Phasenverschiebung sind. Damit sind die Phasenwerte, die in die jeweiligen zu überlagernden Phasen-Subpixel zur Darstellung des gewünschten Amplitudenwertes des Makro-Pixels eingeschrieben werden müssen, bekannt.

Der Nominalzustand ist beispielsweise bei senkrechtem Einfall kalibriert worden (Fig. 7 (a)). Durch thermische Ausdehnung oder mechanische Beanspruchung des Displays oder der Beleuchtungseinrichtung des Displays kann der Fall eintreten, dass eine kleine relative Verkippung zwischen einfallender Welle und dem SLM-Sandwich entsteht. Dies führt dazu, dass in einem der beiden zu vereinigenden Teilstrahlen ein zusätzlicher optischer Weg (optical path difference OPD) zurückgelegt wird, d.h. eine zusätzliche Phase ΔΦ= OPD^*2TT/A aufaddiert wird. Diese zusätzliche Phase ist vom Einfallswinkel α des Lichts, dem Abstand bzw. Pitch der zu überlagernden Pixel p_x und der optischen Weglänge abhängig:

Für das Verständnis ist es wichtig zu erkennen, dass die für die Anwendung kritische Änderung des optischen Wegunterschieds bzw. der optischen Weglänge nicht durch die polarisationssensitive Komponente eingeführt wird, siehe auch Fig. V7, sondern nur durch geometrische Verkippung. Der Weg im umgebenden Medium ist hierfür entscheidend, wie in Fig. 7 (b) gezeigt. Per Definition verlaufen alle einfallenden und ausfallenden Strahlen parallel zueinander (Eigenschaft einer planparallelen Platte, umgeben vom gleichen Medium) und liegen alle in einer Ebene (Eigenschaft eines uniaxialen Kristalls mit optischer Achse in der Einfallsebene). Die polarisationssensitive Komponente kann daher als„Black-Box", siehe auch Fig. V1 1 , betrachtet werden, die einmalig so kalibriert ist, dass beide Teilstrahlen„in Phase" sind. Der kalibrierte Nominalzustand könnte also durchaus auch ein Zustand sein, bei dem der Einfallswinkel nicht exakt Null ist. Entscheidend ist, dass nur für diesen einen Zustand eine phasenrichtige Überlagerung stattfindet. Alle relativen Abweichungen vom Nominalzustand führen zum beschriebenen Problem und damit zum Nachteil vorhandener Ausführungen nach dem Stand der Technik.

Im Folgenden wird ein Zahlenbeispiel zur Verdeutlichung der Problematik gegeben. Nach dem oben abgeleiteten Kriterium, dass für einen Michelson-Kontrast von minimal C_M = 0,924 ein relativer Phasenfehler von maximal ΔΦ = π/8 = 0.3927 rad zulässig ist, ergeben sich die maximal zulässigen Abweichungen im Einfallswinkel α des Lichts gemäß obiger Formel zu α = arcsin{ /(16p_x)}. Bei einer Wellenlänge von λ = 532 nm resultiert dies in zulässige Änderungen im Einfallswinkel von 0,038° bei einem Pixelpitch von 50 μηη bzw. 0,019° bei 100 μηη Pixelpitch, siehe auch Fig. V12). Diese engen Toleranzen bei mechanischer und thermischer Beanspruchung des Displaysystems einzuhalten, wäre technisch sehr aufwändig bzw. kaum realisierbar. Unter einem Pixelpitch ist insbesondere eine mittlere Pixelgröße oder ein mittlerer Pixelabstand zu verstehen, und zwar insbesondere in der Richtung, in der zwei Pixel zu einem Makropixel kombiniert werden, also zum Beispiel den horizontalen Pixelpitch/Pixelabstand, wenn zwei horizontal benachbarte Pixel zu einem Makropixel kombiniert werden. In der WO 2010/149583 A1 ist ferner auch eine Kombination eines reflektiven Lichtmodulators (SLM) mit einem Beam Combiner und einem Frontlight beschrieben. Hierbei wird eine Anordnung gezeigt, bei der Licht zweimal durch den Beam Combiner läuft, vom Frontlight durch den Beam Combiner zum SLM und nach Reflexion an der Rückseite des SLM wieder zurück durch den Beam Combiner. Hierbei bewirkt eine strukturierte Apertur bereits auf dem Hinweg eine Trennung der Polarisation des einfallenden Lichtes in zwei Anteile, wobei der eine Anteil zu dem ersten Pixel eines Pixelpaares gelenkt und der zweite Anteil zu dem zweiten Pixel der Pixelpaares gelenkt wird. Nach Modulation durch die beiden SLM-Pixel werden auf dem Rückweg diese Anteile wieder am Ausgang des Beam Combiners überlagert. Auch diese Anordnung ist anfällig für geometrische Verkippungen der Lichtstrahlen gegenüber dem Nominalzustand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Strahlkombination und eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung zur komplexwertigen Modulation von Licht zu schaffen, die nahezu unempfindlich auf Änderungen des Einfallswinkels des Lichts bzw. Abweichungen vom Nominalzustand reagieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der gesamte Strahlengang im Lichtmodulator-Sandwich (SLM) derart symmetrisch realisiert wird, dass sich etwaige Verkippungen gleichermaßen auf beide zu überlagernden Teilstrahlen auswirken und sich dadurch gegenseitig kompensieren, siehe auch Fig. V15. Hierfür werden der (im Wesentliche phasenmodulierende) SLM zwischen polarisationssensitiven Komponenten eingebettet und die optischen Medien, die von beiden Teilstrahlen räumlich getrennt durchlaufen werden, symmetrisch in Lichtausbreitungsrichtung ausgelegt bzw. angeordnet, so dass die Summe der optischen Weglängen beider Teilstrahlen OPL-ι und OPL₂ für unterschiedliche Einfallswinkel jeweils konstant ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Kombinieren von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixel eines Lichtmodulators wechselwirken, umfasst einen eine Vielzahl von Pixeln aufweisenden Lichtmodulator, ein strahlteilendes Bauteil, welches vorzugsweise uniaxial doppelbrechend ausgebildet ist, ein strahlvereinigendes Bauteil, welches vorzugsweise uniaxial doppelbrechend ausgebildet ist, und ein Strahlüberlagerungsbauteil. Das strahlteilende Bauteil ist ausgebildet und angeordnet, dass damit einfallende Lichtstrahlen von dem strahlteilenden Bauteil in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl zu einem ersten Pixel des Lichtmodulators propagiert und der zweite Teilstrahl zu einem zweiten Pixel des Lichtmodulators propagiert, vorzugsweise jeweils mit im Wesentlichen gleicher Intensität, wobei das strahlvereinigende Bauteil ausgebildet und angeordnet ist, dass damit der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl nach Wechselwirkung mit den jeweiligen Pixeln des Lichtmodulators vereinigbar ist. Das strahlteilende Bauteil und das strahlvereinigende Bauteil sind derart ausgebildet und angeordnet, dass der optische Strahlengang des ersten Teilstrahls (z.B. bezogen auf die Polarisationseigenschaft) und der optische Strahlengang des zweiten Teilstrahls (z.B. bezogen auf die Polarisationseigenschaft) im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich der Mitte zwischen dem ersten Pixel und dem zweiten Pixel ausgebildet ist.

Diese Lösung wird anhand von einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben, welches ein doppelbrechendes Material als polarisationssensitive Komponente verwendet. Die beschriebenen Grundprinzipien der Lösung, d.h. die Symmetrisierung des getrennt verlaufenden optischen Pfades, lassen sich jedoch ebenso für andere Arten von polarisationssensitiven optischen Komponenten wie Volumengitter (volume Bragg gratings) oder Polarisationsgitter (polarization gratings) anwenden. Allerdings müssen je nach Art der polarisationssensitiven Komponente und je nach erforderlicher Eingangspolarisation des (insbesondere phasenmodulierenden) SLM gegebenenfalls andere Verzögerer (Retarder, strukturiert oder unstrukturiert) verwendet werden (z.B. λ/4-Platte (quarter wave plate (QWP) für Polarisationsgitter)) bzw. die Sequenz der einzelnen Schichten anpasst werden.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in Verbindung mit einer Strahlkombinationseinrichtung gezeigt, wobei die Strahlkombinationseinrichtung wenigstens ein doppelbrechendes Medium (uniaxiales Kristall - uniaxial crystal) als polarisationssensitive Komponente zur Kombination zweier phasenmodulierender Sub-Pixel des Lichtmodulators SLM aufweist. Ein Paar von zwei phasenmodulierenden Sub-pixeln bilden jeweils ein Makro-Pixel. Der Übersicht halber sind nur ein Ausschnitt der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (die nach links und rechts in der Fig. 8 weiterzudenken sind) und die Teilstrahlen nur zweier benachbarter Pixel gezeigt, welche nach dem Prinzip der Zweistrahlinterferenz überlagert werden sollen.

Der insbesondere phasenmodulierende Lichtmodulator SLM (hier im ECB-Modus (electrically controlled birefringence) betrieben) ist zwischen zwei strukturierten Halbwellenplatten (sHWP1 und sHWP2) und zwei uniaxialen, planparallelen Kristallplatten mit gleich orientierter optischer Achse eingebettet, siehe auch Fig. V16. Zunächst erfolgt eine Strahlaufteilung durch ein erstes uniaxiales Kristall (uniaxial crystal 1 ) in zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilstahlen, die dann unabhängig voneinander (vorzugsweise in ihrer Phase) durch den SLM moduliert werden und anschließend durch ein zweites uniaxiales Kristall (uniaxial crystal 2) wieder kombiniert werden. Beide Teilstrahlen werden dann zur Interferenz gebracht, indem ein unter ca. 45° angeordneter Linearpolarisator (Polarizer) am Ausgang der Anordnung angeordnet ist. Dabei ist das Displaysandwich bzw. die Anordnung aus einachsigen Kristallen 1 und 2, SLM und Halbwellenplatten im Bereich der getrennten optischen Pfade der beiden Teilstrahlen komplett symmetrisch aufgebaut ist. Einzig die Aperturblende (Black mask) und der Linearpolarisator am Ausgang der Anordnung sind nicht punktspiegelsymmetrisch zum Zentrum des SLMs. Die optischen Achsen der doppelbrechenden uniaxialen Medien bzw. Kristalle sind so ausgerichtet, dass der Winkel Θ zur Grenzfläche für beide uniaxiale Medien einen gleichbleibenden walk-off Winkel (Winkel zwischen ordinärem und extraordinärem Strahl) realisiert.

