WO2020035206A1 - Lichtmodulationsvorrichtung - Google Patents

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WO2020035206A1
WO2020035206A1 PCT/EP2019/067561 EP2019067561W WO2020035206A1 WO 2020035206 A1 WO2020035206 A1 WO 2020035206A1 EP 2019067561 W EP2019067561 W EP 2019067561W WO 2020035206 A1 WO2020035206 A1 WO 2020035206A1
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WO
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light
light modulator
modulation
modulator
phase
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PCT/EP2019/067561
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Norbert Leister
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Seereal Technologies S.A.
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1347—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells
    • G02F1/13471—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells in which all the liquid crystal cells or layers remain transparent, e.g. FLC, ECB, DAP, HAN, TN, STN, SBE-LC cells
    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/1393—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the birefringence of the liquid crystal being electrically controlled, e.g. ECB-, DAP-, HAN-, PI-LC cells

Definitions

  • the invention relates to a light modulation device and a method for complex-value modulation of incident linearly polarized light.
  • the invention further relates to a display device for displaying two-dimensional or three-dimensional scenes.
  • Such a light modulation device is suitable for a hologram reconstruction in which complex-value modulation of a coherent linearly polarized input radiation takes place.
  • Areas of application of such a light modulation device are display devices for video and TV devices and projectors for holographic reproduction.
  • the light modulation device is divided into controllable cells (pixels), which preferably enable real-time or at least real-time holographic display of a video.
  • the video consists of a large number of scenes (individual images), each of which is encoded as a hologram in the cells of the light modulation device.
  • the scenes can correspond to a real arrangement of objects or be computer generated.
  • Methods are known for coding that take into account the properties of the light modulation device, such as, for example, exclusive phase modulation.
  • Such complex-valued modulation can be achieved by amplitude and phase modulation in two suitable light modulators which take place successively in the direction of propagation of the input radiation.
  • this requires an amplitude modulator and a phase modulator, which have similar switching times and are sufficiently well adjusted to one another.
  • a light modulator is known from US Pat. No. 5,719,650 with which the amplitude and phase can be controlled independently of one another. It consists of two polarization-rotating elements, each with a liquid crystal layer, which are each arranged between two carrier substrate plates. The base electrodes and the grid electrodes are provided separately for each layer. The adjustment of the elements to each other is already carried out in the manufacturing phase.
  • the liquid crystals used to implement the light modulators are birefringent materials in which the orientation of the optical axis of the molecules can be set in a desired direction, for example by means of an electric field.
  • the optical axis corresponds to the longitudinal axis of the molecules.
  • the modulation of the incident light depends on the direction of adjustment of the optical axes of the molecules to the direction of passage and polarization of the light passing through.
  • the alignment of the molecules without exposure to the field is achieved by pretreating the surfaces of the light modulator facing the liquid crystal. In this way, the molecules can be aligned parallel to the surface.
  • the molecules of a nematic liquid crystal with positive dielectric anisotropy rotate in the direction of the field. If the electric field is perpendicular to the surface of the substrates (out-of-plane field), the molecules under the applied field rotate perpendicular to the surface of the substrates. Relates to light passing vertically through the light modulator the orientation of the molecules from vertical to parallel. In this case, the birefringent effect of the liquid crystal cell is reduced.
  • Nematic liquid crystals with negative dielectric anisotropy can, for example, be aligned essentially perpendicular to the surface of a substrate with an angle that is close to 90 degrees to the surface but is not exactly 90 degrees.
  • the molecules under the adjacent field rotate parallel to the surface of the substrates. If light passes vertically through the light modulator, the orientation of the molecules changes from parallel to perpendicular to the direction of propagation of the light passing through the electric field. In this case, the birefringent effect of the liquid crystal cell is increased by the field.
  • LC modes are known, for example blue phases, which are optically isotropic in the absence of an electrical field, but which become birefringent when a field is applied.
  • the following description relates generally to LC modes in which a birefringence is generated or changed, that is to say enlarged or reduced, by applying an electric field.
  • the object of the invention relating to the light modulation device is achieved by a light modulation device for complex-value modulation of incident, linearly polarized light, with a first light modulator, a subsequently arranged second light modulator and at least one polarizer, the first light modulator and the second light modulator being designed as phase modulators where a modulation axis of the first light modulator is at an angle to the modulation axis of the second th light modulator is aligned, and wherein the polarization direction of the light incident on the first light modulator and the polarization direction of the polarizer are each aligned at predetermined angles not equal to 90 ° to the modulation axis of the first light modulator and the modulation axis of the second light modulator.
  • a portion that vibrates in the direction of the first modulation axis and in the second light modulator a portion of the light that vibrates in the direction of the second modulation axis is modulated in its phase depending on the respective activation of the light modulators. Due to the respectively predetermined angles not equal to 90 ° between the polarization direction of the light and the modulation axes, there are vibrating light components of the light in the direction of the modulation axes. By appropriately controlling the light modulators, the phases of these light components can be changed independently of one another. After the light has passed through the two light modulators, elliptically, circularly or linearly polarized light is formed depending on the respective phase setting of the light components.
  • This is linearly polarized by the polarizer in accordance with its direction of polarization.
  • the linearly polarized light emerging from the light modulation device can be adjusted in its amplitude and phase by controlling the light modulators.
  • the elliptical, circular or linear polarization of the light emerging from the second light modulator is designed such that the desired amplitude and phase are present in the polarization direction of the polarizer.
  • two similar phase-modulating light modulators can be used in the light modulation device, which differ only in the orientation of their modulation axes.
  • the switching characteristics relating to the control and switching speed of the two light modulators can advantageously be selected to be the same.
  • the control of the light modulation device is in this way significantly simplified compared to light modulation devices with differently designed light modulators. No additional polarization filters are required between the light modulators, as is necessary when combining a phase modulator with an amplitude modulator. With the light modulation device according to the invention, therefore, a simple structure with a small number of required components with simplified alignment of the light modulators with respect to one another is achieved. Radiation losses through additional polarization filters are avoided.
  • the angle between the modulation axes of the light modulators is between 60 ° and 120 °, preferably between 80 ° and 100 °, particularly preferably 90 °.
  • the successive light modulators thus modulate vibration components with vibration planes that are perpendicular to one another or at least approximately perpendicular to one another. This enables a large setting range for the phase position and the amplitude of the complex-modulated light.
  • the polarization direction of the polarizer is oriented at an angle between 80 ° and 100 °, preferably at an angle between 85 ° and 95 °, particularly preferably perpendicular to the polarization direction of the light striking the first light modulator that the polarization direction of the polarizer is oriented at an angle between -10 ° and + 10 °, preferably at an angle between -5 ° and + 5 °, particularly preferably parallel to the direction of polarization of the light striking the first light modulator.
  • the polarization directions of the polarizer and the light incident on the light modulation device are at an angle between 80 ° and 100 ° or at an angle between -10 ° and + 10 ° to one another, the other can be adjusted with little adjustment effort Alignment of the polarization directions with the light modulation device a very low amplitude of the complex-value modulated light can be achieved. If the polarization directions are mutually aligned at an angle between 85 ° and 95 ° or between -5 ° and + 5 °, the lowest adjustable power of the complex-value modulated light can be further reduced. As a result, a high contrast can be achieved between the brightest and darkest areas of a holographic image of an object generated with the light modulation device.
  • Complete or at least almost complete extinction of the light emerging from the light modulation device can be achieved with polarization directions oriented perpendicularly or parallel to one another.
  • polarization directions oriented perpendicularly or parallel to one another.
  • the lowest amplitude is achieved if, by suitable control, both light modulators do not cause a mutual phase shift.
  • the lowest amplitude is achieved with a mutual phase shift of p.
  • the predetermined angle between the polarization direction of the light incident on the first light modulator and the modulation axis of the first light modulator is between 30 ° and 60 °, preferably between 40 ° and 50 °, particularly preferably 45 ° .
  • a high output power of the light leaving the light modulation device enables.
  • the possible output power can be increased further at a predetermined angle between 40 ° and 50 °.
  • the direction of polarization of the light striking the first light modulator can thus be predefined and adapted to the orientation of the modulation axes of the light modulators and / or the direction of polarization of the polarizer such that a further polarizer is arranged in the direction of light propagation in front of the first light modulator.
  • the light source used then only has to provide sufficient coherent light.
  • the polarization states and the modulation in the light modulators are described here in the form of Jones matrices.
  • the light incident on the first light modulator has, for example, -45 ° linear polarization with the Jones vector due to the use of the further polarizer described in the previous section
  • the first light modulating layer (first light modulator) is represented by the following Jones matrix
  • phase F1 is modulated in a first direction as a function of the voltage V that is applied to the first modulation layer.
  • the second light modulating layer (second light modulator) is represented by the following Jones matrix
  • phase F2 being modulated in a second direction as a function of the voltage V that is applied to the second modulation layer.
  • the polarizer at the output which has a rotation of 45 °, ie 90 degrees relative to the direction of polarization of the light striking the first light modulator, has a Jones matrix
  • the Jones vector of the resulting modulated light is obtained by multiplying the individual matrices by the Jones vector of the incident light.
  • the Jones vector can be calculated in the same way as above.
  • a simple and inexpensive construction of the light modulation device based on known technology can be achieved in that the first light modulator and the second light modulator are each designed as a controllable birefringent liquid crystal layer.
  • Such electrically controllable liquid crystal layers are also referred to as ECB cells (electrically controlled birefringence).
  • ECB cells electrically controlled birefringence
  • nematic liquid crystals with positive dielectric aniosotropy are used, in which the molecules are arranged parallel to the surface of the cell and perpendicular to the direction of light propagation without control. By applying an electric field along the direction of light propagation, the molecules are rotated in the direction of light propagation and the effective birefringence of the liquid crystal layer of the cell is reduced for light that passes perpendicularly through the light modulator.
  • nematic liquid crystals with negative dielectric anisotropy with a vertically aligned (vertical aligned VA) LC mode are used, in which the molecules are almost perpendicular without control, ie at an angle of more than 85 °, but less than 90 °, to the surface of the cell and almost parallel, ie at an angle of more than 0 ° but less than 5 degrees to the direction of light propagation.
  • VA vertical aligned
  • the angle of more than 0 but less than 5 ° to the light propagation direction, which is present without activation, is selected so that the tilt direction to the light propagation direction in the first and the second light-modulating direction Layer differs from each other by 90 °.
  • the molecules in the first and second light-modulating layers then rotate in two mutually perpendicular planes away from the direction of light propagation. Due to the different directions of rotation in the field, different polarization components of the light are phase-modulated in the first and the second light-modulating layer.
  • the light modulators have light-modulating layers with a blue phase LC mode. Without control, the light-modulating layers are optically isotropic. When an electrical field is applied, there is a double refraction with an optical axis in the field direction.
  • Line-shaped electrodes for generating an in-plane field are used for phase modulation for a specific linear polarization.