Fig. 8a zeigt das Display-Sandwich im kalibrierten Nominalzustand. Einfallendes Licht ist linear unter 45° polarisiert und trifft auf die erste plan-parallele uniaxiale Kristallplatte (uniaxial crystal 1 ). Auf die Kristallplatte ist eine Absorbermaske bzw. Aperturblende aufgebracht, die jeden zweiten Pixel des SLM abdeckt und so ein Übersprechen verhindert. An der Kristallplatte wird das 45° polarisierte Licht aufgeteilt, wobei das senkrecht polarisierte Licht, das durch den Kreis mit Punkt gekennzeichnet ist, als ordinärer Strahl gemäß dem SneH'schem Brechungsgesetz und dem ordinären Brechungsindex des uniaxialen Kristalls gebrochen wird. Im hier gezeigten Beispiel des senkrechten Auftreffens auf die Grenzfläche zum uniaxialen Kristall bedeutet, dass der ordinäre Strahl auch senkrecht durch den uniaxialen Kristall durchtritt. Das horizontal polarisierte Licht, das durch den Doppelpfeil gekennzeichnet ist, propagiert als extraordinärer Strahl. Die Richtung des extraordinären Strahls ergibt sich dabei aus dem extraordinären Brechungsindex des uniaxialen Kristalls und der Ausrichtung der Kristallachse. Beim Austritt aus der ersten planparallelen Kristallplatte verlaufen beide Strahlen wieder parallel zum Eingangsstahl, jedoch mit senkrecht zueinanderstehender Polarisation (s-pol und p-pol). Da der vorzugsweise phasenmodulierende SLM eine senkrechte Eingangspolarisation verlangt, werden die Teilstrahlen mit horizontaler Polarisation mit einer strukturierten Halbwellenplatte (sHWPI ) um 90° in ihrer Polarisation gedreht, diejenigen Teilstrahlen mit vertikaler Polarisation werden durch die strukturierte Halbwellenplatte nicht verändert. Die strukturierte Halbwellenplatte stellt also das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil dar, welches eine räumliche Strukturierung aufweist, und bereichsweise keine optische Eigenschaft eines Teilstrahls verändert. Der SLM wird einheitlich mit senkrechter Polarisation durchlaufen, wobei beiden Teilstrahlen eine unterschiedliche bzw. vorgebbare (gewünschte) Phasenverzögerung aufgeprägt werden kann, der dem Wert entspricht, der mit dem jeweiligen Makro-Pixel dargestellt werden soll, siehe auch Fig. V3. Anschließend wird der ordinäre Strahl der ersten Kristallplatte durch eine weitere strukturierte Halbwellenplatte (sHWP2) um 90° zu horizontaler Polarisation gedreht, so dass er in einer nachfolgenden zweiten Kristallplatte (uniaxial crystal 2) als extraordinärer Strahl propagiert. Der extraordinäre Strahl der ersten Kristallplatte (uniaxial crystal 1 ) wurde bereits durch die erste Halbwellenplatte (sHWPI ) in seiner Polarisation gedreht und durchläuft die zweite Halbwellenplatte (sHWP2) ohne Veränderung in der Polarisationsrichtung. Somit propagiert dieser Strahl als ordinärer Stahl in der zweiten Kristallplatte (uniaxial crystal 2). Beide Teilstrahlen vereinigen sich wieder am Ausgang der zweiten Kristallplatte und verlaufen wiederum parallel zum Eingangsstrahl. Zur Interferenz werden sie durch den nachgeschalteten 45°-Linearpolarisator gebracht. Mittels Zweistahlinterferenz zweier phasenmodulierender Subpixel wird die Amplitude eines Makro-Pixels eingestellt. Der Phasenwert eines Makro-Pixels wird durch den relativen Phasenunterschied zwischen den einzelnen Makro-Pixeln des SLM realisiert. Dieses Prinzip ist als„double phase hologram representation" bekannt, siehe auch Fig. V3.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung wird nun anhand von Fig. 8b verdeutlicht, bei der der Eingangsstahl um einen Winkel α geneigt und damit abweichend von dem kalibrierten Nominalzustand auf den SLM trifft. Die Teilstrahlen propagieren als ordinäre und extraordinäre Strahlen durch die erste Kristallplatte und treten wiederum parallel zum Einfallsstrahl aus der Kristallplatte aus. Die Richtung des ordinären Strahles ergibt sich gemäß dem SneH'schem Brechungsgesetz und dem ordinären Brechungsindex des uniaxialen Kristalls, die Richtung des extraordinären Strahls aus dem extraordinäre Brechungsindex des uniaxialen Kristalls und der Ausrichtung der Kristallachse. Durch die geometrische Verkippung ergibt sich nun im Teilstrahl 1 eine zusätzliche relative Phasenverzögerung Δφ-ι = k-OPD-ι am Austritt der ersten Kristallplatte (k = |k| = 2π/λ- Wellenzahl; OPD - optical path difference (optischer Weglängenunterschied bzw. Wegdifferenz)), wobei sich die optische Wegdifferenz aus OPD = 8-sin(a) ergibt (δ - Abstand zwischen beiden Teilstrahlen). Eine umgekehrte Situation ergibt sich am Eintritt in die weitere Kristallplatte 2. Hier erfährt der Teilstrahl 2 eine zusätzliche relative Phasenverzögerung von Δφ₂ = k-OPD₂. Bei symmetrischer Auslegung aller Komponenten im getrennt verlaufenden Strahlengang heben sich beide optischen Wegunterschiede OPD-ι und OPD₂ vorteilhafterweise gegenseitig auf, so dass Δφ₂ - Δφ-ι = 0 gilt.

Zur Verdeutlichung der Problematik wurde Fig. 8 derart gezeichnet, als ob zwischen den einzelnen Komponenten eine Luftschicht wäre und alle Komponenten ohne Substratgläser eingesetzt würden. Bei einem komplexwertigen Modulator nach der vorgeschlagenen Lösung können aber auch alle Komponenten ohne Luftschicht aufeinander aufgebracht sein, z.B. zusammengeklebt und auf Substratgläser aufgebracht sein. Das vorgeschlagene Prinzip der abgeglichenen Strahlengänge OPD-ι = OPD₂ ist jedoch auch in diesem Fall wirksam, wenn ein symmetrischer Strahlengang vorgesehen wird. Beachtet werden muss dabei, dass gleiche Verbindungsmaterialien, z.B. Kleber, bzw. gleiche Glasmaterialien als Substrat verwendet werden. Allgemein ausgedrückt, sollten die umgebenden optischen Medien symmetrisch so ausgelegt sein, dass die Summe der optischen Weglängen beider Teilstrahlen OPL-ι und OPL₂ für unterschiedliche Einfallswinkel jeweils konstant ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungen bzw. Merkmale:

^■ Für einen SLM der auf in-plane LC-Modulation basiert, ist die vorgeschlagene Lösung ebenso anwendbar, siehe auch Fig. 9 bzw. V17. Ein Beispiel einen LC-Mode mit inplane Modulation ist der HAN-LC-Mode (hybrid aligned nematic liquid crystal mode) beschrieben. Andere Beispiele sind CIPR (continuous in-plane rotation). Auch smektische LC-Moden, bei denen eine in-plane Drehung der LC-Moleküle in einem elektrischen Feld im Vergleich zu einer out-of-plane Drehung dominiert, können als in-plane Mode angesehen werden. Auch cholesterische LC Moden (ULH uniform lying helix) können als in-plane Mode angesehen werden. In-plane bezieht sich im hier verwendeten Zusammenhang auf die Drehrichtung der optischen Achse der Flüssigkristalle im elektrischen Feld, wobei das Feld selbst beispielsweise bei ULH auch senkrecht zur LC-Schicht anliegen kann. Für die in-plane Modulation sollte jedoch die Sequenz der optischen Komponenten zwischen polarisationsselektiver Aufteilung (PSC1 - uniaxial crystal 1 ) und Kombination (PSC2 - uniaxial crystal 2) folgendermaßen gewählt werden, da der in-plane Mode zirkuläre Eingangspolarisation verlangt: unstrukturierte Viertelwellenplatte, angeordnet unter 45° (QWP1 ); SLM (in-plane LC-mode); unstrukturierte Viertelwellenplatte, angeordnet unter -45° (QWP2). In dieser Konfiguration sollte beachtet werden, dass die Phasenverschiebung bei den oben genannten in-plane-LC-Moden (HAN, CIPR, smektisch, ULH) für rechts- bzw. links-zirkular polarisiertes Licht im Vorzeichen umgekehrt ist. Dies kann jedoch in der Berechnung bzw. Darstellung der Hologrammwerte berücksichtigt werden und hat keine Auswirkungen auf die Ansteuerung des SLMs an sich. Vorteilhaft ist, dass die verwendeten Viertelwellenplatten (QWPs) unstrukturiert sind.

^■ Der maximale Winkel zwischen ordinärem Strahl und extraordinärem Strahl (walk-off angle) eines uniaxialen optischen Mediums wird durch die Lage der optischen Achse des Mediums, die Richtung des k-Vektors des ordinären Strahls sowie der Brechungsindizes n₀, n_e bestimmt. Beispielsweise für Kalzit als optisches Medium ergibt sich bei senkrechtem Lichteinfall und unter Verwendung der Indizes für die Wellenlänge von 532 nm, ein Wert von Θ = 48,2°. Aus Gründen weiterer Symmetrisierung (Herstellung, Einsatz) kann es hier vorteilhaft sein, die optische Achse auf ca. 45° zu legen, was durch Schleif- und Polierprozesse der Kristallplatte realisiert werden kann. Obgleich dadurch eine etwas dickere Platte notwendig wird, um einen gleichen Strahlversatz zu gewährleisten, ist die Gefahr einer vertauschten Orientierung beim Einbau bzw. Herstellung minimiert.

^■ Die Polarisationstrennung und Kombination kann auch mit anderen polarisationssensitiven optischen Komponenten vorgenommen werden. Vorteilhafte Beispiele sind z.B. Volumengitter oder Polarisationsgitter, welche sich neben der Polarisationsselektivität durch eine hohe Beugungseffizienz (ideal 100%) auszeichnen. Zu beachten ist dabei, dass pro Wellenlänge jeweils zwei Gitter pro Aufteilungselement (Kristallplatte 1 ) und Kombinierelement (Kristallplatte 2) vorgesehen werden müssen.

^■ Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass nicht, wie bei der herkömmlichen einfachen Ausführung, zwei benachbarte Teile einer Wellenfront zur Zweistrahlinterferenz gebracht werden, sondern der gleiche Teil der Wellenfront zunächst aufgespalten, dann moduliert und schließlich wieder vereinigt wird. Kleine laterale Wellenfrontfehler der Eingangswellenfront tragen somit nicht zu Amplitudenfehlern in der Ausgangswellenfront bei, wie dies bei der herkömmlichen einfachen Ausführung der Fall ist. Abgesehen von der Modulation mittels SLM, welche unabhängig in beiden Teilwellen erfolgt, arbeitet die herkömmliche einfache Methode nach dem lateralen Scher-Interferenzprinzip (Überlagerung einer Wellenfront mit der lateralen verschobenen gleichen Wellenfront), während die vorgeschlagene Methode nach dem Mach-Zehnder-Interferenzprinzip (Aufteilung und Rekombination einer Wellenfront) arbeitet, dessen beide Arme abgeglichen sind (d.h. gleiche optische Weglängen in beiden Teilarmen).

Anhang I

Im Folgenden wird eine Beschreibung der Darstellungen bzw. Figuren des Anhangs gegeben, wobei deren Nummerierung mit einem vorangestellten V gekennzeichnet ist:

Fig. V1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einem Beam Combiner nach dem Stand der Technik, rechts oben in einer Seitenansicht und unten in einer räumlichen Ansicht.

Lichtstrahlen der gleichen linearen Polarisation durchlaufen zwei Pixel eines phasenmodulierenden Lichtmodulators (Phase-only SLM), dann eine strukturierte Halbwellenplatte, die die Polarisation des Lichts, das von einem der beiden Pixel kommt, ändert, und die Polarisation des Lichts, das vom zweiten Pixel kommt, unverändert lässt. Eine polarisationsselektive Komponente, zum Beispiel eine doppelbrechende Schicht, wird von Licht das von dem Pixel 1 her kommt gerade bzw. unabgelenkt durchlaufen, wobei Licht, das vom Pixel 2 her kommt, die polarisationsselektive Komponente unter einem Winkel durchläuft. Am Ausgang der polarisationsselektiven Komponente tritt das Licht von beiden Pixeln am gleichen Ort und parallel zueinander und somit vereinigt aus.

Ein linearer Polarisator unter plus oder minus 45 Grad relativ zu beiden Polarisationsrichtungen der beiden Pixel (zum Beispiel 45 Grad Polarisator und 0 und 90 Grad Polarisationsrichtung des Lichtes von den Pixeln) angeordnet, transmittiert Licht, wobei die transmittierte Intensität von der relativen Phase beider Pixel abhängt, die durch die Phasenmodulation am SLM eingestellt werden kann. Hat das am Polarisator ankommende Licht von beiden Pixeln die gleiche Phase, so erfolgt eine maximale Transmission. Hat das Licht um π verschobene Phase, so erfolgt eine minimale Transmission.