  • the line-shaped electrodes in the first light-modulating layer are arranged perpendicular to the line-shaped electrodes in the second light-modulating layer. Due to the different orientation of the electrodes and therefore different field direction, an optical axis with different orientation is generated in the first and second light-modulating layers. As a result, different polarization components of the light are phase-modulated in the first and second light-modulating layers.
  • phase shift can be set for the first light modulator and the second light modulator in each case over a range of at least 2p, all phase shifts of the light emerging from the light modulation device up to 2p can advantageously be set for all amplitudes.
  • the light modulators only allow phase shifts over a smaller range than 2TT, so can for the The amplitude and phase shift of the emerging light can only be set in a restricted range of combinations.
  • the light modulation device is suitable for hologram reconstruction if the light modulators are each divided into a two-dimensional arrangement of pixels that can be controlled independently of one another.
  • the phase shift and the amplitude of the complex-modulated light can be set for each hologram cell by correspondingly controlling pixels of the two light modulators arranged along an axis, preferably by means of an electrical control.
  • a hologram cell is formed from two pixels of the light modulators arranged one after the other in the direction of propagation of the radiation and interacting with respect to the phase and amplitude modulation.
  • the light modulation device according to the invention Compared to light modulation devices with pixels arranged side by side or one above the other for setting a phase and an amplitude in a plane, the light modulation device according to the invention has an improved resolution, because twice as many complex-value pixels can be generated on the same area.
  • a particularly compact design of the light modulation device can be achieved in that the first light modulator and the second light modulator are connected directly to one another. Correct alignment of the light modulators with respect to one another is thus achieved over the service life of the light modulation device.
  • the first light modulator and the second light modulator have at least one common substrate. Due to the shared substrate, the mutual adjustment of the two light modulators is already fixed during manufacture and cannot be adjusted during operation.
  • the small distance between the light modulators that can be achieved by means of the common substrate advantageously leads to a reduction in disruptive diffraction effects in the light propagation between successive pixels. In this way, both radiation losses and annoying artifacts are kept low.
  • the object of the invention is also achieved by a method for complex-value modulation of linearly polarized light, with a first light modulator, a second light modulator arranged downstream and at least one polarizer, with a light component of the light vibrating in the direction of a modulation axis of the first light modulator the phase of the first light modulator is delayed adjustable, with a light component of the oscillating in the direction of the modulation axis of the second light modulator Light is delayed in its phase adjustable by the second light modulator, the modulation axis of the first light modulator being oriented transversely, preferably perpendicularly, to the modulation axis of the second light modulator and the light emerging from the second light modulator being at an angle not equal to 90 ° the polarization-oriented polarizer is linearly polarized.
  • a modulation axis spans an oscillation plane for light components on which the respective light modulator has an adjustable phase delay.
  • the phase of light portions of the light that vibrate in the direction of the modulation axis can be adjusted by the respective light modulator, while the phase of light portions that vibrate perpendicular to the modulation axis cannot be adjusted or cannot be adjusted.
  • the fact that the first light modulator can adjustably delay the phase of a first light component requires that the linearly polarized light striking the first light modulator has light components which are aligned in the direction of the first modulation axis of the first light modulator.
  • the direction of polarization of the light striking the first light modulator must therefore be oriented at an angle unequal to 90 ° to the first modulation axis of the first light modulator.
  • the second light modulator can adjustably delay the phase of the second light component, it is necessary that the polarization direction of the light incident on the first light modulator is oriented at an angle unequal to 90 ° to the second modulation axis of the second light modulator.
  • the direction of polarization of the light striking the first light modulator is accordingly advantageously between the orientations of the modulation axes.
  • one phase of the light is delayed in relation to the other, circular, elliptical or linearly polarized light results after the light modulators.
  • the polarization of this light that forms can be adjusted by selecting the delay of the light components.
  • the amplitude and the phase of the light emerging from the polarizer can be adjusted by suitably adapting the polarization of the radiation present after the second light modulator to the polarization direction of the polarizer.
  • the modulation axes of the light modulators are preferably perpendicular to one another and the direction of polarization of the light incident on the first light modulator and of the polarizer are oriented at 45 ° to the modulation axes. It can particularly preferably be provided that the phase of the light emerging after the polarizer is changed with the same amplitude by changing the phase delays of a light component modulated by the first light modulator and a light component modulated by the second light modulator by an equal value. The phase change of the two light components in the same direction maintains the amplitude of the light emerging from the polarizer, while its phase position changes.
  • the normalized amplitude between 0 and 1 can be set between the two light components by adjusting the phase difference from 0 to 2p. As described above, it depends on whether the polarization direction of the polarizer is selected perpendicularly or parallel to the polarization direction of the light incident on the first light modulator, whether a phase difference of 0 between the two light components of a normalized amplitude of 0 or of 1 corresponds.
  • a phase difference of p of the light components results in a minimum amplitude with the same orientation of the polarization of the light striking the first light modulator and the polarizer and a maximum amplitude with perpendicular alignment of the polarizations to one another.
  • a phase difference of 0 of the light components results in a maximum amplitude with the same orientation of the polarization of the light incident on the first light modulator and the polarizer and a minimum amplitude with perpendicular alignment of the polarizations to one another.
  • the phase of the light emerging from the light modulation device can be changed for all amplitude values in the range between 0 and 2p in both polarizer arrangements.
  • the object of the invention relating to the display device is achieved by a display device, in particular a holographic display device, for displaying two-dimensional or three-dimensional scenes, the display device having a light modulation device with the features of claim 1.
  • the display device is assigned an illumination device and that the illumination device emits coherent or coherent, linearly polarized light. If the lighting device emits coherent light, its amplitude and phase can be specifically adjusted by the light modulators. If the light emitted by the lighting device is linearly polarized, the further polarizer can be dispensed with.
  • Fig. 1 in a schematic perspective representation components of a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of light modulators shown in FIG. 1 in different switching states
  • FIG 9 shows an embodiment of the light modulation device with a reflecting element.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of components of a light modulation device. These are arranged along a direction of propagation of light 10 guided by the light modulation device. A spaced representation of the components has been chosen to describe the function of the light modulation device. When the light modulation device is installed, the components are preferably lined up directly in the direction of propagation of the light 10.
  • Light 10 strikes a first light modulator 12 and subsequently a second light modulator 13.
  • Each of the light modulators 12, 13 shows an individually controllable pixel.
  • the complete light modulators 12, 13 are formed by a large number of such pixels arranged in a grid in one plane.
  • the light 10 is sufficiently coherent to generate interference. After the second light modulator 13, the light 10 is fed to a linearly polarizing polarizer 14.
  • a further polarizer 11, to which the light 10 is supplied, is provided for polarizing the light 10.
  • a radiation source which already emits polarized light for example a linearly polarized laser beam.
  • the further polarizer 11 can then be dispensed with.
  • the light 10 emerges from the light modulation device.
  • the first light modulator 12 has a modulation axis 21 and the second light modulator 13 has a modulation axis 21 rotated at an angle thereto, which are symbolically represented by arrows.
  • the modulation axes 21 are aligned transversely, in the present case perpendicularly, to the direction of propagation of the light 10.
  • the angle between the modulation axes 21 is 90 ° in the exemplary embodiment shown.
  • the modulation axes 21 are thus perpendicular to one another.
  • a direction of polarization 20 of the further polarizer 11 and thus of the light 10 striking the first light modulator 12 is also identified by an arrow.
  • the polarization direction 20 of the light 10 striking the first light modulator 12 is oriented at an angle of 45 ° to the modulation axis 21 of the first light modulator 12 and to the modulation axis 21 of the second light modulator 13.
  • the direction of polarization 20 of the polarizer 14 is indicated by an arrow. It is aligned at an angle to the direction of polarization 20 of the light 10 striking the first light modulator 12, to the modulation axis 21 of the first light modulator 12 and to the modulation axis 21 of the second light modulator 13.
  • the direction of polarization 20 of the polarizer 14 is oriented perpendicular to the direction of polarization 20 of the light 10 entering the light modulation device. It is therefore also at an angle of 45 ° to the modulation axes 21. It is also conceivable to align the polarization directions 20 of the light 10 entering the light modulation device and of the polarizer 14 parallel to one another. It is essential for the function of the light modulation device that the polarization directions 20 are oriented obliquely, preferably at an angle of 45 °, to the modulation axes 21 of the light modulators 12, 13.
  • the modulation axes 21, 23 specify polarization directions of the light 10, for which the light modulators 12, 13 have a phase-modulating effect.
  • the two light modulators 12, 13 can be controlled independently of one another.
  • the linearly polarized light 10 impinging on the first light modulator 12 can be subdivided into a light component that is polarized in the direction of the modulation axis 21 of the first light modulator 12 and a light component that is polarized perpendicular to it.
  • the light 10 supplied to the second light modulator 13 can be divided into a light component that is polarized in the direction of the modulation axis 21 of the second light modulator 13 and a light component that is polarized perpendicular to it.
  • the light components polarized in the direction of the modulation axes 21 are advantageously of the same size.
  • the same light components are modulated by the two light modulators 12, 13.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the light modulators 12, 13 shown in FIG. 1 in different switching states.
  • the light modulators 12, 13 are shown separately next to one another and are therefore not shown in the sequence of their arrangement in a light modulation unit.
  • the representations arranged one above the other show the light modulators 12, 13 in two switching states.
  • the direction of propagation of the light 10 is indicated by crosses in the usual representation and points into the representation plane.
  • the light modulators 12, 13 have switchable birefringent materials. In these, the refractive index for a polarization direction of the incident light 10 can be changed, while light components polarized perpendicularly thereto remain unaffected.
  • the light modulators 12, 13 are designed as two liquid crystal cells rotated by 90 ° with respect to one another.
  • Such known liquid crystal cells are referred to in the form used as Electrically Controlled Birefringence Liquid Crystal (ECB), as a Freedericksz cell or as zero-twisted nematic.
  • EBC Electrically Controlled Birefringence Liquid Crystal
  • Zero-twisted means that they are nematic liquid crystals without a twist.
  • the liquid crystals are aligned at least approximately the same.
  • the light modulators 12, 13 are shown without an applied electric field.
  • the modulation axes 21 of the light modulators 12, 13 are aligned in accordance with the orientation of a molecular axis 22 of the liquid crystals.
  • the molecular axes 22 of the liquid crystals in the light modulators 12 13 correspond to the optical axes of the liquid crystals. Only a few of a large number of crystals are shown symbolically.
  • the modulation axes 21 of the two light modulators 12, 13 are, as described for FIG. 1, perpendicular to one another. In the arrangement shown, the modulation axis 21 of the first light modulator 12 is aligned vertically and the modulation axis 21 of the second light modulator 13 is aligned horizontally.
  • the lower representations of FIG. 2 show the alignment of the liquid crystals when there is a sufficiently high electric field in the direction of the direction of propagation of the light passing through 10.