Zusammen mit der mittleren Phasenmodulation beider Pixel kann die Anordnung zur komplexwertigen Modulation von Licht genutzt werden. Ein Lichtmodulator mit vielen Pixelpaaren erzeugt für jedes Pixelpaar jeweils einen Amplituden und einen Phasenwert.

Dies kann zur Kodierung von holografischen 3D Szenen genutzt werden. Im Folgenden werden zur Erläuterung aber auch Beispiele zur Darstellung von 2D Bildern auf dem Lichtmodulator beschrieben. Fig. V2 zeigt Ergebnisse der Intensität eines 2D Bildes auf dem Lichtmodulator, die mit der einer in der Fig. V1 beschriebenen Anordnung erzielt werden. Die Intensität jedes Bildpunktes des dargestellten Bildes wird mittels der Differenz der modulierten Phasen zweier Pixel des Lichtmodulators eingestellt und das Licht beider Pixel wird, wie in der in der Fig. V1 beschrieben, am Ausgang des Beam Combiners kombiniert. Das durch den Polarisator sichtbare Intensitätsbild weist dabei einen verrauschten Grauwertverlauf mit mäßigem Kontrast auf.

Weitere experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß der Fig. V1 auch empfindlich gegenüber mechanischen Spannungen reagiert. Beispielsweise durch eine mechanische Verbiegung eines Rahmens in dem sich die Beam Combiner Anordnung der Fig. V1 befindet, kann es zu einem weiteren Kontrastverlust oder sogar zu einer Invertierung der dargestellten 2D Szene kommen.

Fig. V3 zeigt rechts unten schematisch eine Anordnung von 2 benachbarten Pixeln eines Lichtmodulators, in die die Phasenwerte φι und φ₂ eingeschrieben sind. Die Amplitude des Makropixels, also des in diesem Fall nach dem Beam Combiner kombinierten Lichtes beider Pixel ergibt sich zu

Die Intensität die der Polarisator durchläset wäre proportional zum Quadrat dieser Amplitude

Die Modulation der Amplitude und Intensität in Abhängigkeit von der Phasendifferenz beider Pixel entspricht im Wesentlichen einer Zweistrahlinterferenz. Damit weicht auch die modulierte Intensität I von dem gewünschten Wert ab wenn die Phasendifferenz beider Pixel einen Fehler Δφ aufweist.

Es ergibt sich die bekannte Gleichung für Zweistrahlinterferenz

Fig. V4 zeigt auf der linken Seite grafisch aufgetragen Amplitude und Intensität in Abhängigkeit von Δφ.

Auf der rechten Seite ist der Michelson Kontrast aufgetragen

„ Imax Imin

lmax ' 'min

Können die gewünschten Phasenwerte eingestellt werden, so ist l_max = 1 und l_min = 0. Liegt jedoch ein Fehler der Phasenmodulation vor, so verringert sich l_max und erhöht sich l_min, so das der Kontrast abnimmt. Fig. V5 veranschaulicht grafische die Auswirkung eines Phasenfehlers auf die Intensitätsmodulation eines 2D Bildes.

Links oben ist die Darstellung des Bildes ohne Fehler gezeigt, in dem jeweils Pixelpaare für einen Bildpunkt die gewünschten Phase φι und φ₂ modulieren. In der Folge wird zu der Phasendifferenz φι - φ₂ ein zunehmender Fehler Δφ hinzugefügt und die Auswirkung auf das Intensitätsbild dargestellt.

Ein Fehler Δφ = π/8 führt zu einer Reduzierung des Michelson-Kontrastes C_M von 1 auf 0.924.

Ein zunehmender Fehler von Δφ führt zunächst zu einem nachlassenden Kontrast, dann bei weiter zunehmendem Fehler zu einer Invertierung des dargestellten Bildes.

Aufgrund dieser Zusammenhänge wurde festgelegt, dass der maximal tolerierbare Phasenfehler Δφ <= π/8 beträgt. Bei diesem Fehler weist das dargestellte Bild auch bereits sichtbare Änderungen auf. Diese werden jedoch subjektiv als noch tolerierbar eingeschätzt. Diese Festlegung des tolerierbaren Phasenfehlers stellt wie gesagt ein subjektives Kriterium dar. Es wäre auch möglich, andere Grenzen für den tolerierbaren Fehler festzulegen.

Fig. V6 veranschaulicht die Lichtausbreitung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles in einem uniaxialen doppelbrechenden Medium mit Brechungindizees n₀ und ne, wobei das doppelbrechende Medium auf beiden Seiten von einem gleichen isotropen Medium umgeben ist und dieses isotrope Medium den Brechungsindex n hat. Insbesondere wird auch die Lichtbrechung zwischen dem isotropen und dem uniaxialen doppelbrechenden Medium berücksichtigt, wenn der einfallende Lichtstrahl schräg auf die Grenzfläche zum doppelbrechenden Medium auftrifft.

Die aus dem doppelbrechenden Medium austretenden Strahlen (ordentlicher und außerordentlicher Strahl) verlaufen parallel zueinander aber versetzt. Es werden Gleichungen angegeben für den optischen Weg OPL₀ des ordentlichen Strahls bzw. den optischen Weg OPL_e des außerordentlichen Strahls zwischen dem Punkt O (Eintritt in das doppelbrechende Medium) und den Punkten P' bzw. P" (Austritt der beiden Strahlen aus dem doppelbrechenden Medium):

Jn²— n² sin² a und [n² (n² sin² Θ + n² cos² 0)— [n²— (n²— n²) cos² 0 sin² δ]η² sin² a]2

Diese Gleichungen sind der Veröffentlichung Veiras et al., Appl. Opt. 2010, Seiten 2769- 2777 entnommen.

Dabei ist α der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls relativ zur Normalen mit dem er im isotropen Medium auf das doppelbrechende Medium auftrifft. L ist die Dicke des doppelbrechenden Mediums. Θ ist der Winkel den die optische Achse des doppelbrechenden Mediums relativ zu seiner Oberfläche aufweist, δ ist der Winkel zwischen der Einfallsebene und der Projektion der optischen Achse auf die Grenzfläche.

Fig. V7 zeigt eine grafisch aufgetragen das Ergebnis einer Rechnung, wie sich der optische Weg für ordentlichen und außerordentlichen Strahl innerhalb des doppelbrechenden Mediums ändert, wenn Licht nicht senkrecht, sondern und einem kleinen Winkel α im Bereich zwischen 0 und 0.5 Grad auf das doppelbrechende Material auftrifft.

Diese Rechnung wird durchgeführt für eine Kalzitplatte wie sie als Beam Combiner bzw. als Strahlteiler und der Strahlvereiniger gemäß den Ansprüchen 3 oder 4 in experimentellen Aufbauten Anwendung eingesetzt wird. Das umgebende Medium ist in diesem Fall Luft mit n = 1 . Die Kalzitplatte hat n₀ = 1 .663145 und n_e = 1 .488541. Die Dicke der Kalzitplatte beträgt ca. 756 Mikrometer. Der Winkel zwischen optischer Achse und Grenzfläche beträgt ca. 48.2°. Die Rechnung wird für eine Wellenlänge des Lichtes von 532 nm durchgeführt.

Wie die Rechnung zeigt nimmt die optische Weglänge OPL₀ des ordentlichen Strahls mit steigendem α zu, die optische Weglänge OPL_e des außerordentlichen Strahls nimmt mit steigendem α ab.

Ändert sich der Winkel α von 0 auf 0.5 Grad, so führt das zu einer Änderung der optischen Wegdifferenz OPD = OPL₀ - OPL_e des ordentlichen und außerordentlichen Strahls von 48 nm. Das sind relativ zu 532 nm etwa 0.09A. Das entspricht einer Phasendifferenz von 0.18ττ. Die Änderung des optischen Weges innerhalb der doppelbrechenden Schicht bei Winkeländerung um 0.5 Grad hätte bereits Auswirkungen auf das dargestellte Intensitätsbild, denn sie ist bereits größer als ττ/8 , ist aber andererseits doch noch vergleichsweise klein, das heißt erklärt nicht die experimentell gefundene starke Empfindlichkeit der Anordnung gegen geringe Justageänderungen. Fig. V8 veranschaulicht weitere Überlegungen, die nun die gesamte Wegdifferenz im uniaxialen doppelbrechenden Medium und im umgebenden isotropen Medium berücksichtigt. In Bezug auf die Fig. V6 wird also nicht der optische Weg zwischen O und P' bzw. P", sondern der optische Weg zwischen O und Q' bzw. Q" berechnet.

Für die gesamte Phasendifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α wird eine Formel angegeben:

.

Δ.φ—

rig sin 0 + n cos ()

Dabei ist wieder α der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls relativ zur Normalen, mit dem er im isotropen Medium auf das doppelbrechende Medium auftrifft. L ist die Dicke des doppelbrechenden Mediums. Θ ist der Winkel, den die optische Achse des doppelbrechenden Mediums relativ zu seiner Oberfläche aufweist, δ ist der Winkel zwischen der Einfallsebene und der Projektion der optischen Achse auf die Grenzfläche. Weiterhin sind wieder n₀ und n_e die Brechungsindizees des doppelbrechenden Materials und n der Brechungsindex des umgebenden isotropen Materials. λ_ν ist die Wellenlänge des Lichts.

Fig. V9 zeigt Rechnungen der absoluten Phasendifferenz Δφ in Abhängigkeit sowohl vom Einfallswinkel α als auch vom Winkel δ wieder gerechnet für eine Kalzitplatte der Dicke von ungefähr 756 Mikrometern.

Für den nominalen Zustand mit α = 0°, also senkrechten Einfall und mit δ = 0°, ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl von Δφ = 757.7 rad.

Ändert sich zum Beispiel der Winkel α von 0 auf 0,5 Grad und bleibt δ = 0°, so steigt die Phasendifferenz auf Δφ = 766 rad an.

Ändert sich zusätzlich der Winkel δ, so hat dies auch Einfluss auf Δφ, umso mehr, je größer α wird.

Fig. V10 zeigt die Änderung von Δφ modulo 2ττ. Die Referenz mit α = 0°, also senkrechten Einfall und mit δ = 0°, ist jetzt also auf 0 gesetzt. Bei einer Änderung von a, wenn δ = 0° bleibt, ergibt sich, dass schon ein Winkel α = 0.181 Grad im Vergleich zu α = 0 eine Änderung von Δφ um π bewirkt.

Fig. V1 1 zeigt die Analyse der Auswirkungen der winkelabhängigen Änderungen von Δφ in Form eines„black-box" Modells. Der Beam Combiner bzw. Strahlvereiniger, oder in diesem Fall in umgekehrter Richtung durchlaufen als„Beam Splitter" bzw. Strahlteiler, wird als„black-box" angesehen und nur die Phasenverschiebung im umgebenden Medium wird berücksichtigt.

Im Nominalzustand - also für senkrechten Lichteinfall - würde man dann eine Kalibration des Beam Combiners durchführen, indem man zu einem der beiden Phasenpixel einen Offset der Phasenmodulation hinzufügt, so dass beide Pixel „in-phase" sind. Ein so kalibrierter Beam Combiner würde die gewünschte Amplitudenmodulation liefern.

Eine Änderung der Phasendifferenz Δφ um π um damit eine Inversion des Kontrastes würde aber bereits auftreten, wenn der Einfallswinkel α sich um 0.181 Grad ändert. Diese Rechnungen wurden für einen Pixelpitch des Lichtmodulators von 84 Mikrometer durchgeführt, für den sich die benötigte Dicke der Kalzitplatte von 756 Mikrometern ergibt.

Wird die Anordnung mit Lichtmodulator und Beam Combiner also einmal kalibriert, so bewirkt eine Verkippung der Lichtquelle relativ zur doppelbrechenden Schicht eine Kontrastinversion. Die Anordnung besitzt also eine sehr geringe Toleranz gegen Verkippungen des einfallenden Lichts.

Fig. V12 zeigt die Abhängigkeit der tolerierbaren Winkeländerung Δα in Abhängigkeit vom Pixelpitch des Lichtmodulators.

Ausgangspunkt ist das tolerierbare Δφ_ίΤ13Χ von ττ/8. Daraus ergibt sich eine tolerierbare optische Wegdifferenz λ

OPD <— 2 Δφ ^Tmax Die Rechnungen für eine Wellenlänge von 532 nm ergeben

Für einen Pixelpitch von 84 Mikrometern liegt der tolerierbare Wert von Δα im Bereich von ungefähr 0.02 Grad. Für kleineren Pixelpitch steigt der Wert etwas an und nähert sich bei 20 Mikrometer Pitch 0.1 Grad an.

In diesem Winkelbereich müsste die Beleuchtungswellenfront relativ zu der doppelbrechenden Schicht stabil gehalten werden um unerwünschte Änderungen der Amplitudenmodulation zu vermeiden.

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. Hierbei können von einem Fachmann in Kenntnis der in diesem Dokument offenbarten erfindungsgemäßen Lehre sämtliche beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder einzelnen Merkmale - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.

Anhang II

Im Folgenden wird eine Beschreibung der Darstellungen bzw. Figuren des Anhangs II gegeben, wobei deren Nummerierung ebenfalls mit einem vorangestellten V gekennzeichnet ist. Im Folgenden wird ein weiterer Aspekt beschrieben, der Lichtmodulatoren betrifft, welche in einer reflektiven Anordnung betrieben werden. Dieser Aspekt kann einerseits losgelöst von den oben erwähnten Aspekten umgesetzt werden und kann andererseits jedoch auch in Verbindung mit den oben beschriebenen Konzepten, also insbesondere in Verbindung mit Einrichtungen zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, verwendet werden, und/oder in Verbindung mit der Empfindlichkeit auf Änderungen des Einfallswinkels des Lichts auf eine Einrichtungen zum Vereinigen von Lichtstrahlen gemäß Anhang I.

Die folgenden Figuren beschreiben zunächst schematisch Konfigurationen für die LC Modulation in einem reflektiven räumlichen Lichtmodulator (SLM), beispielsweise einem LCoS. Hierbei werden in den Figuren drei Arten der Konfiguration von reflektiven räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) beschrieben, nämlich:

(a) : eine Anordnung zur Phasenmodulation bei einem Lichtmodulator mit einem LC Mode mit„in-plane" Modulation;

(b) : eine Anordnung zur Phasenmodulation bei einem Lichtmodulator mit einem LC Mode mit„in-plane" Modulation für einen Drehwinkel bis zu 180 Grad; und

(c) : eine Anordnung zur Phasenmodulation bei einem Lichtmodulator mit einem LC Mode mit„out of plane" Modulation.

Fig. V19 zeigt eine Konfiguration nach dem Stand der Technik mit einem Lichtmodulator SLM basierend auf Phasenmodulation mit Flüssigkristallen LC mit einem„out of plane" LC Mode, in diesem Beispiel ECB (electrically controlled birefringence). Licht mit linearer Polarisation durchläuft eine LC Schicht, wird dann an einen Spiegel (Mirror) reflektiert und durchläuft die LC Schicht des Lichtmodulators SLM in umgekehrter Richtung. Die LC Schicht hat im ausgeschalteten Zustand eine Dicke d und eine Doppelbrechung Δη, deren Produkt einer Halbwellen platte (λ/2-Schicht) entspricht. Dies entspricht d ^* Δη = λ/2 und im doppelten Durchgang ergibt sich dann 2 ^* d ^* Δη = λ.

Ist die Orientierung der LC Moleküle parallel zur einfallenden Polarisationsrichtung, so wird die Polarisation des Lichtes beim Durchgang durch die LC Schicht nicht gedreht. Durch Anlegen einer Spannung an die LC Schicht wird aber der optische Weg verändert, indem das effektive Δη verringert wird. Diese Änderung des optischen Weges wird zur Phasenmodulation des Lichtes genutzt. Fig. V20 zeigt schematisch die Ausgestaltung einer solchen Anordnung nach dem Stand der Technik in einem LCoS. Der LCoS weist eine Backplane und eine Pixelmatrix auf. Die Pixelelektroden selbst sind in der Regel reflektiv ausgebildet, so dass Spiegel und Elektrode zur Ansteuerung in derselben Schicht kombiniert sind. Der LCoS weist ferner ein Deckglas DG mit einer transparenten Elektrode E aus ITO (Indium Tin Oxide) auf. Zusätzlich weist der LCoS Ausrichtungsschichten zur Orientierung der LC Moleküle auf, die beispielsweise aus Polyimid PI bestehen, oder wahlweise auch aus anorganischem Material, beispielsweise SI0₂.

Eine Einschränkung bei der Verwendung von phasenmodulierenden LCoS für holografische Displays stellen die langsamen Schaltzeiten bestimmter LC Mode dar, wie zum Beispiel der ECB Mode, insbesondere die passive Ausschaltzeit.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung von Schaltzeiten wäre es, beide Schaltvorgänge aktiv zu betreiben, das Einschalten mit einem out-of-plane Feld und das Ausschalten mit einem inplane Feld. Die Fig. V21 und V22 zeigen Möglichkeiten, die Elektroden eines LCoS zu modifizieren, um ein solches aktives Ausschalten mit einem in-plane Feld zu ermöglichen.

Fig. V21 zeigt eine Anordnung bei der die flächige ITO Elektrode E auf dem Deckglas DG durch eine fein strukturierte Elektrode LE ersetzt ist.

Fig. V22 zeigt eine Anordnung, bei der stattdessen im Deckglas DG weiterhin eine flächige Elektrode tE, aber darüber eine Isolationsschicht I und über dieser zusätzliche Linienelektroden LE verwendet werden. Zum Anlegen eines out-of-plane Feldes werden die Linienelektroden und die flächige ITO Elektrode E mit der gleichen Spannung angesteuert, wobei sich dieser Spannungswert aber von der Spannung, die an die Pixelelektroden angelegt wird, unterscheidet. Zum aktiven Ausschalten werden die Linienelektroden und die flächige ITO Elektrode mit unterschiedlichen Spannungswerten angesteuert, so dass eine Feldverteilung mit in-plane Anteilen entsteht.

Die Fig. V23 und V24 zeigen Möglichkeiten zur Verwendung von Elektroden und Spiegeln bei in-plane LC Moden, wie zum Beispiel IPS oder HAN, die durch ein in-plane Feld angesteuert werden. Diese LC Moden werden üblicherweise nur in transparenten Displays eingesetzt aber nicht in einem reflektiven LCoS.

Da die Modulation des LC in einem in-plane Feld zwischen zwei Elektroden erfolgt, kann die in einem LCoS übliche Kombination von Elektrode und Spiegel in einer einzelnen Schicht nicht verwendet werden. Eine metallische Spiegelschicht zwischen den Elektroden würde zu ungewünschten Kurzschlüssen führen. Vorgeschlagen wird daher in der Fig. V23 die Verwendung eines reflektierenden dielektrischen Schichtstapels DE oberhalb der Elektroden E. Für den Betrieb mit Lasern in einem holografischen Display kann der dielektrische Schichtstapel DE auf eine hohe Reflektion bei den verwendeten Laserwellenlängen optimiert sein. Ein Schichtstapel zwischen den Elektroden E und der LC Schicht führt aber dazu, dass die Stärke des Feldes innerhalb der LC Schicht des Lichtmodulators SLM bei gleicher Spannung an den Elektroden E im Vergleich zu einer Konfiguration ohne dielektrische Schicht DE reduziert ist.

Fig. V24 zeigt daher eine Anordnung mit dickeren Elektroden E und einem reflektierenden dielektrischen Schichtstapel DE nur zwischen den Elektroden E und nicht darüber. Dies würde also die gewünschte Reflexion an dem dielektrischen Schichtstapel DE in Kombination mit einem gewünschten in-plane Feld in der LC Schicht ergeben.

Fig. V25 zeigt schematisch eine Anordnung zur Phasenmodulation bei einem LC Mode mit in-plane Modulation nach dem Stand der Technik. Einfallendes Licht mit linearer Polarisation durchläuft zunächst eine Viertelwellenplatte QWP deren optische Achse 45° relativ zur einfallenden Polarisationsrichtung ausgerichtet ist. Dann durchläuft das Licht die LC Schicht, deren optische Dicke der einer Halbwellenplatte entspricht, danach eine weitere Viertelwellenplatte QWP mit optischer Achse parallel zur ersten Viertelwellenplatte QWP. Die beiden Viertelwellenplatten QWP können beispielsweise als achromatische Viertelwellenplatten ausgeprägt sein. Dann wird das Licht an einen Spiegel reflektiert und durchläuft auf dem Rückweg die einzelnen Schichten in umgekehrter Reihenfolge. Heraus kommt wieder linear polarisiertes Licht mit der gleichen Polarisationsrichtung wie das einfallende Licht. Es erfolgt durch Ansteuerung der LC Schicht eine in-plane Drehung der optischen Achse der Flüssigkristalle. Diese Drehung bewirkt eine Phasenmodulation, die sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg jeweils dem doppelten des Drehwinkels entspricht. Insgesamt summiert sich also die Phasenmodulation in dieser Konfiguration zum vierfachen des Drehwinkels auf. Eine in-plane Drehung von plus minus 45 Grad (± ττ/4) ist ausreichend um eine Phasenmodulation von ± π zu erreichen.

Fig. V26 zeigt eine mögliche Implementierung zur Phasenmodulation basierend auf einem in-plane LC Mode gemäß der in Fig. V25 dargestellten schematischen Anordnung in einem LCoS mit Elektroden E und dielektrischen Spiegeln DE wie in Fig. V24.

Fig. V27 zeigt schematisch eine (im Vergleich zu Fig. V25) andere Anordnung zur Phasenmodulation bei einem LC Mode mit in-plane Modulation nach dem Stand der Technik. Einfallendes Licht mit linearer Polarisation durchläuft zunächst wieder eine Viertelwellenplatte QWP, deren optische Achse 45° relativ zur einfallenden Polarisationsrichtung ausgerichtet ist. Dann durchläuft das Licht die LC Schicht, deren optische Dicke der einer Viertelwellenplatte entspricht. Dann wird das Licht an einen Spiegel reflektiert und durchläuft die beiden Schichten in umgekehrter Richtung. Es erfolgt durch Ansteuerung der LC Schicht eine in-plane Drehung der optischen Achse der Flüssigkristalle. Diese Drehung bewirkt eine Phasenmodulation. In diesem Fall entspricht die gesamte Phasenmodulation (Hin und Rückweg zusammen) dem doppelten des Drehwinkels.

Es wäre also eine Drehung der optischen Achse des LC um ± 90 Grad (± ττ/2) nötig, um eine Phasenmodulation von ± π zu erreichen.

Fig. V28 zeigt eine mögliche Implementierung zur Phasenmodulation basierend auf einem in-plane LC Mode gemäß dem in Fig. V27 dargestellten schematischen Anordnung in einem LCoS mit Elektroden E und dielektrischen Spiegeln DE wie in Fig. V24. Diese Konfiguration hat in einem LCoS den Vorteil, dass zwischen LC Schicht und Rückseite des LCoS keine zusätzliche Viertelwellenplatte benötigt wird. Die Anforderung an den Drehwinkel liegt darin, dass er ansteuerbar im Bereich von ± 90 ist. Die bisher beschriebenen Konfigurationen für einen phasenmodulierenden LCoS sowohl für in-plane als auch für out-of-plane Mode weisen alle die Eigenschaft auf, dass die einfallende Polarisation nicht verändert wird, sondern Licht der gleichen linearen Polarisation Wieder aus dem LCoS zurückkommt, wie sie auch das einfallende Licht hatte.