  • the liquid crystals are rotated by the action of the electric field, so that the molecular axes 22 are arranged perpendicular to the plane of representation. This is symbolized by circles.
  • By changing the electric field intermediate positions of the molecular axes 22 between the orientations shown can be set.
  • the liquid crystals act in a phase-retarding manner on the light components of light 10 polarized along their molecular axes 22 affected.
  • the phase-retarding effect of the liquid crystals decreases. If the molecular axes 22 are completely aligned in the direction of propagation of the light, there is no phase delay or the phase delay is the same for all light components.
  • FIG. 3a shows a spatial representation of the embodiment of the light modulation device described in FIG. 1 with an electrically controllable birefringent liquid crystal (Electrically Controlled Liquid Crystal; ECB LC mode) as an optically active element of the first and second light modulators 12, 13.
  • the two polarizers 1 are shown 1, 14, which in this example are arranged rotated by 90 degrees to one another, and the two light modulators 12, 13, in which the liquid crystals are each arranged between two substrates 15.
  • the switching states of the liquid crystals are each characterized by the orientation of the molecular axis 22.
  • the orientation of the molecular axes 22 is predefined here by pretreating the surfaces of the substrates 15.
  • the molecular axes 22 are oriented perpendicular to the molecular axes 22 in the first light modulator 12 and in both perpendicular to the direction of propagation of the light 10.
  • the molecular axes 22 are thus parallel to the surfaces of the substrates 15, pointing in the direction of the molecular axis 22 the liquid crystal has a higher refractive index than perpendicular to the molecular axis 22.
  • the light 10 is shifted in its phase differently, depending on its direction of polarization.
  • the two light modulators 12, 13 can also have a common central substrate 15.
  • the substrates 15 each have flat electrodes.
  • each pixel has its own electrode on one of the substrates of each light modulator 12, 13, and a common electrode for all pixels is present on the other substrate.
  • a common substrate 15 has one electrode on each side. In both cases, this is preferably the common electrode, so that the pixel electrodes are arranged on the respective outer substrates 15 of two light modulators 12, 13.
  • FIG. 3b shows the arrangement from FIG. 3a with additional connections for the electrodes on the substrates 15, so that a control voltage 16 can be applied to each light modulator 12, 13 independently of one another.
  • FIG. 4a shows a spatial representation of the previously described embodiment of the light modulation device with a liquid crystal aligned vertically to the surface of the substrates 15 without an electric field (vertically aligned liquid crystal; VA LC mode).
  • VA LC mode vertical aligned liquid crystal
  • the direction of propagation of the light 10 again runs from left to right in this figure.
  • the two polarizers 11, 14 are shown. In this example, the two polarizers 11, 14 are arranged in parallel.
  • the parallel arrangement of the polarizers 11, 14 is, however, not restricted to this exemplary embodiment with VA LC mode.
  • Polarizers 11, 14 which are parallel or rotated by 90 degrees to one another can in each case optionally also be used for the LC modes described in the preceding and following figures.
  • the molecular axes 22 in the first and in the second light modulator 12, 13 are each tilted by a small angle 23 of less than 5 ° to the direction of propagation of the light 10.
  • This tilt is set in the first and in the second light modulator 12, 13 in two mutually perpendicular planes.
  • the angle 23 lies in a horizontal plane in the first light modulator 12 and in a vertical plane in the second light modulator 13.
  • liquid crystal molecules with a negative dielectric anisotropy are used, which are aligned in an electric field perpendicular to the field direction.
  • FIG. 4a The arrangement of FIG. 4a is shown in FIG. 4b, connections for the control voltage 16 also being provided.
  • Flat electrodes are again used on the substrates 15, so that a field is present between two electrodes of a light modulator 12, 13 (out of plane field).
  • the molecular axes 22 of the liquid crystal molecules then rotate in both light modulators 12, 13 perpendicular to the field, but in a circular device, which is predetermined by the small angle 23 of the surface orientation.
  • the control voltage 16 is switched on, the molecular axis 22, and thus also the optical axis, is oriented differently in the two light modulators 12, 13.
  • the orientation of the molecular axes 22 of the liquid crystals is similar to that in the ECB mode from FIG.
  • the VA mode in this case has the opposite effect to the ECB mode. While in the ECB mode the phase modulation of the light modulators 12, 13 decreases with a larger control voltage 16 applied, it increases in the VA mode with a larger control voltage 16 applied.
  • FIG. 5a shows a spatial representation of the previously described embodiment of the light modulation device with a blue phase liquid crystal (blue phase LC mode).
  • the two polarizers 11, 14 are shown, in this example rotated by 90 degrees to one another.
  • line electrodes 17 are used for each light modulator 12, 13 on one of the substrates 15 to generate an in-plane field (parallel to the surface of the substrate 15), while the second substrate 15 has no electrode.
  • the line electrodes 17 can be supplied with the control voltage 16 via connections.
  • the line electrodes on the first light modulator 12 are arranged rotated by 90 degrees relative to the line electrodes 17 on the second light modulator 13. Without a control voltage 16, the blue phase liquid crystals in the light modulator 12, 13 are optically isotropic. This is represented by a spherical refractive index ellipsoid 24.
  • FIG. 5b shows the arrangement from FIG. 5a with a control voltage 16 present.
  • An optical axis arises in the field direction specified by the line electrodes 17. This is represented by the refractive index ellipsoids 24.
  • the birefringence of the blue phase liquid crystals increases with increasing field.
  • the sphere or ellipse shown in FIGS. 5a, 5b therefore only indicates the orientation of the optical axis schematically.
  • FIG. 6 shows in a first amplitude diagram 30 temporal amplitude profiles 32, 33 of two light components of light 10 after passing through the two light modulators 12, 13 shown in FIGS. 1 to 5b.
  • the amplitude profiles 32, 33 are compared to a common first amplitude axis 31 and a first time axis 35 are plotted.
  • the first amplitude profile 32 is assigned to a light component with a polarization oriented in the direction of the modulation axis 21 of the first light modulator 12 and the second amplitude profile 33 is assigned to a light component with a polarization oriented in the direction of the modulation axis 21 of the second light modulator 13.
  • the second amplitude curve 33 is phase-delayed compared to the first amplitude curve 32.
  • a corresponding phase shift 34 is indicated by an arrow.
  • the size of the phase shift 34 depends on the respective phase delay of the light components of the light 10 in the two light modulators 12, 13. It can be adjusted accordingly.
  • the phase delay achievable with a light modulator 12, 13 as an angle depends on the thickness of the liquid crystal layer, the difference in the refractive indices for light components polarized along the modulation axis 21 and perpendicular to it, and the wavelength of the light 10.
  • the refractive index for along the modulation axis 21 polarized light components can be set as a function of the angle of rotation of the optical axes of the molecules 22 or of the refractive indices indicated by the refractive index ellipsoid.
  • the radiation emerging from the second light modulator 13 is polarized circularly, elliptically or linearly.
  • FIG. 7 shows in a second amplitude diagram 40 in the viewing direction along the direction of propagation of the light 10 possible amplitude profiles 41, 43, 44 of the light 10 after passing through the light modulators 12, 13 shown in FIGS. 1 to 5b.
  • the amplitude profiles 41, 43, 44 are plotted against a second amplitude axis 42 and a third amplitude axis 45.
  • the second amplitude axis 42 points in the direction of the modulation axis 21 of the first light modulator 12 and the second amplitude axis 45 in the direction of the modulation axis 21 of the second light modulator 13, as shown in FIGS. 1 to 5b.
  • the direction of polarization 20 of the light 10 incident on the first light modulator 12 is shown as an arrow pointing upward to the left.
  • the direction of polarization 20 of the light 10 after the polarizer 14 is shown as an arrow pointing upward to the right.
  • the polarization directions are here
  • the shape and orientation of the ellipse depend on the size of the phase difference. Circularly polarized light is obtained with a phase difference of 0.5p. The direction of rotation of the elliptically or circularly polarized radiation is determined by the proportion of light that leads the other.
  • the light 10 emerging from the second light modulator 13 is fed to the polarizer 14. This is only permeable to light components polarized along its polarization direction 20. Radiation polarized in accordance with the third amplitude profile 41 and thus transverse to the polarization direction 20 of the polarizer 14 is therefore completely suppressed by the polarizer 14.
  • the radiation polarized in the polarization direction 20 of the polarizer 14 in accordance with the fifth amplitude profile 44 can pass the polarizer 14 completely or at least almost completely, taking into account radiation losses.
  • the polarization directions 20 of the light 10 striking the first light modulator 12 and the polarizer 14 are aligned in the same way, then light 10 can pass through the polarizer 14 in accordance with the third amplitude profile 41, while light 10 in accordance with the fifth Amplitude curve 44 is blocked by the polarizer 14.
  • the light component which is polarized parallel to the direction of polarization 20 of the polarizer 14 passes through the polarizer 14.
  • FIG. 8 shows in a third amplitude diagram 50 temporal amplitude profiles 52, 53, 54 of the light 10 after the polarizer 14 of the light modulation device with different settings of the light modulators 12, 13 shown in FIGS. 1 to 5b.
  • a sixth, a seventh and an eighth Amplitude curve 52, 53, 54 plotted against a fourth amplitude axis 51 and a second time axis 55.
  • the fourth amplitude axis 51 is aligned along the polarization direction 20 of the polarizer 14.
  • the light 10 after the polarizer 14 according to the sixth amplitude curve 52 has a maximum amplitude of normalized 1. As described in relation to FIG.
  • the amplitude of the light 10 after the polarizer 14 is changed by changing the phase difference between the light components, as is shown by the seventh and eighth amplitude curves 53, 54 compared to the sixth amplitude curve 52.
  • the phase position of the light 10 after the polarizer 14, as shown with the seventh amplitude curve 53, is retained if the light modulators 12, 13 are adjusted in opposite directions by the same amount.
  • the phase delay caused by the first light modulator 12 can be reduced by an amount and the phase delay caused by the second light modulator 13 can be increased by the same amount.
  • the amplitude of the light 10 after the polarizer 14 itself is determined by the phase difference between the two light components.
  • phase position of the light 10 changes after the polarizer 14 with the same amplitude. This is shown in the comparison between the seventh and eighth amplitude curve 53, 54.
  • the light modulators 12, 13 each achieve at least a phase delay of up to 2p.
  • the light modulation device With two phase modulating light modulators of the same type, the light modulation device according to the invention enables complex-value modulation of sufficiently coherent light, as is suitable, for example, for a hologram reconstruction. With such a complex modulation, both the phase and the amplitude of the light can be set independently of one another.
  • the components of the light modulation device are arranged in a sandwich arrangement. The exact alignment especially In particular, the light modulators 12, 13 to one another take place during the assembly of the light modulation device and are retained over their useful life. It is conceivable to use a common substrate 15 on their mutually facing surfaces for both light modulators.
  • Identical light modulators 12, 13 are advantageously used.