Für eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, insbesondere gemäß Anspruch 1 oder 2, die entweder eine doppelbrechende Schicht oder andere polarisationsselektive Komponenten zum Strahlteilen bzw. Strahlvereinigen aufweist, ist es notwendig, dass Licht von zwei benachbarten Pixeln mit unterschiedlicher Polarisation kombiniert wird. Andererseits benötigt die LC Schicht selbst häufig auch eine bestimmte einfallende Polarisation, um die Phase wie gewünscht zu modulieren.

Fig. V29 beschreibt die Problemstellung für einen phasenmodulierenden Lichtmodulator in Verbindung mit einer Einrichtung gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken.

Die folgenden Figuren zeigen verschiedene Ausgestaltungen, um die gewünschte unterschiedliche Polarisation des reflektierten Lichtes in benachbarten Pixeln zu erreichen. Insoweit sind diese Konfigurationen geeignet, eine Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und/oder in eine Vorrichtung zum Darstellen von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Bildinhalten und/oder bewegte Szenen, mit mindestens einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, integriert zu werden. Fig. V30 zeigt schematisch eine Anordnung, die für einen in-plane modulierenden LC Mode eine unterschiedliche Polarisation für benachbarte Pixel erzeugt. Die Anordnung weist eingangsseitig einen strukturierten Polarisator sP auf, so dass bereits für das einfallende Licht für verschiedene Pixel nur entweder horizontale oder vertikale Polarisation in den Modulator eintritt. Zum Beispiel kann der Modulator mit 45 Grad linear polarisiertem Licht beleuchtet werden, das also sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Komponente aufweist. Der strukturierte Polarisator sP lässt jeweils den geeignet polarisierten Teil des einfallenden Lichtes durch. Eine Viertelwellenplatte nsQWP mit schneller Achse unter 45 Grad transformiert dann das einfallende Licht jeweils in zirkulär polarisiertes Licht, wobei sich für die benachbarten Pixel aber der Richtungssinn der zirkulären Polarisation unterscheidet. Für benachbarte Pixel entsteht also abwechselnd rechtszirkular und linkszirkular polarisiertes Licht.

Das Licht durchläuft dann eine LC Schicht des Lichtmodulators SLM, deren optische Dicke der einer Viertelwellenplatte entspricht, trifft auf einen Spiegel und läuft durch die bereits genannten Elemente zurück. Bei einer in-plane Drehung der LC Moleküle erfolgt eine Phasenmodulation proportional zu dem doppelten Drehwinkel, wobei sich jedoch das Vorzeichen der Phasenmodulation für linkszirkulares und rechtszirkulares Licht unterscheidet. Erfindungsgemäß wird dies beim Einschreiben der Phasenwerte in den Lichtmodulator berücksichtigt, indem zum Beispiel für den gleichen einzuschreibenden Phasenwert in geraden Pixelspalten durch Anlegen einer geeigneten Spannung ein positiver Drehwinkel und in ungeraden Pixelspalten ein negativer Drehwinkel der LC Moleküle erzeugt wird.

Insbesondere bei kleinen Pixeln sollte die Auswirkung von Beugungseffekten bei der Lichtausbreitung zwischen dem strukturierten Polarisator und der LC Schicht klein gehalten werden. Dazu ist es sinnvoll den Abstand zwischen strukturiertem Polarisator und der LC Schicht zu minimieren.

Vorteilhaft wird daher sowohl die Viertelwellenplatte als auch der strukturierte Polarisator„in- cell", das heißt auf der Innenseite des Deckglases (in Fig. V30 nicht gezeigt), nahe an der LC Schicht angeordnet. Diese Anordnung mit einem strukturierten Polarisator auf der Außenseite ist für einen inplane modulierenden LC sinnvoll weil eine Phasenmodulation sowohl für rechtszirkular als auch für linkszirkular polarisiertes Licht erfolgt.

Im Vergleich dazu erfolgt eine Phasenmodulation für einen out-of plane modulierenden LC für lineare Polarisation, aber nur für eine bestimmte Polarisationsrichtung - zum Beispiel bei einem ECB Mode parallel zur Orientierung der LC Moleküle im ausgeschalteten Zustand (das heißt zum Beispiel parallel zur Reibrichtung bei Orientierung des LC durch mechanisches Reiben einer PI Schicht).

Eine Anordnung eines out-of-plane modulierenden LC mit einem strukturierten Polarisator könnte also dazu führen, dass nur jedes zweite Pixel überhaupt die Phase moduliert, während für die anderen Pixel die Phase unabhängig von der Ansteuerung der Pixel konstant ist. Dieser Zusammenhang ist in Fig. V31 beschrieben.

Fig. V32 zeigt eine Lösung für dieses Problem. Gezeigt ist eine Anordnung mit einem strukturierten Polarisator sP wie in Fig. V30. Unterschiedlich linear polarisiertes Licht tritt dann durch die Pixel der LC Schicht des Lichtmodulators SLM, deren Dicke bevorzugt einer K/2 Schicht entspricht. Zusätzlich weist die LC Schicht aber eine pixelweise strukturierte Ausrichtung der LC Moleküle auf. Die Ausrichtung der LC Moleküle ist parallel zur Durchlassrichtung des strukturierten Polarisators sP vor jedem Pixel. Eine solche Ausrichtung kann beispielsweise mittels Photoalignment unter Verwendung einer geeigneten Maske bei der Herstellung des Lichtmodulators SLM durchgeführt werden. Aufgrund der geeigneten Ausrichtung der Moleküle erfolgt in jedem Pixel eine Phasenmodulation bei out- of-plane Modulation der LC Moleküle. Eine solche Anordnung, die eine strukturierte Ausrichtung des LC erfordert, ist allerdings aufwendig.

Daher wird gemäß Fig. V33 eine andere Möglichkeit vorgeschlagen, nämlich einen out-of- plane modulierenden LC mit einem strukturierten Polarisator sP zu verwenden. Zwischen dem strukturierten Polarisator sP und der LC Schicht des Lichtmodulators SLM ist dazu eine strukturierte Halbwellenplatte HWP angeordnet. Für jeden zweite Pixel dreht die strukturierte Halbwellenplatte HWP die Polarisation um 90 Grad. Dadurch wird erreicht, dass das nach Durchlaufen des strukturierten Polarisators sP und vor der strukturierten Halbwellenplatte HWP zunächst unterschiedlich polarisierte Licht nach Durchlaufen der Halbwellenplatte HWP und beim Eintritt in die LC Schicht für alle Pixel gleich polarisiert ist. Die Orientierung der LC Moleküle im ausgeschalteten Zustand (zum Beispiel Reibrichtung) wird dann so gewählt, dass sie zu der eintretenden Polarisationsrichtung parallel ist. Damit ist bei out-of-plane Modulation der LC Schicht für alle Pixel eine Phasenmodulation einstellbar. Nach Durchlaufen der LC Schicht wird auf dem Rückweg von der strukturierten Halbwellenplatte HWP die Polarisation wieder so, dass sie vom strukturierten Polarisator sP durchgelassen wird. Das Ergebnis ist also eine Phasenmodulation mit der gewünschten, für benachbarte Pixel unterschiedlichen Polarisation des aus dem Lichtmodulator SLM austretenden Lichtes.

Fig. V34 zeigt - in einer weiteren Konfiguration (d) - eine andere Möglichkeit der Phasenmodulation mit einem out-of-plane modulierenden LC und unterschiedlicher Polarisation des aus dem Lichtmodulator SLM austretenden Lichts für benachbarte Pixel. Diese Ausgestaltung kommt ohne strukturierte LC Schicht und ohne strukturierten Polarisator aus. Unter 45 Grad linear polarisiertes Licht trifft auf eine strukturierte Halbwellenplatte sHWP mit abwechselnd einem isotropen (also nicht doppelbrechenden Material) und einer (doppelbrechenden) K/2 Schicht mit 45° Grad Orientierung der optischen Achse. Auf dem Hinweg durchläuft das Licht die Halbwellenplatte sHWP mit 45 Grad ohne Drehung, weil die optische Achse bei 45 Grad parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ist und weil auch das isotrope Material die optische Achse unverändert lässt. Das Licht trifft dann auf einen Polarisator P mit 0 Grad Durchlassrichtung. Etwa 50% des Lichtes wird durch den Polarisator P absorbiert, die anderen 50% erreichen mit einheitlicher Polarisation die LC Schicht des Lichtmodulators SLM, in der eine Phasenmodulation einstellbar ist. Das Licht tritt mit unveränderter Polarisation auf dem Rückweg wieder durch den Polarisator P. Durch die strukturierte Halbwellenplatte sHWP wird nur in den Abschnitten mit 45° Orientierung der optischen Achse die Polarisation um 90 Grad gedreht. In den dazwischenliegenden Abschnitten der strukturierten Halbwellenplatte sHWP mit isotropem Material wird die Polarisation nicht gedreht. Das aus der Anordnung herauskommende Licht weist wie gewünscht wieder für benachbarte Pixel abwechselnd unterschiedliche Polarisation auf. Vorteilhaft wird diese unterschiedliche Polarisation in dieser Anordnung erst in der letzten Schicht, die das Licht durchläuft, erzeugt. Es wird auch im Gegensatz zu den vorher genannten Ausführungsformen nur eine einzige strukturierte Schicht benötigt, nämlich die strukturierte Halbwellenplatte sHWP. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass der Polarisator P zwischen LC Schicht des Lichtmodulators SLM und strukturierter Halbwellenschicht sHWP angeordnet ist. Um unerwünschte Beugungseffekte in der Lichtausbreitung zwischen der LC Schicht und der Halbwellenplatte sHWP zu minimieren, muss daher die Dicke des Polarisators P klein gehalten werden. Ein herkömmlicher Folienpolarisator mit einer Dicke von größer 100 Mikrometer wäre für kleine Pixelgrößen nicht verwendbar. Spezielle Dünnschichtpolarisatoren im Dickenbereich von 5 bis 10 Mikrometer stellen jedoch eine Alternative dar.

Fig. V 35 zeigt eine detailliertere Ansicht der Ausgestaltung aus Fig. V34. Einige Elemente wie Pixelpitch und im Vergleich dazu die relativen Dicken von LC Schicht des Lichtmodulators SLM, strukturierter Halbwellenplatte sHWP und Polarisator P sind ungefähr maßstäblich gezeichnet.

Der reflektive Lichtmodulator weist (von links nach rechts) eine Backplane BP zur Ansteuerung auf (links) darüber reflektive Elektroden E, mit gegebenenfalls einer „Black Mask" BM in den Zwischenräumen der Pixel, darüber eine Schicht PI zur Ausrichtung der Flüssigkristalle LC des Lichtmodulators SLM, zum Beispiel Polyimid, dann die Flüssigkristallschicht LC, deren optische Dicke mindestens einer K/2 Schicht entspricht (die aber auch eine größere optische Dicke aufweisen darf), dann eine zweite Orientierungsschicht PI gefolgt von einer transparenten Elektrodenanordnung LE, zum Beispiel ITO. In diesem Beispiel handelt es sich wie in der Beschreibung zu Fig. V22 erläutert um FFS-artige Elektroden LE, also Linienelektroden, gefolgt von einer isolierenden Schicht I und einer flächigen Elektrode tE. Der Elektrode tE folgen eine Polarisatorschicht P von wenigen Mikrometer Dicke (Dünnschichtpolarisator) und eine strukturierte Halbwellenplatte sHWP, die zu den Pixeln ausgerichtet ist (doppelbrechend mit optischer Achse 45 Grad relativ zur Durchlassrichtung des Polarisators abwechselnd mit nicht doppelbrechenden, isotropen Abschnitten, wie in Fig. V34 beschrieben). Die zweite Orientierungsschicht PI, die Elektroden LE, tE, der Polarisator P und die strukturierte Halbwellenschicht sHWP befinden sich innenseitig auf einem Deckglas DG (letzteres nicht maßstäblich).

Bei der Herstellung werden also typischerweise zunächst diese Schichten auf das Deckglas DG aufgebracht, dann wird das Deckglas DG zur Backplaneseite BP orientiert und zuletzt die LC Schicht eingefüllt.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Deckglas DG für die Überlagerung des Lichtes von jeweils 2 Pixeln auch als doppelbrechende Savart-Platte ausgebildet sein. Das Deckglas kann beispielsweise aus Quarzglas mit einer geeigneten Ausrichtung der optischen Achse gefertigt sein. In einer anderen Ausführungsform ist das Deckglas DG ein handelsübliches Displayglas, und im Strahlengang folgt nach der Lichtmodulator-Anordnung eine externe Savart-Platte.

Fig. V36 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die der Fig. V35, diesmal aber für einen in-plane modulierenden Lichtmodulator SLM mit einer LC Schicht. Vor rechts nach links sind zunächst das Deckglas DG, die strukturierte Halbwellenplatte sHWP und der Polarisator P identisch. Links vom Polarisator P folgt aber noch eine Viertelwellenplatte QWP, da die inplane Phasenmodulation des SLM zirkulär polarisiertes Licht erfordert. In diesem Beispiel, für einen LC Mode der eine in-plane Modulation in einem in-plane Feld macht, wird auf der Seite rechts von der LC Schicht keine Elektrode benötigt. Gezeigt ist die LC Schicht mit beidseitig angeordneten Orientierungsschichten PI. Die LC Schicht hat in diesem Fall die optische Dicke einer Viertelwellenschicht.

Wie in Fig. V24 und in der zugehörigen Beschreibung genannt, können für eine LC Mode mit in-plane Feld linienförmige Elektroden E mit dielektrischen Spiegeln DE im Raum zwischen den Elektroden E verwendet werden. Diese sind auf der linken Seite der Abbildung gezeigt.

Es gibt aber auch LC Moden die eine in-plane Drehung der Flüssigkristallmoleküle in einem out-of plane anliegenden elektrischen Feld aufweisen. Dies sind beispielsweise LC Moden mit smektischen LC Molekülen oder der Uniform Lying Helix Mode (ULH) mit cholesterischen Flüssigkristallen. Für diese könnte die gleiche Anordnung von Wellenplatten und Polarisator verwendet werden, wie in Fig. V36 gezeigt, aber mit flächigen Elektroden auf Backplane- Seite und Glassubstrat. Die Elektrodenanordnung würde also zum Beispiel der in Figur 35 gezeigten entsprechen.

Fig. V37 zeigt eine andere Anordnung für out-of-plane Modulation in der LC Schicht. Hier befindet sich rückseitig zwischen der LC Schicht des Lichtmodulators SLM und einem Spiegel eine strukturierte Viertelwellenschicht sQWP - die bei anderer optischer Dicke - von der Anordnung der optischen Achse derjenigen der Halbwellenplatte in den vorangegangenen Figuren entspricht ((doppelbrechende) Viertelwellenschicht mit 45 Grad optischer Achse im Wechsel zu (nicht doppelbrechender) isotroper Schicht).

Linear polarisiertes Licht (0°) trifft auf den Lichtmodulator SLM und läuft auf dem Hinweg unter dieser Polarisation durch die LC Schicht. Für jedes zweite Pixel wird dann durch die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP die Polarisation um 90 Grad gedreht. Da der out-of plane modulierende LC mit ECB Mode nur für eine der linearen Polarisationsrichtungen die Phase moduliert, findet also für jedes zweite Pixel (an der Position der 45° Viertelwellenschicht sQWP der strukturierten Viertelwellenplatte sQWP) eine Phasenmodulation der Lichtes nur beim ersten Durchlaufen der LC Schicht statt. Die LC Schicht hat daher eine größere optische Dicke, die mindestens einer vollen Wellenplatte entspricht, um trotzdem für alle Pixel eine Phasenmodulation von 2π zu erreichen.

Fig. V38 zeigt eine etwas detailliertere Ansicht der gleichen Ausgestaltung. Gezeigt sind hier von links nach rechts, die Backplane BP, die reflektiven Pixelelektroden E und Black Mask BM in den Pixelzwischenräumen, die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, eine Orientierungsschicht PI, zum Beispiel Polyimid, die LC Schicht des Lichtmodulators SLM, eine zweite Orientierungsschicht PI, eine flächige ITO Elektrode tE und das Deckglas DG. Da sich in diesem Fall einerseits die strukturierte Viertelwellenschicht sQWP rückseitig auf dem gleichen Substrat befindet wie die Pixelelektroden E und andererseits das Deckglas DG keine strukturierten Elemente aufweist, ist also in dieser Anordnung keine Justage bei Aufbringen des Deckglases DG relativ zur Backplane BP erforderlich. Nachteilig weist eine dickere LC Schicht in der Regel langsamere Reaktionszeiten auf.

Fig. V39 zeigt eine andere mögliche Ausgestaltung: Hier ist rückseitig zwischen der LC Schicht des Lichtmodulators SLM und dem Spiegel eine unstrukturierte Viertelwellenschicht sQWP angebracht. Die strukturierte Viertelwellenschicht sQWP befindet sich jetzt - von der LC Schicht des Lichtmodulators SLM aus gesehen - auf der anderen Seite. Diese Anordnung ist allerdings aufwendiger als die in Fig. V38 beschriebene. Die folgenden Figuren zeigen eine andere Ausgestaltung, die ein Polarisator auf der Rückseite zwischen LC Schicht und Spiegel enthält. Damit wird zwischen dem ersten und zweiten Durchgang durch die LC Schicht die Polarisation verändert.

Dies wird zunächst für in-plane LC Moden beschrieben. Fig. V40 zeigt zur Erläuterung eine Anordnung mit zwei Viertelwellenplatten sQWP, QWP, von denen die erste unstrukturiert und die zweite strukturiert ist. Linear polarisiertes Licht wird durch die erste Viertelwellenplatte QWP zu zirkulär polarisiertem Licht gewandelt. Durch die zweite (strukurierte) Viertelwellenplatte sQWP mit abwechselnd +45 und -45 Grad optischer Achse wird das Licht wieder in linear polarisiertes Licht mit abwechselnd 0 und 90 Grad Polarisationsrichtung konvertiert. In einer transmissiven Anordnung könnte sich zum Beispiel zwischen den beiden Viertelwellenschichten QWP und sQWP eine Flüssigkristallschicht zur Phasenmodulation befinden.

Für einmaligen Durchgang durch die beiden Viertelwellenschichten wird also das Ziel erreicht, eine unterschiedliche lineare Polarisation für jedes zweite Pixel zu erhalten. Für eine reflektive Anordnung würde aber beim zweiten Durchgang durch die beiden Viertelwellenschichten QWP und sQWP die Polarisationsdrehung wieder rückgängig gemacht und es würde für alle Pixel die gleiche Polarisation entstehen.

Der Ansatz der im folgenden beschriebenen Ausgestaltungen besteht nun darin, zwischen dem ersten und zweiten Durchgang durch die Viertelwellenschichten, also nahe an der Spiegelseite, einen Polarisator anzuordnen, der den Effekt der Viertelwellenplatten in einem Durchgang eliminiert aber in dem anderen Durchgang erhält.

Fig. V41 zeigt eine solche Ausgestaltung. In dieser Figur ist auch ein Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL (welche vergleichbar zur WO 2010/149583 A1 ausgebildet sein könnte) gezeigt, dass den Lichtmodulator SLM beleuchtet. Die Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL ist aber nicht zwingend Bestandteil der Ausführungsform. Wahlweise kann die Beleuchtung beispielsweise auch über einen Polarisationsstrahlteilerwürfel erfolgen und zwischen dem Strahlteilerwürfel und der Anordnung kann sich optional eine weitere, die Polarisation um 45 Grad drehende Halbwellenplatte befinden. Licht mit 45° linearer Polarisation trifft auf die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP mit abwechselnd +45° und -45° Ausrichtung der optischen Achse. Da die Orientierung der Viertelwellenplatte sQWP wahlweise senkrecht oder parallel ist zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts, bleibt dessen Polarisationszustand linear und 45°. Das linear polarisierte Licht durchläuft die LC Schicht des Lichtmodulators SLM und trifft dann auf eine Viertelwellenplatte QWP, mit ebenfalls 45 Grad Orientierung der optischen Achse und dann auf einen reflektiven Polarisator rP (oder wahlweise auf eine Kombination aus einem transmissiven Polarisator und einem Spiegel). Nur unter 0 Grad linear polarisiertes Licht kommt vom Polarisator rP zurück und durchläuft die genannten Schichten in umgekehrter Reigenfolge, wird also nach Durchgang durch die Viertelwellenplatte QWP zirkulär polarisiert, durchläuft die LC Schicht und wird dann nach Durchgang durch die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP für benachbarte Pixel abwechselnd unter 0 Grad oder 90 Grad linear polarisiert. Optional kann auch die Anordnung von strukturierter und nicht strukturierter Viertelwellenplatte sQWP, QWP getauscht werden, so dass die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP zwischen LC Schicht und Polarisator rP angebracht ist.

Diese Ausführungsform mit dem Polarisator rP auf der Rückseite hat, wie ein Teil der anderen Ausführungsformen, allerdings auch den Nachteil, dass 50% des einfallenden Lichtes aufgrund des Polarisators rP verloren geht.

Fig. V42 zeigt Details der gleichen Ausgestaltung. Gezeigt ist von rechts nach links ein Glassubstrat DG, ein ITO-Elektrode innenseitig auf dem Glassubstrat DG, die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, eine Schicht PI zur Orientierung von Flüssigkristallen LC, in diesem Fall Polyimid, eine Flüssigkristallschicht des Lichtmodulators SLM, deren optische Dicke einer Halbwellenplatte entspricht, eine weitere Schicht PI zur Orientierung der Flüssigkristalle, in diesem Fall wiederum Polyimid, und eine weitere Viertelwellenplatte QWP.

Die Pixelelektroden E zur Erzeugung eines in-plane Feldes sind auf der Backplane-Seite in den Pixelzwischenräumen angeordnet. Dazwischen befindet sich der reflektierende Polarisator, in diesem Fall ein Wire-Grid-Polarisator WGP. Da Wire-Grid Polarisatoren metallisch und damit leitfähig ist, befindet sich über dem Polarisator WGP sowie seitlich zwischen Polarisator WGP und Elektrode E eine isolierende Schicht I.

Da der Polarisator WGP eine lineare Polarisationsrichtung reflektiert aber die dazu senkrechte Polarisationsrichtung transmittiert, befindet sich in diesem Fall backplaneseitig hinter dem Polarisator WGP eine Black Mask BM zum Absorbieren des durchgelassenen Lichtes.

Fig. V43 zeigt eine im Vergleich zu den Figuren V41 , V42 vorteilhaftere Ausgestaltung. In dieser Ausgestaltung sind beide Viertelwellenplatten QWP unstrukturiert. Stattdessen wird der reflektive Polarisator srP auf der Backplaneseite pixelweise strukturiert. Ein metallischer Wire Grid Polarizer WGP auf der Backplane lässt sich auch mit Halbleiterprozessen strukturiert herstellen. Da strukturierte Anordnungen nur auf der Backplaneseite vorliegen, ist es nicht notwendig, bei der Herstellung des SLM das Deckglas in seiner Position zur Backplane auszurichten. Das einfallende Licht durchläuft auf dem Hinweg zum Polarizer srP nur unstrukturierte Schichten. Am Polarisator srP wird dann in benachbarten Pixeln abwechselnd 0° und 90° linear polarisiertes Licht reflektiert. Das Licht durchläuft eine Viertelwellenplatte QWP, so dass es zirkulär polarisiert wird, dann die LC Schicht des Lichtmodulators SLM und eine weitere Viertelwellenplatte QWP, so dass es linear polarisiert in benachbarten Pixeln abwechselnd 0° und 90° wieder aus der Anordnung austritt.