  • the light modulators 12, 13 can thus be manufactured using the same manufacturing processes and systems, as a result of which the manufacturing costs can be kept low.
  • the control characteristic which, for example, represents the ratio of a control voltage to an assigned phase value, is the same for both light modulators 12, 13. The total effort in the manufacture and control of the light modulation device can therefore be significantly reduced compared to a structure with an amplitude and a phase modulator.
  • Another advantage of the light modulation devices according to the invention compared to known light modulation devices is that no additional components, in particular no additional polarizers, are required between the light modulators 12, 13. This also enables a small spacing of the phase-modulating layers and / or the use of a common substrate with the advantages described above. Loss of light on the additional components is avoided.
  • Another advantage of the light moderation device according to the invention results from the fact that the same configuration of the polarizers is suitable for different wavelengths of the radiation used. For example, a single polarizer 14 and, if required, a single further polarizer 11 for the neighboring hologram cells modulating light of different primary colors can be used for colored holographic representations.
  • an additional advantage over known light modulation devices is based on the fact that the total modulation of the light modulation device according to the invention is the sum of two individual modulations of the successive light modulators 12, 13.
  • known light modulation devices as described, for example, in the document “Full-range, continuous, complex modulation by the use of two coupled-mode liquid-crystal televisions”, Neto et al, Applied Optics Vol. 35, No 23, pp 4567 are, is the velvet modulation formed as the product of two individual modulations.
  • the overall error in the light modulation device according to the invention consequently results only as the sum of the individual errors, while the total error in known light modulation devices is formed as the product of the individual errors.
  • Light modulators 12, 13 with switchable, birefringent properties can be used to construct the light modulation device.
  • liquid crystals are simple and inexpensive. These are preferably designed as nematic liquid crystals without a twist (zero-twisted nematic LC), as electronically controlled liquid crystal, as vertically aligned liquid crystal or as blue phase liquid crystal.
  • electrically controllable light modulators 12, 13 are known as ECB liquid crystal pixels (elecrically controlled birefringence) and under the synonyms "Freedericksz cell” or "zero-twisted nematic".
  • ECB liquid crystal pixels electroly controllable light modulators 12, 13
  • Freedericksz cell or "zero-twisted nematic.
  • it is also conceivable to use unlike electrically controllable light modulators 12, 13, for example optically controllable light modulators 12, 13.
  • FIG. 9 shows a light modulation device with a reflecting element 18.
  • the light 10 entering the device is polarized by the further polarizer 11 in accordance with its direction of polarization 20 and fed to the first light modulator 12.
  • the light 10 then passes through the second light modulator 13 and strikes the reflecting element 18. From there it is guided back to the second light modulator 13 and to the first light modulator 12 and leaves the arrangement via the polarizer 11. This is therefore a reflected light display device, while the arrangements from FIGS. 1 to 5b describe see-through display devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung zur komplexwertigen Modulation von auftreffendem, linear polarisiertem Licht, mit einem ersten Lichtmodulator (12), einem nachfolgend angeordneten zweiten Lichtmodulator (13) und wenigstens einem Polarisator (14), wobei der erste Lichtmodulator (12) und der zweite Lichtmodulator (13) als Phasenmodulatoren ausgebildet sind, wobei eine Modulationsachse (21) des ersten Lichtmodulators (12) unter einem Winkel zur Modulationsachse (21) des zweiten Lichtmodulators (13) ausgerichtet ist, und wobei die Polarisationsrichtung (20) des auf den ersten Lichtmodulator (12) auftreffenden Lichts (10) und die Polarisationsrichtung (20) des Polarisators (14) jeweils in vorbestimmten Winkeln ungleich 90° zu der Modulationsachse (21) des ersten Lichtmodulators (12) und der Modulationsachse (21) des zweiten Lichtmodulators (13) ausgerichtet sind.

Description

Lichtmodulationsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung und ein Verfahren zur komplexwerti- gen Modulation von auftreffendem linear polarisiertem Licht.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensiona- len oder dreidimensionalen Szenen.
Eine solche Lichtmodulationsvorrichtung ist für eine Hologrammrekonstruktion geeignet, bei der eine komplexwertige Modulation einer kohärenten linear polarisierten Eingangsstrahlung erfolgt. Anwendungsgebiete einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung sind Anzeige- Einrichtungen für Video- und TV-Geräte sowie Projektoren zur holografischen Wiedergabe. Hierbei ist die Lichtmodulationsvorrichtung in ansteuerbare Zellen (Pixel) aufgeteilt, welche vorzugsweise eine Echtzeit- oder zumindest echtzeitnahe holografische Darstellung eines Videos ermöglichen. Das Video besteht dabei aus einer Vielzahl von Szenen (Einzelbildern), die jeweils als ein Hologramm in die Zellen der Lichtmodulationsvorrichtung kodiert werden. Die Szenen können einer realen Anordnung von Gegenständen entsprechen oder compu- tergeneriert sein. Zum Kodieren sind Verfahren bekannt, die die Eigenschaften der Lichtmo- dulationsvorrichtung, wie beispielhaft ausschließliche Phasenmodulation, berücksichtigen.
Eine solche komplexwertige Modulation kann durch eine in Ausbreitungsrichtung der Ein- gangsstrahlung nacheinander erfolgende Amplituden- und Phasenmodulation in zwei geeig- neten Lichtmodulatoren erreicht werden. Dies erfordert allerdings einen Amplitudenmodula- tor und einen Phasenmodulator, die ähnliche Schaltzeiten aufweisen und ausreichend gut zueinander justiert sind.
Alternativ sind Anordnungen und Verfahren bekannt, die eine Phasensumme oder Zwei- Phasencodierung verwenden. Hierbei wird die Ausgangsstrahlung zweier Phasenmodulato- ren über einen Strahlteiler zusammengeführt und zur Interferenz gebracht, so dass die Amplitude und Phase für jede Zelle eines Hologramms eingestellt werden kann.
Weiterhin gibt es Anordnungen zur Zwei-Phasencodierung, bei denen nebeneinander lie gende Zellen eines Phasenmodulators die Eingangsstrahlung so modulieren, dass durch Interferenz deren Ausgangsstrahlung die gewünschte Amplitude und Phase am Ort eines Beobachters aufweist. Hierbei bilden zwei oder mehr Sub-Pixel eines Phasenmodulators ein Pixel eines Hologramms. Als Lichtmodulatoren können„spatial light modulators“ (SLM) ein- gesetzt werden. Einrichtungen und Verfahren zur Bereitstellung von holografischen Displays sind aus Anmel- dungen der Anmelderin wie der EP 1 563 346 A2, der DE 10 2004 063 838 A1 , der DE 10 2005 023 743 A1 und der WO 2008/151980 A1 bekannt. Weiterhin sind solche Einrichtungen auch in der Schrift„Full-range, continuous, complex modulation by the use of two coupled- mode liquid-crystal televisions“, Neto et al, Applied Optics Vol. 35, No 23, pp 4567 beschrieben. Die in der Schrift beschriebenen, im Strahlengang aufeinanderfolgenden Lichtmodulatoren nutzen Flüssigkristall-Anzeigen mit Twisted-Nematic-Technologie. In einer als Zitat 2 in dieser Schrift aufgeführten Schrift wird eine Anordnung mit einem Phasenmodu- lator mit Twisted-Nematic-Technologie und einem darauf folgenden Amplitudenmodulator mit Twisted-Nematic-Technologie genannt. In beiden Anordnungen ergibt sich die Modulation der Ausgangsstrahlung aus dem Produkt der Modulationen der zwei aufeinander folgenden Modulatoren. Vor und nach jedem Modulator ist ein Polarisator angeordnet. Hierbei kann es erforderlich sein, für unterschiedliche Wellenlängen für eine korrekte Funktion verschiedene Polarisationsrichtungen vorzusehen.
Aus der Schrift US 5,719,650 ist ein Lichtmodulator bekannt, mit dem Amplitude und Phase unabhängig voneinander gesteuert werden können. Er besteht aus zwei polarisationsrotie- renden Elementen mit jeweils einer Flüssigkristallschicht, die jeweils zwischen zwei Trä- gersubstratplatten angeordnet sind. Die Grundelektroden und die Gitterelektroden sind für jede Schicht extra vorhanden. Die Justierung der Elemente zueinander wird bereits in der Herstellungsphase durchgeführt.
Die zur Realisierung der Lichtmodulatoren verwendeten Flüssigkristalle sind doppelbrechen- de Materialien, bei denen die Orientierung der optischen Achse der Moleküle, beispielhaft durch ein elektrisches Feld, in eine gewünschte Richtung eingestellt werden kann. Bei einem nematischen Flüssigkristall entspricht die optische Achse der Längsachse der Moleküle. Die Modulation des einfallenden Lichts hängt von der Einstellungsrichtung der optischen Achsen der Moleküle zur Durchtrittsrichtung und Polarisation des durchtretenden Lichts ab. Die Aus- richtung der Moleküle ohne Feldeinwirkung wird durch eine Vorbehandlung der dem Flüssig- kristall zugewandten Oberflächen des Lichtmodulators erreicht. So können die Moleküle pa- rallel zur Oberfläche ausgerichtet werden. Unter Einwirkung des elektrischen Feldes drehen sich die Moleküle eines nematischen Flüssigkristalls mit positiver Dielektrizitätsanisotropie in Richtung des Feldes. Liegt das elektrische Feld senkrecht zur Oberfläche der Substrate (out- of-plane Feld), so drehen die Moleküle unter anliegendem Feld senkrecht zur Oberfläche der Substrate. Bezogen auf senkrecht durch den Lichtmodulator hindurchtretendes Licht ändert sich durch das elektrische Feld die Orientierung der Moleküle demnach von senkrecht nach parallel. In diesem Fall wird die doppelbrechende Wirkung der Flüssigkristallzelle vermindert.
Nematische Flüssigkristalle mit negativer Dielektrizitäsanisotropie können beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines Substrates ausgerichtet werden mit einem Winkel, der nahe bei 90 Grad zur Oberfläche liegt, aber nicht exakt 90 Grad beträgt.
Liegt ein Feld senkrecht zur Oberfläche der Substrate (out-of-plane Feld) an, so drehen die Moleküle unter anliegendem Feld parallel zur Oberfläche der Substrate. Tritt Licht senkrecht durch den Lichtmodulator hindurch, so ändert sich durch das elektrische Feld die Orientie- rung der Moleküle von parallel nach senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des durchtretenden Lichtes. In diesem Fall wird die doppelbrechende Wirkung der Flüssigkristallzelle durch das Feld vergrößert.