Fig. V44 zeigt Details der gleichen Ausgestaltung. Gezeigt ist von rechts nach links ein Glassubstrat DG, eine ITO-Elektrode E innenseitig auf dem Glassubstrat, eine erste Viertelwellenplatte QWP, eine Schicht PI zur Orientierung von Flüssigkristallen, in diesem Fall Polyimid, eine Flüssigkristallschicht LC des Lichtmodulators SLM, deren optische Dicke einer Halbwellenplatte entspricht, eine weitere Schicht PI zur Orientierung der Flüssigkristalle, in diesem Fall wiederum Polyimid, eine weitere Viertelwellenplatte QWP. Die Pixelelektroden E zur Erzeugung eines in-plane Feldes sind auf der Backplane-Seite in den Pixelzwischenräumen angeordnet. Dazwischen befindet sich der reflektierende Polarisator WGP, in diesem Fall ein Wire-Grid-Polarisator. Der Polarisator WGP ist strukturiert, beispielsweise durch unterschiedliche Orientierung der „wires", also der Ausrichtung der Metallfäden, z.B. parallel zur Zeichenebene im unteren gezeigten Pixel und senkrecht zur Zeichenebene im oberen gezeigten Pixel. Durch die Strukturierung des Polarisators WGP wird für jedes zweite Pixel (in Fig. V44 das obere Pixel) Licht mit 0 Grad linearer Polarisation reflektiert und für die anderen Pixel (in Fig. V44 das untere Pixel) Licht mit 90 Grad linearer Polarisation reflektiert. Wie schon in der vorherigen Ausgestaltung, befindet sich über dem Polarisator WGP sowie seitlich zwischen Polarisator WGP und Elektrode E eine isolierende Schicht I. Ebenso befindet sich wieder backplaneseitig hinter dem Polarisator WGP eine Black Mask BM.

Fig. V45 zeigt die Verwendung eines rückseitigen Polarisators rP für einen LC Mode mit out- of-plane Modulation. Gezeigt ist wieder die Verwendung einer Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL. 0° linear polarisiertes Licht trifft von der Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL auf eine strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, so dass das Licht für benachbarte Pixel abwechselnd rechts- und linkszirkular polarisiert wird, dann propagiert das Licht auf eine LC Schicht des Lichtmodulators SLM und einen Polarisator rP. Vom Polarisator rP wird nur ein linearer Anteil des einfallenden zirkulären Lichtes reflektiert, so dass wieder ein 50 prozentiger Lichtverlust auftritt. Das linear polarisierte Licht tritt dann durch die LC Schicht, erneut durch die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, so dass es abwechselnd für benachbarte Pixel rechtszirkular und linkszirkular polarisiert ist, tritt dann durch die Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL und dann durch eine weitere, nicht strukturierte Viertelwellenplatte QWP, nach der es abwechselnd für benachbarte Pixel 0 Grad, 90 Grad linear polarisiert ist.

Fig. V46 zeigt Details dieser Ausgestaltung. Gezeigt ist von rechts nach links ein Glassubstrat DG, Elektroden tE, LE innenseitig auf dem Glassubstrat DG. Ähnlich wie in Fig. V35 sind die Elektroden tE zusammengesetzt aus einer flächigen ITO Schicht tE, einer Isolationsschicht I und einer Linienelektrodenstruktur LE. Die flächige Elektrode tE dient dabei zum Erzeugen des out of plane Feldes für das Einschalten, die Linienelektroden LE können verwendet werden, um mittels eines in-plane Feldes ein schnelles Ausschalten des LC des Lichtmodulators SLM zu erhalten.

An die Elektroden tE, LE schließt sich eine strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, eine Schicht PI zur Orientierung von Flüssigkristallen LC, in diesem Fall Polyimid, eine Flüssigkristallschicht, deren optische Dicke einer Halbwellenplatte entspricht, eine weitere Schicht PI zur Orientierung der Flüssigkristalle LC, in diesem Fall wiederum Polyimid, an. Backplaneseitig folgt der reflektive Polarisator rP. Im Falle des metallischen Wire-Grid- Polarisators sind für den out-of-plane LC Mode Polarisator und Pixelelektroden identisch.

Unter dem Polarisator rP befindet sich wiederum eine Black Mask BM zum Absorbieren von Licht. Die Elektroden sind durch die Black Mask BM hindurch mit der eigentlichen Backplane BP elektrisch verbunden.

Die gezeigten Ausgestaltungen eines Lichtmodulators SLM für Verwendung in einem reflektiven Beam-Combiner, wobei der Lichtmodulator SLM auf in-plane oder out-of-plane Modulation von Flüssigkristallen beruht, haben den Nachteil, dass die Flüssigkristalle LC selbst in der Regel nur die gewünschte Phasenmodulation für einen definierten Polarisationszustand erzeugen, der die LC Schicht durchläuft.

Die Aufgabe nach zweimaligem Durchlaufen der LC Schicht und anderer optischer Schichten eine gewünschte Phasenmodulation aber zugleich eine für benachbarte Pixel senkrecht zueinander austretende lineare Polarisation zu erhalten, wie sie für die Kombination des Lichts zweier Pixel einer Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, z.B. in einer Savart- Platte, benötigt wird, kann häufig nur unter Verlust von Lichtintensität gelöst werden.

Viele der gezeigten Ausgestaltungen enthalten einen Polarisator, der 50% des einfallenden Lichts absorbiert. Dieser Verlust verringert die Effizienz des Lichtmodulators und erhöht dessen Energieverbrauch. Vorteilhafterweise wird daher im Folgenden in Fig. V47 noch eine Ausgestaltung beschrieben, die einen MEMS-Lichtmodulator enthält (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Systems), dessen Phasenmodulation auf dem Hub, d.h. der mechanischen Verstellung von Mikrospiegeln HS basiert. Die Phasenmodulation mittels Hubspiegeln HS ist unabhängig von der einfallenden Polarisation. Wird vor den MEMS-Spiegeln HS eine strukturierte Viertelwellenplatte sQWP verwendet, die eine 45° Viertelwellenschicht abwechselnd mit isotroper Schicht aufweist, so erzeugt bei einfallendem linear polarisierten Licht von 0° diese strukturierte Viertelwellenplatte sQWP abwechselnd für benachbarte MEMS Spiegel HS entweder linear oder zirkulär polarisiertes Licht. Im Gegensatz zu üblicherweise verwendeten LC-Moden können die MEMS Spiegel HS für zirkuläres und linear polarisiertes einfallendes Licht jeweils die gleiche Phasenmodulation erzeugen.

Das von den MEMS-Spiegeln HS reflektierte Licht durchläuft ein zweites Mal die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP, wodurch das zirkulär polarisierte Licht wieder in linear polarisiertes Licht, aber im Vergleich zur Einfallsrichtung um 90 Grad gedrehtes Licht transferiert wird. Bei dem benachbarten Pixel, dem die isotrope Schicht der Viertelwellenplatte sQWP zugeordnet ist, bleibt das Licht 0 Grad linear polarisiert. In diesem Fall wird also kein zusätzlicher Polarisator auf dem SLM benötigt und es geht daher keine Lichtintensität verloren.

Fig. V47 zeigt eine Ausführung mit einer Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL zum Einkoppeln des Lichtes und mit einem Deckglas DG, das selbst doppelbrechend ist und als Savart-Platte (Strahlteiler und/oder Strahlvereiniger) dient. Die strukturierte Viertelwellenplatte sQWP kann dann zum Beispiel innenseitig auf dieses Deckglas DG aufgebracht werden. Das vom Frontlight FL einfallende Licht durchläuft das Deckglas DG ohne Versatz, dann die Anordnung aus Viertelwellenplatte sQWP und MEMS-Spiegeln HS. Auf dem Rückweg durch das Deckglas DG (die Savart Platte) erfolgt für das obere Pixel mit der um 90 Grad gedrehten Polarisation ein Versatz, so dass es mit dem unteren Pixel überlagert wird.

Das kombinierte Licht beider Pixel durchläuft dann die Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL und trifft auf einen Polarisator P unter 45 Grad. Dieser Polarisator P dient zu Amplitudenmodulation abhängig von der relativen Phase der beiden Pixel, wie im Beam Combiner mit Savart Platte üblich.

Die Ausführung mit MEMS ist nicht auf die Verwendung eines Deckglases DG, das gleichzeitig als Savart Platte dient, und auch nicht auf die Verwendung einer Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL beschränkt. Wesentliches Merkmal ist die im Vergleich zu den auf üblichen LC-Moden basierten SLM einfachere Anordnung eines SLM mit einer strukturierten Viertelwellenplatte sQWP (abwechselnd 45° optische Achse, isotrop).

Die in Fig. V47 gezeigte Anordnung ist nicht auf MEMS-Lichtmodulatoren beschränkt, sondern kann sinngemäß auch für alle anderen Typen von Lichtmodulatoren verwendet werden, bei denen die Phase unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichtes modulierbar ist. Darunter fallen zum Beispiel auch spezielle LC-Moden wie Blue Phase (Blaue Phasen) mit einem out-of-plane anliegenden elektrischen Feld.

Die DE 10 2009 044 910 A1 zeigt in Fig. 21 dieser Anmeldung ein Beispiel für eine Anordnung zur Strahlvereinigung, bei ein Strahlvereiniger anstelle eines einzelnen optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteils auch aus zwei optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen mit einer dazwischen eingefügten Halbwellenplatte zusammengesetzt ist.

Auch die hier beschriebenen reflektiven Anordnungen können wahlweise eine solche zusammengesetzte Anordnung eines Strahlvereinigers, die aus mehreren optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen besteht, enthalten.

Die Fig. V48 zeigt wieder eine Anordnung mit einem MEMS-Lichtmodulator und einem Frontlight Beleuchtungseinrichtung FL, wie in Fig. V47. Der Strahlvereiniger ist jetzt zusammengesetzt aus zwei doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen Sp1 , Sp2, deren optische Achse (crystal axis) um 180 Grad zueinander verdreht sind und einer zwischen beiden uniaxialen Bauteilen angeordneten Halbwellenplatte HWP45 mit optischer Achse unter 45 Grad relativ zur Polarisation des einfallenden Lichtes.

Die Halbwellenplatte HWP45 dreht die Polarisation der einfallenden und ausfallenden Lichtstrahlen jeweils um 90 Grad, so dass die ein- und ausfallenden Lichtstrahlen jeweils eines der beiden doppelbrechenden uniaxialen Bauteile Sp1 als ordentlicher Strahl und das andere doppelbrechende uniaxiale Bauteil Sp2 als außerordentlicher Strahl durchlaufen.

Ein reflektiver Lichtmodulator weist in der Regel kleine Pixel mit einem Pitch unterhalb von 10 Mikrometer auf und weist daher auch mit einer nicht symmetrischen Anordnung eines Strahlvereinigers eine bessere Verkippungstoleranz auf, als beispielsweise ein transmissiver Lichtmodulator mit großen Pixeln. Eine Anordnung, wie in Fig. V48 gezeigt, mit einem aus mehreren optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen Sp1 , Sp2 zusammengesetzten Strahlvereiniger kann aber vorteilhaft diese Verkippungstoleranz vergrößern.

Der Einsatz des aus mehreren optisch doppelbrechenden, uniaxialen Bauteilen Sp1 , Sp2 zusammengesetzten Strahlvereinigers ist nicht auf die Ausführungsform mit dem MEMS- Lichtmodulator beschränkt, sondern kann zum Beispiel auch in Kombination bei anderen in V30 bis V46 gezeigten Ausführungen einer Lichtmodulationsanordnung verwendet werden.

Im Folgenden werden Ausführungen einer Lichtmodulationsanordnung angegeben, welche geeignet sind, Licht in einer reflektiven Strahlenführung räumlich zu modulieren, wobei die Lichtmodulationsanordnungen gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lichtmodulationsanordnungen schnellere Schaltzeiten ermöglichen und/oder wobei eine solche Lichtmodulationsanordnung mit einer Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, nach einem der Ansprüche 1 bis 17 kombiniert zu werden, die insbesondere auch noch so ausgelegt sind, dass die Empfindlichkeit auf Änderungen des Einfallswinkels des Lichts auf die Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen gemäß Anhang I verringert ist. Ganz besonders bevorzugt ist eine solche Lichtmodulationsanordnung in eine Vorrichtung zum Darstellen von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Bildinhalten und/oder bewegte Szenen integrierbar, insbesondere mit mindestens einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.

Ausführungen:

1 . Lichtmodulationsanordnung für eine reflektive Strahlenführung mit einem räumlichen Lichtmodulator, der mehrere Pixel und eine Backplane zur elektrischen Ansteuerung der Pixel aufweist, mit mindestens einem Strahlbeeinflussungsbauteil, welches derart ausgebildet ist, dass damit eine pixelweise Beeinflussung der mit den Pixeln des Lichtmodulators wechselwirkenden Lichts ermöglicht ist und/oder mit mindestens einer Elektrodenanordnung, die ausgebildet und eingerichtet ist, eine beschleunigte Ausrichtung von Flüssigkristallen für den Einschaltvorgang und/oder für den Ausschaltvorgang zu erzielen. 2. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 1 , wobei die Pixel des Lichtmodulators Flüssigkristalle aufweisen, welche aufgrund von kontrollierter Orientierungsänderung die Phase (den optischen Weg) des mit den Pixeln wechselwirkenden Lichts verändern.

3. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 2, wobei die Flüssigkristalle derart ausgebildet sind, dass sie eine „in-plane" Modulation durch ihre kontrollierte Orientierungsänderung realisieren, insbesondere in Form von einem IPS- (in-plane- switching), HAN- (hybrid aligned nematic) oder CIPR-Mode (continuous in-plane rotation), oder in Form von smektischen Flüssigkristall-Moden, bei denen eine in-plane Drehung der Flüssigkristalle in einem elektrischen Feld im Vergleich zu einer out-of-plane Drehung dominiert, oder in Form von cholesterischen Phasen, bei denen die optische Achse im elektrischen Feld eine in-plane Drehung aufweist (uniform lying helix, ULH). 4. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 2, wobei die Flüssigkristalle derart ausgebildet sind, dass sie eine „out-of-plane" Modulation durch ihre kontrollierte Orientierungsänderung realisieren, insbesondere in Form eines ECB Mode.

5. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 3 oder 4, wobei zwischen der Backplane und dem Lichtmodulator eine strukturierte Elektrodenanordnung vorgesehen ist, bei welcher die Elektroden in einem Zwischenraum benachbarter Pixel angeordnet sind und/oder bei welcher jedes Pixel eine - insbesondere im Wesentlichen flächig ausgebildete - Elektrode aufweist.

6. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 5, wobei mindestens eine Isolationsschicht zum elektrischen Isolieren der strukturierten Elektrodenanordnung gegenüber weiteren elektrisch leitenden Elementen der Lichtmodulationsanordnung vorgesehen ist.

7. Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 2 bis 6, wobei auf der dem Lichtmodulator abgewandten Seite der Backplane eine Elektrodenanordnung und/oder eine strukturierte Elektrodenanordnung angeordnet ist.

8. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 4, wobei das Strahlbeeinflussungsbauteil mindestens eine strukturierte Polarisationsbeeinflussungseinrichtung aufweist, welche zwischen der Backplane und dem Lichtmodulator angeordnet ist, und welche derart ausgebildet und angeordnet ist, dass mit ihr Licht benachbarter Pixel unterschiedlich in ihrer Polarisation beeinflusst wird.

9. Lichtmodulationsanordnung nach Ausführung 4 oder 8, wobei das Strahlbeeinflussungsbauteil mindestens eine strukturierte Polarisationsbeeinflussungs- einrichtung aufweist, welche auf der dem Lichtmodulator abgewandten Seite der Backplane angeordnet ist, und welche derart ausgebildet und angeordnet ist, dass mit ihr Licht benachbarter Pixel unterschiedlich in ihrer Polarisation beeinflusst wird, welche in Form einer strukturierten Viertelwellenplatte, einer strukturierten Halbwellenplatte oder einem strukturierten Wire-Grid-Polarizer ausgebildet sein könnte.

9. Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 4, 8 oder 9, wobei das Strahlbeeinflussungsbauteil mindestens eine Polarisationsbeeinflussungseinrichtung oder einen Polarisator aufweist, wobei die mindestens eine Polarisationsbeeinflussungs- einrichtung oder der Polarisator zwischen der Backplane und dem Lichtmodulator und/oder auf der dem Lichtmodulator abgewandten Seite der Backplane angeordnet ist, und in Form einer Viertelwellenplatte, einer Halbwellenplatte oder einem Wire-Grid-Polarizer ausgebildet sein könnte. 10. Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 1 bis 9, wobei der Lichtmodulator oder ein reflektives Element derart ausgebildet und ansteuerbar ist, dass mit benachbarten Pixeln wechselwirkendes Licht unterschiedlich in der Polarisation beeinflusst wird.

1 1 . Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 1 bis 10, wobei der Lichtmodulator eine optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen der optischen Dicke einer Halbwellenplatte oder eine Viertelwellenplatte entspricht.

12. Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 1 bis 1 1 , wobei der Lichtmodulator Pixel mit einer pixelweise oder linienweise strukturiert unterschiedliche Eigenschaft aufweist.

13. Lichtmodulationsanordnung nach einer der Ausführungen 1 bis 12, welche mit Licht beleuchtet wird, welches mit Hilfe einer Frontlight Beleuchtungseinrichtung oder mit einem Neutralstrahlteiler in Richtung der Lichtmodulationsanordnung gelenkt bzw. geleitet wird.

Claims

Patentansprüche

1 . Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, wobei der Lichtmodulator eine Vielzahl von Pixeln aufweist und derart angesteuert wird, dass jeweils zwei benachbarte Pixel einen Makropixel bilden, wobei bezogen auf einen Makropixel ein Strahlteiler vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit einfallende Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl in Richtung des ersten Pixels des Makropixels propagiert und der zweite Teilstrahl in Richtung des zweiten Pixels des Makropixels propagiert, wobei zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtmodulator ein erstes strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil vorgesehen ist, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist, wobei der erste und der zweite Teilstrahl nach Wechselwirkung mit dem jeweiligen Pixel des Makropixels ein zweites strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil durchlaufen, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist, wobei ein Strahlvereiniger vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl vereinigbar ist, und wobei zwischen dem Lichtmodulator und dem ersten oder zweiten strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil ein Strahlselektor angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet werden, die nicht zu dem Makropixel gehören.

2. Einrichtung zum Vereinigen von Lichtstrahlen, die mit benachbart angeordneten Pixeln eines Lichtmodulators wechselwirken, wobei der Lichtmodulator eine Vielzahl von Pixeln aufweist und derart angesteuert wird, dass jeweils zwei benachbarte Pixel einen Makropixel bilden, wobei bezogen auf einen Makropixel ein Strahlteiler vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass damit einfallende Lichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl derart aufgeteilt werden, dass der erste Teilstrahl in Richtung des ersten Pixels des Makropixels propagiert und der zweite Teilstrahl in Richtung des zweiten Pixels des Makropixels propagiert, wobei zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtmodulator ein strukturiertes Strahlbeeinflussungsbauteil vorgesehen ist, welches derart ausgebildet ist, dass damit der erste Teilstrahl in einer anderen Weise als der zweite Teilstrahl beeinflussbar ist, wobei ein Reflexionsmittel vorgesehen ist, mit welchem die Teilstrahlen reflektiert werden, wobei der erste und/oder der zweite Teilstrahl nach Wechselwirkung mit dem jeweiligen Pixel des Lichtmodulators das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil und den Strahlteiler erneut durchlaufen, um den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl wieder zu vereinigen, und wobei zwischen dem Lichtmodulator und dem strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteil ein Strahlselektor angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass damit erste und/oder zweite Teilstrahlen ausgeblendet werden, die nicht zu dem Makropixel gehören.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Strahlteiler und der Strahlvereiniger identisch ausgebildete optisch doppelbrechende, uniaxiale Bauteile und/oder aus dem gleichen

Material und/oder mit gleichen optischen Achsen ausgebildet sind, wobei die optischen Achsen der zwei doppelbrechenden uniaxialen Bauteile so ausgerichtet sein könnten, dass der Winkel (Θ) zur Grenzfläche für beide Bauteile einen gleichen Winkel zwischen ordinärem und extraordinärem Teilstrahl realisiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strahlteiler in Form eines optisch doppelbrechenden uniaxialen Bauteils ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlteiler und/oder der Strahlvereiniger in Form von mindestens einem Volumengitter oder von mindestens einem

Polarisationsgitter ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil eine räumliche Strukturierung aufweist, die bereichsweise die Funktionalität eines Verzögerers, einer K/2 Platte und/oder einer K/4 Platte aufweist, und/oder wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil eine räumliche Strukturierung aufweist, die bereichsweise keine optische Eigenschaft eines Teilstrahls verändert und/oder wobei die räumliche Strukturierung des strukturierten Strahlbeeinflussungsbauteils an die räumliche Struktur der Pixel des Lichtmodulators angepasst ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Pixel des Lichtmodulators selbst reflektiv ausgebildet sind, oder wobei den lichtdurchlässigen Pixeln des Lichtmodulators ein Spiegel nachgeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Strahlteiler, der Strahlvereiniger, das erste und/oder das zweite strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Strahlengang des ersten Teilstrahls und der Strahlengang des zweiten Teilstrahls im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich der Mitte zwischen dem ersten Pixel und dem zweiten Pixel des Makropixels ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strahlteiler und/oder das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Strahlengang des ersten Teilstrahls und der Strahlengang des zweiten Teilstrahls im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Strahlaufteilungspunktes und/oder eines Strahlvereinigungspunktes ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Strahlselektor einen Polarisator aufweist.

1 1 . Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Strahlüberlagerungsbauteil vorgesehen ist, mit welchem der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl zur Interferenz bringbar sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Pixel eines Makropixels jeweils mit einer elektrischen Spannung mit gleichem Vorzeichen ansteuerbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Strahlteiler, ein ggf. vorhandener Strahlvereiniger, das mindestens eine strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil und/oder der Strahlselektor unmittelbar aneinander angeordnet oder aneinander befestigt sind, beispielsweise mittels Kleber.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die einfallenden Lichtstrahlen eine lineare Polarisation oder eine zirkuläre Polarisation aufweisen, die derart ausgerichtet oder eingestellt ist, dass die Lichtstrahlen in die ersten und zweiten Teilstrahlen aufgeteilt werden und wiedervereinigt werden können.

15. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 1 1 , wobei zwischen dem Lichtmodulator und dem Strahlteiler oder zwischen dem Strahlteiler und dem Strahlüberlagerungsbauteil eine flächenförmige Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen flächenförmigen Lichtleiter und eine Auskoppeleinheit aufweist, mit welcher das Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt und in Richtung des Lichtmodulators umlenkbar ist, wobei das am Reflexionsmittel reflektierte Licht im Wesentlichen unabgelenkt durch die Beleuchtungseinrichtung und dann durch den Strahlvereiniger propagiert.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Lichtmodulator Flüssigkristalle aufweist und derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkristalle eine out-of-plane Drehung durchführen, wobei die einfallenden Lichtstrahlen linear polarisiert sind, wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil bereichsweise die Funktionalität einer K/2 Platte aufweist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Lichtmodulator Flüssigkristalle aufweist und derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkristalle eine in-plane Drehung durchführen, wobei die einfallenden Lichtstrahlen linear polarisiert sind, wobei das strukturierte Strahlbeeinflussungsbauteil bereichsweise die Funktionalität einer λ/4 Platte aufweist.

18. Vorrichtung zum Darstellen von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Bildinhalten und/oder bewegte Szenen, mit mindestens einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.