Es sind andere LC Moden bekannt, beispielsweise Blaue Phasen (Blue Phase), die in Abwe- senheit eines elektrischen Feldes optisch isotrop sind, die aber durch Anlegen eines Feldes doppelbrechend werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich allgemein auf LC Moden, bei denen durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Doppelbrechung erzeugt oder ver- ändert, das heißt vergrößert oder verkleinert, wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach ansteuerbare Lichtmodulationseinrichtung zur komplexwertigen Lichtmodulation bereitzustellen.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur komplexwertigen Modulation von Licht mit einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung bereitzustellen.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine einfach ansteuerbare Anzeigevorrichtung zur Dar- stellung von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Szenen bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.
Die die Lichtmodulationsvorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird durch eine Lichtmodulationsvorrichtung zur komplexwertigen Modulation von auftreffendem, linear pola- risiertem Licht gelöst, mit einem ersten Lichtmodulator, einem nachfolgend angeordneten zweiten Lichtmodulator und wenigstens einem Polarisator, wobei der erste Lichtmodulator und der zweite Lichtmodulator als Phasenmodulatoren ausgebildet sind, wobei eine Modula- tionsachse des ersten Lichtmodulators unter einem Winkel zur Modulationsachse des zwei- ten Lichtmodulators ausgerichtet ist, und wobei die Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts und die Polarisationsrichtung des Polarisators jeweils in vorbestimmten Winkeln ungleich 90° zu der Modulationsachse des ersten Lichtmodulators und der Modulationsachse des zweiten Lichtmodulators ausgerichtet sind.
In dem ersten Lichtmodulator wird ein in Richtung der ersten Modulationsachse schwingen- der Anteil und in dem zweiten Lichtmodulator ein in Richtung der zweiten Modulationsachse schwingender Anteil des Lichts abhängig von der jeweiligen Ansteuerung der Lichtmodulato- ren in seiner Phase moduliert. Auf Grund der jeweils vorbestimmten Winkel ungleich 90° zwischen der Polarisationsrichtung des Lichtes und den Modulationsachsen liegen in Rich- tung der Modulationsachsen schwingende Lichtanteile des Lichts vor. Durch entsprechende Ansteuerung der Lichtmodulatoren können die Phasen dieser Lichtanteile unabhängig von- einander verändert werden. Damit wird nach Durchtritt des Lichts durch die beiden Lichtmo- dulatoren in Abhängigkeit von der jeweiligen Phaseneinstellung der Lichtanteile elliptisch, zirkular oder linear polarisiertes Licht gebildet. Dieses wird durch den Polarisator entspre- chend seiner Polarisationsrichtung linear polarisiert. Das aus der Lichtmodulationsvorrich- tung austretende, linear polarisierte Licht kann durch die Ansteuerung der Lichtmodulatoren in seiner Amplitude und Phase eingestellt werden. Dazu wird durch die Ansteuerung der Lichtmodulatoren die elliptische, zirkulare oder lineare Polarisierung des aus dem zweiten Lichtmodulator austretenden Lichts derart ausgebildet, dass in Polarisationsrichtung des Polarisators die gewünschte Amplitude und Phase vorliegen.
Vorzugsweise können in der Lichtmodulationsvorrichtung zwei gleichartige phasenmodulie- rende Lichtmodulatoren verwendet werden, die sich lediglich in der Ausrichtung ihrer Modu- lationsachsen unterscheiden. Hierdurch kann vorteilhaft die Schaltcharakteristik betreffend Ansteuerung und Schaltgeschwindigkeit beider Lichtmodulatoren gleich gewählt werden. Die Ansteuerung der Lichtmodulationsvorrichtung wird auf diese Weise gegenüber Lichtmodula- tionsvorrichtungen mit verschieden ausgebildeten Lichtmodulatoren deutlich vereinfacht. Zwischen den Lichtmodulatoren sind keine zusätzlichen Polarisationsfilter erforderlich, wie dies bei einer Kombination eines Phasenmodulators mit einem Amplitudenmodulator not- wendig ist. Mit der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung wird daher ein einfacher Aufbau mit einer geringen Anzahl an erforderlichen Bauelementen bei vereinfachter Ausrich- tung der Lichtmodulatoren zueinander erreicht. Strahlungsverluste durch zusätzliche Polari- sationsfilter werden vermieden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen den Modulationsachsen der Lichtmodulatoren zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, besonders bevorzugt 90°, beträgt. Durch die aufeinanderfolgenden Lichtmodulatoren werden somit Schwingungsanteile mit senkrecht zueinander stehenden oder zumindest annähernd senkrecht zueinander stehenden Schwin- gungsebenen moduliert. Dies ermöglicht einen großen Einstellbereich für die Phasenlage und die Amplitude des komplexwertig modulierten Lichts.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Polarisationsrichtung des Polarisators in einem Winkel zwischen 80° und 100°, vorzugsweise in einem Winkel zwischen 85° und 95°, besonders bevorzugt senkrecht zu der Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodula- tor auftreffenden Lichts ausgerichtet ist oder dass die Polarisationsrichtung des Polarisators in einem Winkel zwischen -10° und +10°, vorzugsweise in einem Winkel zwischen -5° und +5°, besonders bevorzugt parallel zu der Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmo- dulator auftreffenden Lichts ausgerichtet ist.
Stehen die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des auf die Lichtmodulationsvorrich- tung auftreffenden Lichts in einem Winkel zwischen 80° und 100° bzw. in einem Winkel zwi- schen -10° und +10° zueinander, so kann bei geringem Justageaufwand bei der gegenseiti- gen Ausrichtung der Polarisationsrichtungen mit der Lichtmodulationsvorrichtung eine sehr geringe Amplitude des komplexwertig modulierten Lichts erreicht werden. Bei einer gegen- seitigen Ausrichtung der Polarisationsrichtungen in einem Winkel zwischen 85° und 95° bzw. zwischen -5° und +5° kann die geringste einstellbare Leistung des komplexwertig modulier- ten Lichts weiter reduziert werden. Hierdurch kann ein hoher Kontrast zwischen den hellsten und dunkelsten Stellen einer mit der Lichtmodulationsvorrichtung erzeugten, holografischen Abbildung eines Gegenstandes erzielt werden. Eine vollständige oder zumindest nahezu vollständige Auslöschung des aus der Lichtmodulationsvorrichtung austretenden Lichts kann bei senkrecht oder parallel zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen erreicht wer- den. Dabei wird bei einer senkrechten oder in etwa senkrechten Ausrichtung der Polarisati onsrichtungen des auf die Lichtmodulationsvorrichtung auftreffenden Lichts und des Polari- sators die geringste Amplitude erreicht, wenn durch geeignete Ansteuerung beide Lichtmo- dulatoren keinen gegenseitigen Phasenversatz bewirken. Bei einer parallelen oder annä- hernd parallelen Ausrichtung der Polarisationsrichtungen wird die geringste Amplitude bei einem gegenseitigen Phasenversatz von p erreicht.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der vorbestimmte Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts und der Modu- lationsachse des ersten Lichtmodulators zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, besonders bevorzugt 45°, beträgt. In einem Einstellbereich zwischen 30° und 60° wird bei geringer erforderlicher Justiergenauigkeit eine hohe Ausgangsleistung des die Lichtmo- dulationsvorrichtung verlassenden Lichts ermöglicht. Bei einem vorbestimmten Winkel zwi- schen 40° und 50° kann die mögliche Ausgangsleistung weiter gesteigert werden. Bei einer gegenseitigen Ausrichtung der Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts und der Modu- lationsachse des ersten Lichtmodulators unter 45° wird eine maximale Ausgangsleistung des komplexwertig modulierten Lichts ermöglicht.
Die Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts kann dadurch einfach vorgegeben und an die Ausrichtung der Modulationsachsen der Lichtmodu- latoren und/oder der Polarisationsrichtung des Polarisators angepasst werden, dass in Licht- ausbreitungsrichtung vor dem ersten Lichtmodulator ein weiterer Polarisator angeordnet ist. Die verwendete Lichtquelle muss dann lediglich ausreichend kohärentes Licht bereitstellen.
Beispielhaft werden die Polarisationszustände und die Modulation in den Lichtmodulatoren hier in Form von Jones Matrizen beschrieben. Das auf den ersten Lichtmodulator einfallende Licht hat beispielsweise durch die Verwendung des im vorigen Abschnitt beschriebenen wei- teren Polarisators -45° lineare Polarisation mit dem Jones Vektor
Figure imgf000007_0001
Die erste lichtmodulierende Schicht (erster Lichtmodulator) wird durch die folgende Jones Matrix repräsentiert
Figure imgf000007_0002
wobei in einer ersten Richtung die Phase F1 in Abhängigkeit von der Spannung V moduliert wird, die an die erste Modulationsschicht angelegt wird.
Die zweite lichtmodulierende Schicht (zweiter Lichtmodulator) wird durch die folgende Jones Matrix repräsentiert
Figure imgf000007_0003
wobei in einer zweiten Richtung die Phase F2 in Abhängigkeit von der Spannung V modu- liert wird, die an die zweite Modulationsschicht angelegt wird.
Der Polarisator am Ausgang, der eine Drehung von 45° aufweist, also 90 Grad relativ zur Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts, hat eine Jones Matrix
0.5 0.5
0.5 0.5 )
Den Jones Vektor des resultierenden modulierten Lichtes erhält man durch Multiplikation der einzelnen Matrizen mit dem Jones Vektor des einfallenden Lichtes.
Figure imgf000007_0004
qcr(ίFIOΌ)— exp(i02(V))
Zu Jout 0.7 * ^ * (qcr(ίFIOΌ)— qcr(ίF2qq))
qcr(ίFIOq)— qcr(ίF2(Iq)
Dies ist unter 45° linear polarisiertes Licht
Figure imgf000008_0001
Mit der Amplitude cos( 1 (V)- 2(V)-u)/2 und der Phase F1 (n)+F2(n)+p)/2
Werden in diesem Fall die beiden RIΐqbbhF^n) und F2(n) gleich gewählt, so ergibt sich eine Amplitude von cos (-pi/2) = 0
In einer anderen Ausgestaltung ist es auch möglich, die Polarisationsrichtung des einfallen- den Lichts und den Polarisator am Ausgang parallel zueinander zu wählen, beispielsweise beide unter 45°, so dass sich dann die Polarisation des einfallenden Lichtes im Vergleich zu der vorhergehenden Rechnung geändert hat. In diesem Fall lässt sich der Jones Vektor ana- log zu oben berechnen.
^ = (SJ S:K exp(i ))) * n(i r( )) !) · « * (!) ln diesem Fall ist die Amplitude oo8(F1 (n)-F2(n)/2). Diese wird maximal, wenn die Phasen- modulation der ersten und zweiten Modulationsschicht (erster und zweiter Lichtmodulator) gleich sind und minimal, wenn sich die Phasenmodulation der ersten und zweiten Modulati- onsschicht um p unterscheiden.
Ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Lichtmodulationsvorrichtung auf bekannter Technologie kann dadurch erreicht werden, dass der erste Lichtmodulator und der zweite Lichtmodulator jeweils als eine steuerbare doppelbrechende Flüssigkristallschicht ausgebil- det sind. Solche elektrisch steuerbaren Flüssigkristallschichten werden auch als ECB-Zellen (electrically controlled birefringence) bezeichnet. Es werden beispielsweise nematische Flüs sigkristalle mit positiver Dielektrizitätsaniosotropie verwendet, bei denen ohne Ansteuerung die Moleküle parallel zur Oberfläche der Zelle und senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes entlang der Lichtausbreitungs- richtung werden die Moleküle in die Lichtausbreitungsrichtung gedreht und die effektive Doppelbrechung der Flüssigkristallschicht der Zelle für Licht, das senkrecht durch den Licht modulator hindurchtritt, vermindert. In einer anderen Ausführungsform werden nematische Flüssigkristalle mit negativer Dielekt- rizitätsanisotropie mit einem vertikal ausgerichteten (vertical aligned VA) LC Mode verwen- det, bei denen ohne Ansteuerung die Moleküle nahezu senkrecht, das heißt in einem Winkel von mehr als 85°, aber weniger als 90°, zur Oberfläche der Zelle und nahezu parallel, das heißt in einem Winkel von mehr als 0°, aber weniger als 5 Grad, zur Lichtausbreitungsrich- tung angeordnet sind. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes entlang der Lichtausbrei- tungsrichtung werden die Moleküle aus der Lichtausbreitungsrichtung heraus gedreht und die effektive Doppelbrechung der Flüssigkristallschicht der Zelle für Licht, das senkrecht durch den Lichtmodulator hindurchtritt, vergrößert. Dabei wird in der ersten und der zweiten lichtmodulierenden Schicht der Pretilt, also der Winkel von mehr als 0, aber weniger als 5° zur Lichtausbreitungsrichtung, der ohne Ansteuerung vorliegt, so gewählt, dass sich die Kipprichtung zur Lichtausbreitungsrichtung in der ersten und der zweiten lichtmodulierenden Schicht um 90° voneinander unterscheidet. Bei anliegendem elektrischen Feld drehen die Moleküle in der ersten und zweiten lichtmodulierenden Schicht dann in zwei zueinander senkrechten Ebenen von der Lichtausbreitungsrichtung weg. Durch die unterschiedlichen Drehrichtungen im Feld werden in der ersten und der zweiten lichtmodulierenden Schicht unterschiedliche Polarisationsanteile des Lichtes in der Phase moduliert.
In einer dritten Ausführungsform weisen die Lichtmodulatoren lichtmodulierende Schichten mit einem einen Blue Phase LC Mode auf. Ohne Ansteuerung sind die lichtmodulierenden Schichten optisch isotrop. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes entsteht eine Doppelbre- chung mit optischer Achse in Feldrichtung. Zur Phasenmodulation für eine bestimmte lineare Polarisation werden linienförmige Elektroden zur Erzeugung eines in-plane Feldes verwen- det. Dabei sind die linienförmigen Elektroden in der ersten lichtmodulierenden Schicht senk- recht zu den linienförmigen Elektroden in der zweiten lichtmodulierenden Schicht angeord- net. Durch die unterschiedliche Orientierung der Elektroden und daher unterschiedliche Feld- richtung wird in der ersten und zweiten lichtmodulierenden Schicht eine optische Achse mit unterschiedlicher Orientierung erzeugt. Hierdurch werden in der ersten und zweiten lichtmo- dulierenden Schicht unterschiedliche Polarisationsanteile des Lichtes in der Phase moduliert.
Ist es vorgesehen, dass für den ersten Lichtmodulator und den zweiten Lichtmodulator die Phasenverschiebung jeweils über einen Bereich von mindestens 2p einstellbar ist, so kön- nen vorteilhaft für alle Amplituden alle Phasenverschiebungen des aus der Lichtmodulations- vorrichtung austretenden Lichts bis 2p eingestellt werden. Ermöglichen die Lichtmodulatoren jeweils nur Phasenverschiebungen über einen kleineren Bereich als 2TT, SO kann für die Amplitude und die Phasenverschiebung des austretenden Lichts nur ein eingeschränkter Bereich von Kombinationen eingestellt werden.
Die Lichtmodulationsvorrichtung ist für eine Hologrammrekonstruktion geeignet, wenn die Lichtmodulatoren jeweils in eine zweidimensionale Anordnung von unabhängig voneinander ansteuerbaren Pixeln aufgeteilt sind. Die Phasenverschiebung und die Amplitude des kom- plexwertig modulierten Lichts kann für jede Hologrammzelle durch entsprechende Ansteue- rung von entlang einer Achse angeordneten Pixeln der beiden Lichtmodulatoren, vorzugs- weise durch eine elektrische Ansteuerung, eingestellt werden. Dabei ist im Sinne der Erfin- dung eine Hologrammzelle aus zwei in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hintereinander liegenden und bezüglich der Phasen- und Amplitudenmodulation zusammenwirkenden Pi- xeln der aufeinanderfolgend angeordneten Lichtmodulatoren gebildet. Gegenüber Lichtmo- dulationsvorrichtungen mit zur Einstellung einer Phase und einer Amplitude in einer Ebene neben- oder übereinander angeordneten Pixeln weist die erfindungsgemäße Lichtmodulati- onseinrichtung eine verbesserte Auflösung auf, denn es können doppelt so viele komplex- wertige Pixel auf der gleichen Fläche erzeugt werden.
Ein besonders kompakter Aufbau der Lichtmodulationsvorrichtung kann dadurch erreicht werden, dass der erste Lichtmodulator und der zweite Lichtmodulator direkt miteinander ver- bunden sind. Es wird so über die Lebensdauer der Lichtmodulationsvorrichtung eine korrekte Ausrichtung der Lichtmodulatoren zueinander erreicht.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der erste Lichtmodulator und der zweite Lichtmo- dulator zumindest ein gemeinsames Substrat aufweisen. Durch das gemeinsam verwendete Substrat ist die gegenseitige Justage der beiden Lichtmodulatoren bereits bei der Herstel- lung festgelegt und kann sich im Betrieb nicht mehr verstellen. Der durch das gemeinsame Substrat erreichbare, geringe Abstand der Lichtmodulatoren führt vorteilhaft zu einer Redu- zierung störender Beugungseffekte bei der Lichtausbreitung zwischen hintereinanderliegen- den Pixeln. Sowohl Strahlungsverluste als auch störende Artefakte werden auf diese Weise gering gehalten.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur komplexwertigen Modulation von linear polarisiertem Licht gelöst, mit einem ersten Lichtmodulator, einem nachfolgend angeordneten zweiten Lichtmodulator und wenigstens einem Polarisator, wobei ein in Rich- tung einer Modulationsachse des ersten Lichtmodulators schwingender Lichtanteil des Lich- tes durch den ersten Lichtmodulator in seiner Phase einstellbar verzögert wird, wobei ein in Richtung der Modulationsachse des zweiten Lichtmodulators schwingender Lichtanteil des Lichts durch den zweiten Lichtmodulator in seiner Phase einstellbar verzögert wird, wobei die Modulationsachse des ersten Lichtmodulators quer, vorzugsweise senkrecht, zur Modulati- onsachse des zweiten Lichtmodulators ausgerichtet ist und wobei das aus dem zweiten Lichtmodulator austretende Licht durch den in einem Winkel ungleich 90° zu den Modulati- onsachsen ausgerichteten Polarisator linear polarisiert wird.
Eine Modulationsachse spannt mit der Ausbreitungsrichtung des zu modulierenden Lichts eine Schwingungsebene für Lichtanteile auf, auf welche der jeweilige Lichtmodulator ein- stellbar phasenverzögernd wirkt. In Richtung der Modulationsachse schwingende Lichtantei- le des Lichts können durch den jeweiligen Lichtmodulator in ihrer Phase eingestellt werden, während senkrecht zu der Modulationsachse schwingende Lichtanteile nicht oder nicht ein- stellbar in ihrer Phase verändert werden.
Dass der erste Lichtmodulator die Phase eines ersten Lichtanteils einstellbar verzögern kann setzt demnach voraus, dass das linear polarisierte, auf den ersten Lichtmodulator auftreffen- de Licht Lichtanteile aufweist, welche in Richtung der ersten Modulationsachse des ersten Lichtmodulators ausgerichtet sind. Die Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodula- tor auftreffenden Lichts muss daher in einem Winkel ungleich 90° zu der ersten Modulations- achse des ersten Lichtmodulators ausgerichtet sein. Damit der zweite Lichtmodulator die Phase des zweiten Lichtanteils einstellbar verzögern kann ist es erforderlich, dass die Polari- sationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts in einem Winkel un- gleich 90° zu der zweiten Modulationsachse des zweiten Lichtmodulators ausgerichtet ist. Die Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts liegt dem- nach vorteilhaft zwischen den Ausrichtungen der Modulationsachsen.
Wird ein Lichtanteil gegenüber dem anderen in seiner Phase verzögert, so ergibt sich nach den Lichtmodulatoren zirkular, elliptisch oder linear polarisiertes Licht. Die sich ausbildende Polarisation dieses Lichts kann durch die Wahl der Verzögerung der Lichtanteile eingestellt werden. Durch geeignete Anpassung der Polarisation der nach dem zweiten Lichtmodulator vorliegenden Strahlung an die Polarisationsrichtung des Polarisators können die Amplitude und die Phase des aus dem Polarisator austretenden Lichts eingestellt werden.
Vorzugsweise stehen die Modulationsachsen der Lichtmodulatoren senkrecht aufeinander und die Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts und des Polarisators sind unter 45° zu den Modulationsachsen ausgerichtet. Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Phase des nach dem Polarisator austretenden Lichts bei gleicher Amplitude dadurch verändert wird, dass die Phasenverzöge- rungen eines von dem ersten Lichtmodulator modulierten Lichtanteils und eines von dem zweiten Lichtmodulator modulierten Lichtanteils um einen gleichen Wert verändert werden. Durch die gleichsinnige Phasenveränderung der beiden Lichtanteile bleibt die Amplitude des aus dem Polarisator austretenden Lichts erhalten, während sich seine Phasenlage verän- dert. Ermöglichen die Lichtmodulatoren jeweils eine Phasenverschiebung von mindestens 2*TT, so kann zwischen den beiden Lichtanteilen die normierte Amplitude von 0 bis 1 durch eine Einstellung der Phasendifferenz von 0 bis 2p eingestellt werden. Dabei hängt es, wie zuvor beschrieben, davon ab, ob die Polarisationsrichtung des Polarisators senkrecht oder parallel zu der Polarisationsrichtung des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts gewählt ist, ob eine Phasendifferenz von 0 zwischen den beiden Lichtanteilen einer normier- ten Amplitude von 0 oder von 1 entspricht. Eine Phasendifferenz von p der Lichtanteile ergibt bei gleicher Ausrichtung der Polarisation des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts und des Polarisators eine minimale Amplitude und bei senkrechter Ausrichtung der Polarisationen zueinander eine maximale Amplitude. Entsprechend bewirkt eine Phasendif- ferenz von 0 der Lichtanteile bei gleicher Ausrichtung der Polarisation des auf den ersten Lichtmodulator auftreffenden Lichts und des Polarisators eine maximale Amplitude und bei senkrechter Ausrichtung der Polarisationen zueinander eine minimale Amplitude. Unabhän- gig von der eingestellten Amplitude kann bei beiden Polarisatoranordnungen die Phase des aus der Lichtmodulationsvorrichtung austretenden Lichts für alle Amplitudenwerte im Bereich zwischen 0 und 2p verändert werden.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Amplitude des aus dem Polarisator austre- tenden Lichts bei gleichbleibender Phase dadurch verändert wird, dass die Phasenverzöge- rungen des von dem ersten Lichtmodulator modulierten Lichtanteils und des von dem zwei- ten Lichtmodulator modulierten Lichtanteils gegenläufig um den gleichen Betrag verändert werden. Es ist so möglich, die Amplitude des aus der Lichtmodulationsvorrichtung austreten- den Lichts zu verändern, ohne dass sich seine Phase verändert.
Die die Anzeigevorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anzeigevor- richtung, insbesondere eine holografische Anzeigevorrichtung, zur Darstellung von zweidi- mensionalen oder dreidimensionalen Szenen gelöst, wobei die Anzeigevorrichtung eine Lichtmodulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 aufweist. Durch die Ver- wendung zweier gleichartiger, nacheinander angeordneter Lichtmodulatoren kann die Phase und die Amplitude von Licht bei einfacher Ansteuerung der Lichtmodulatoren in einem weiten Bereich eingestellt werden. Dabei kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass der Anzeigevorrichtung eine Beleuchtungs- Vorrichtung zugeordnet ist und dass die Beleuchtungsvorrichtung kohärentes oder kohären- tes, linear polarisiertes Licht aussendet. Sendet die Beleuchtungsvorrichtung kohärentes Licht aus, so kann dessen Amplitude und Phase durch die Lichtmodulatoren gezielt einge- stellt werden. Ist das von der Beleuchtungsvorrichtung ausgesendete Licht linear polarisiert, kann auf den weiteren Polarisator verzichtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Fi- guren näher erläutert. Dabei verweisen in den Figuren gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder sich entsprechende Elemente.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen perspektivischen Darstellung Komponenten einer
Lichtmodulationsvorrichtung,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung in Fig. 1 gezeigte Lichtmodulatoren in ver- schiedenen Schaltzuständen,
Fig. 3 a, b eine Ausführungsform der Lichtmodulationsvorrichtung mit elektrisch schaltba- ren doppelbrechenden Flüssigkristallen,
Fig. 4 a, b eine Ausführungsform der Lichtmodulationsvorrichtung mit ohne Steuerspan- nung senkrecht zum Substrat ausgerichteten Flüssigkristallen,
Fig. 5 a, b eine Ausführungsform der Lichtmodulationsvorrichtung mit Blue Phase Flüs sigkristallen,
Fig. 6 in einem ersten Amplitudendiagramm zeitliche Amplitudenverläufe zweier
Lichtanteile nach Durchtritt durch zwei in Fig. 1 bis 5b gezeigten Lichtmodula- toren,
Fig. 7 in einem zweiten Amplitudendiagramm in Blickrichtung entlang ihrer Ausbrei- tungsrichtung mögliche Amplitudenverläufe der Strahlung nach Durchtritt durch die in Fig. 1 bis 5b gezeigten Lichtmodulatoren, Fig. 8 in einem dritten Amplitudendiagramm zeitliche Amplitudenverläufe der Aus- gangsstrahlung der Lichtmodulationsvorrichtung bei verschiedenen Einstel- lungen der in Fig. 1 bis 5b gezeigten Lichtmodulatoren,
Fig. 9 eine Ausführungsform der Lichtmodulationsvorrichtung mit einem reflektieren- den Element.
Figur 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung Komponenten einer Lichtmodulationsvorrichtung. Diese sind entlang einer Ausbreitungsrichtung von durch die Lichtmodulationsvorrichtung geführten Lichts 10 angeordnet. Zur Beschreibung der Funktion der Lichtmodulationsvorrichtung ist eine beabstandete Darstellung der Komponenten ge- wählt. Bei montierter Lichtmodulationsvorrichtung sind die Komponenten in Ausbreitungsrich- tung des Lichts 10 vorzugsweise unmittelbar aneinandergereiht.
Licht 10 trifft auf einen ersten Lichtmodulator 12 und nachfolgend auf einen zweiten Lichtmo- dulator 13. Von den Lichtmodulatoren 12, 13 ist jeweils ein einzeln ansteuerbares Pixel ge- zeigt. Die vollständigen Lichtmodulatoren 12, 13 werden von einer Vielzahl solcher raster- förmig in einer Ebene angeordneten Pixel gebildet.
Das Licht 10 ist zur Ausbildung von Interferenzen hinreichend kohärent. Nach dem zweiten Lichtmodulator 13 ist das Licht 10 einem linear polarisierenden Polarisator 14 zugeführt.
Zur Polarisation des Lichts 10 ist ein weiterer Polarisator 11 vorgesehen, dem das Licht 10 zugeführt ist. Es ist jedoch auch denkbar, eine Strahlungsquelle zu verwenden, welche be- reits polarisiertes Licht aussendet, beispielhaft einen linear polarisierten Laserstrahl. Auf den weiteren Polarisator 1 1 kann dann verzichtet werden.
Nach dem Polarisator 14 tritt das Licht 10 aus der Lichtmodulationsvorrichtung aus.
Der erste Lichtmodulator 12 weist eine Modulationsachse 21 und der zweite Lichtmodulator 13 eine dazu unter einem Winkel gedrehte Modulationsachse 21 auf, welche durch Pfeile symbolisch dargestellt sind. Die Modulationsachsen 21 sind quer, vorliegend senkrecht, zur Ausbreitungsrichtung des Lichts 10 ausgerichtet. Der Winkel zwischen den Modulationsach- sen 21 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 90°. Die Modulationsachsen 21 stehen somit senkrecht aufeinander. Eine Polarisationsrichtung 20 des weiteren Polarisators 11 und damit des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 ist ebenfalls durch einen Pfeil gekennzeichnet. Sie ist sowohl zu der Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 wie auch zu der Mo- dulationsachse 21 des zweiten Lichtmodulators 13 in einem Winkel angeordnet. Vorliegend und vorteilhaft ist die Polarisationsrichtung 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftref- fenden Lichts 10 in einem Winkel von 45° zur Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodula- tors 12 und zur Modulationsachse 21 des zweiten Lichtmodulators 13 ausgerichtet.
Die Polarisationsrichtung 20 des Polarisators 14 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Sie ist jeweils in einem Winkel zur Polarisationsrichtung 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10, zur Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 und zur Modulationsachse 21 des zweiten Lichtmodulators 13 ausgerichtet. In dem gezeigten Aus- führungsbeispiel ist die Polarisationsrichtung 20 des Polarisators 14 senkrecht zur Polarisati onsrichtung 20 des in die Lichtmodulationsvorrichtung eintretenden Lichts 10 ausgerichtet. Sie steht damit ebenfalls in einem Winkel von jeweils 45° zur den Modulationsachsen 21. Es ist auch denkbar, die Polarisationsrichtungen 20 des in die Lichtmodulationsvorrichtung ein- tretenden Lichts 10 und des Polarisators 14 parallel zueinander auszurichten. Für die Funkti- on der Lichtmodulationsvorrichtung wesentlich ist dabei, dass die Polarisationsrichtungen 20 schräg, vorzugsweise in einem Winkel von 45°, zu den Modulationsachsen 21 der Lichtmo- dulatoren 12, 13 ausgerichtet sind.
Die Modulationsachsen 21 , 23 geben Polarisationsrichtungen des Lichts 10 vor, für die Lichtmodulatoren 12, 13 phasenmodulierend wirken. Die beiden Lichtmodulatoren 12, 13 können unabhängig voneinander angesteuert werden. Das linear polarisierte, auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffende Licht 10 kann gedanklich in einen Lichtanteil, welcher in Rich- tung der Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 polarisiert ist, und einen senk- recht dazu polarisierten Lichtanteil aufgeteilt werden. Entsprechend kann das dem zweiten Lichtmodulator 13 zugeführte Licht 10 in einen Lichtanteil, der in Richtung der Modulations- achse 21 des zweiten Lichtmodulators 13 polarisiert ist, und einen senkrecht dazu polarisier- ten Lichtanteil aufgeteilt werden. In Abhängigkeit von der Ansteuerung der Lichtmodulatoren 12, 13 wird in jedem Lichtmodulator 12, 13 nur der in Richtung seiner Modulationsachse 21 , 23 polarisierte Lichtanteil in seiner Phase verzögert, während der senkrecht dazu polarisierte Lichtanteil nicht verzögert wird. Durch die schräge Ausrichtung der Polarisationsrichtung 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 zu den Modulationsachsen 21 des ersten und des zweiten Lichtmodulators 12, 13 liegen in Richtung beider Modulations- achsen 21 schwingende Lichtanteile vor. Diese können durch entsprechende Ansteuerung der Lichtmodulatoren 12, 13 unabhängig voneinander in ihrer Phase verschoben werden. Auf Grund der gezeigten Ausrichtung der Polarisationsrichtung 20 des weiteren Polarisators 11 unter 45° zu den Modulationsachsen 21 des ersten und des zweiten Lichtmodulators 12, 13 sind die in Richtung der Modulationsachsen 21 polarisierten Lichtanteile vorteilhaft gleich groß. Dadurch werden von den beiden Lichtmodulatoren 12, 13 gleiche Lichtanteile modu- liert. Es ist jedoch auch möglich, einen Winkel abweichend von 45° zwischen der ersten Po- larisationsrichtung 20 und den Modulationsachsen 21 , 23 vorzusehen. Bei einer solchen An- ordnung unterscheiden sich die in Richtung der ersten und der zweiten Modulationsachse 21 , 23 schwingenden Lichtanteile.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die in Figur 1 gezeigten Lichtmodulatoren 12, 13 in verschiedenen Schaltzuständen. Dabei sind die Lichtmodulatoren 12, 13 separat nebeneinanderliegend und damit nicht in der Abfolge ihrer Anordnung in einer Lichtmodulati- onseinheit gezeigt. Die übereinander angeordneten Darstellungen zeigen die Lichtmodulato- ren 12, 13 in zwei Schaltzuständen. Die Ausbreitungsrichtung des Lichts 10 ist in üblicher Darstellung durch Kreuze gekennzeichnet und weist in die Darstellungsebene.
Die Lichtmodulatoren 12, 13 weisen schaltbar doppelbrechende Materialien auf. Bei diesen kann der Brechungsindex für eine Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts 10 verän- dert werden, während senkrecht dazu polarisierte Lichtanteile unbeeinflusst bleiben.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Lichtmodulatoren 12, 13 als zwei um 90° zu- einander gedrehte Flüssigkristallzellen ausgebildet. Solche an sich bekannten Flüssigkristall- zellen werden in der verwendeten Form als Electrically Controlled Birefringence Liquid Crystal (ECB), als Freedericksz-Zelle oder als zero-twisted nematic bezeichnet. „Zero- twisted“ bedeutet dabei, dass es sich um nematische Flüssigkristalle ohne Twist handelt. Innerhalb einer phasenmodulierenden Schicht sind die Flüssigkristalle zumindest annähernd gleich ausgerichtet. In der oberen Darstellung der Figur 2 sind die Lichtmodulatoren 12, 13 ohne anliegendes elektrisches Feld gezeigt. Die Modulationsachsen 21 der Lichtmodulatoren 12, 13 sind entsprechend der Ausrichtung einer Molekülachse 22 der Flüssigkristalle ausge- richtet. Die Molekülachsen 22 der Flüssigkristalle in den Lichtmodulatoren 12 13 entsprechen den optischen Achsen der Flüssigkristalle. Von einer Vielzahl vorliegender Kristalle sind nur einige wenige symbolisch dargestellt. Die Modulationsachsen 21 der beiden Lichtmodulato- ren 12, 13 stehen, wie zu Figur 1 beschrieben, senkrecht zueinander. In der gezeigten An- ordnung ist die Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 vertikal und die Modula- tionsachse 21 des zweiten Lichtmodulators 13 horizontal ausgerichtet. Die unteren Darstel- lungen von Fig. 2 zeigen die Ausrichtung der Flüssigkristalle bei Vorliegen eines ausreichend hohen elektrischen Feldes in Richtung der Ausbreitungsrichtung des durchtretenden Lichts 10. Durch Einwirkung des elektrischen Feldes sind die Flüssigkristalle gedreht, so dass die Molekülachsen 22 senkrecht zur Darstellungsebene angeordnet sind. Dies ist durch Kreise symbolisiert. Durch Veränderung des elektrischen Feldes können Zwischenstellungen der Molekülachsen 22 zwischen den gezeigten Orientierungen eingestellt werden.
Bei quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichts 10 ausgerichteten Molekülachsen 22 wirken die Flüssigkristalle phasenverzögernd auf die entlang ihrer Molekülachsen 22 polarisierten Lichtanteile des Lichts 10. Senkrecht dazu polarisierte Lichtanteile werden bei Durchtritt durch den jeweiligen Lichtmodulator 12, 13 nicht oder zumindest nicht schaltbar in ihrer Pha- senlage beeinflusst. Durch Kippen der Molekülachsen 22 in Ausbreitungsrichtung des Lichts 10 nimmt die phasenverzögernde Wirkung der Flüssigkristalle ab. Sind die Molekülachsen 22 vollständig in Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtet, erfolgt keine Phasenverzöge- rung bzw. die Phasenverzögerung ist für alle Lichtanteile gleich.
Figur 3a zeigt eine räumliche Darstellung der in Figur 1 beschriebenen Ausgestaltung der Lichtmodulationsvorrichtung mit einem elektrisch ansteuerbaren doppelbrechenden Flüssig kristall (Electrically Controlled Liquid Crystal; ECB LC Mode) als optisch wirksames Element des ersten und zweiten Lichtmodulators 12, 13. Dargestellt sind die beiden Polarisatoren 1 1 , 14, die in diesem Beispiel um 90 Grad zueinander verdreht angeordnet sind, und die beiden Lichtmodulatoren 12, 13, bei denen die Flüssigkristalle jeweils zwischen zwei Substraten 15 angeordnet sind. Die Schaltzustände der Flüssigkristalle sind jeweils durch die Orientierung der Molekülachse 22 gekennzeichnet. Die Orientierung der Molekülachsen 22 wird hier durch eine Vorbehandlung der Oberflächen der Substrate 15 vorgegeben. Im zweiten Licht modulator 13 sind die Molekülachsen 22 senkrecht zu den Molekülachsen 22 im ersten Lichtmodulator 12 orientiert und in beiden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts 10. Die Molekülachsen 22 liegen somit parallel zu den Oberflächen der Substrate 15. In Rich- tung der Molekülachse 22 weist der Flüssigkristall eine höhere Brechzahl als senkrecht zur Molekülachse 22. Hierdurch wird das Licht 10, je nach dessen Polarisationsrichtung, unter- schiedlich in seiner Phase verschoben.
Wie zuvor beschrieben, können die beiden Lichtmodulatoren 12,13 auch ein gemeinsames mittleres Substrat 15 aufweisen. Die Substrate 15 weisen jeweils flächige Elektroden auf. Im Fall einer Pixelstruktur hat auf einem der Substrate jedes Lichtmodulators 12, 13 jedes Pixel eine eigene Elektrode, auf dem anderen Substrat liegt eine gemeinsame Common-Elektrode für alle Pixel vor. Ein gemeinsames Substrat 15 weist jeweils eine Elektrode auf jeder Seite auf. Bevorzugt ist das in beiden Fällen die Common Elektrode, so dass die Pixelelektroden auf den jeweils äußeren Substraten 15 beiden Lichtmodulatoren 12,13 angeordnet sind. Figur 3b zeigt die Anordnung aus Figur 3a mit zusätzlichen Anschlüssen für die Elektroden auf den Substraten 15, so dass unabhängig voneinander an jeden Lichtmodulator 12, 13 eine Steuerspannung 16 angelegt werden kann. Wird eine solche Steuerspannung 16 ange- legt, entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Substraten 15 des ersten Lichtmodulators 12. Ebenso entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Substraten 15 des zweiten Lichtmo- dulators 13. Bei einer hohen Steuerspannung 16 drehen sich die Molekülachsen 22 in Feld- richtung, wie dies in Figur 3b dargestellt ist. Die Phasenverschiebung des Lichts 10 ist bei angelegter hoher Steuerspannung 16 somit nicht mehr von dessen Polarisationsrichtung abhängig. Für kleinere Steuerspannungen 16 liegen Zwischenzustände vor, bei denen die Molekülachsen 22 teilweise gedreht sind.
Figur 4a zeigt eine räumliche Darstellung der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der Licht- modulationsvorrichtung mit einem ohne elektrisches Feld senkrecht zur Oberfläche der Sub- strate 15 ausgerichteten Flüssigkristall (Vertically Aligned Liquid Crystal; VA LC Mode). Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes 10 verläuft in dieser Figur wieder von links nach rechts. Dargestellt sind die beiden Polarisatoren 1 1 ,14. In diesem Beispiel sind die beiden Polarisa- toren 1 1 , 14 parallel angeordnet. Die parallele Anordnung der Polarisatoren 1 1 , 14 ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel mit VA LC Mode beschränkt. Parallele oder um 90 Grad zueinander gedrehte Polarisatoren 1 1 , 14 können jeweils wahlweise auch für die in den vorangegangenen und folgenden Figuren beschriebenen LC Moden verwendet werden.
Ohne Einwirkung eines elektrischen Felds sind aufgrund von Oberflächenwechselwirkung mit den Substraten 15 die Molekülachsen 22 in dem ersten und in dem zweiten Lichtmodula- tor 12, 13 jeweils um einen kleinen Winkel 23 von weniger als 5° zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes 10 gekippt. Diese Kippung ist in dem ersten und in dem zweiten Lichtmodulator 12, 13 in zwei zueinander senkrechten Ebenen eingestellt. In dem gezeigten Beispiel liegt der Winkel 23 in dem ersten Lichtmodulator 12 in einer horizontalen Ebene und in dem zwei- ten Lichtmodulator 13 in einer vertikalen Ebene. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wer- den Flüssigkristallmoleküle mit einer negativen dielektrischen Anisotropie verwendet, die sich in einem elektrischen Feld senkrecht zur Feldrichtung ausrichten.
In Figur 4b ist die Anordnung von Figur 4a dargestellt, wobei zusätzlich Anschlüsse für die Steuerspannung 16 vorgesehen sind. Es werden wieder flächige Elektroden auf den Subs- traten 15 verwendet, so dass ein Feld zwischen jeweils zwei Elektroden eines Lichtmodula- tors 12, 13 (out of plane Feld) anliegt. Die Molekülachsen 22 der Flüssigkristall-Moleküle drehen sich dann in beiden Lichtmodulatoren 12, 13 senkrecht zum Feld, aber in eine Rieh- tung, die durch den kleinen Winkel 23 der Oberflächenorientierung vorgegeben ist. Hierdurch ist dann bei eingeschalteter Steuerspannung 16 die Molekülachse 22, und damit auch die optische Achse, in den beiden Lichtmodulatoren 12, 13 unterschiedlich orientiert. Bei hoher angelegter Steuerspannung 16 stellt sich eine ähnliche Orientierung der Molekülachsen 22 der Flüssigkristalle ein wie beim ECB Mode aus Figur 3a für ausgeschaltete Steuerspannung 16. Bezüglich der Phasen- und Amplitudenmodulation wirkt der VA Mode in diesem Fall also umgekehrt wie der ECB Mode. Während beim ECB Mode die Phasenmodulation der Licht- modulatoren 12, 13 mit größerer angelegter Steuerspannung 16 abnimmt, nimmt sie beim VA Mode mit größerer angelegter Steuerspannung 16 zu.
Figur 5a zeigt eine räumliche Darstellung der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der Licht- modulationsvorrichtung mit einem Blue Phase Flüssigkristall (Blue Phase LC Mode). Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes 10 erfolgt in dieser Figur wieder von links nach rechts. Dargestellt sind die beiden Polarisatoren 1 1 , 14, in diesem Beispiel um 90 Grad zueinander verdreht. In diesem Ausführungsbeispiel werden für jeden Lichtmodulator 12, 13 jeweils auf einem der Substrate 15 Linienelektroden 17 zur Erzeugung eines in-plane Feldes (parallel zur Oberfläche des Substrats 15) verwendet, während das zweite Substrat 15 keine Elektro- de aufweist. Die Linienelektroden 17 können über Anschlüsse mit der Steuerspannung 16 beaufschlagt werden. Die Linienelektroden auf dem ersten Lichtmodulator 12 sind um 90 Grad gedreht relativ zu den Linienelektroden 17 auf dem zweiten Lichtmodulator 13 ange- ordnet. Ohne eine Steuerspannung 16 sind die Blue Phase Flüssigkristalle in den Lichtmodu- lator 12, 13 optisch isotrop. Dies ist durch ein kugelförmiges Brechungsindex-Ellipsoid 24 dargestellt.
Figur 5b zeigt die Anordnung aus Figur 5a bei einer anliegenden Steuerspannung 16. Es entsteht eine optische Achse in der durch die Linienelektroden 17 vorgegebene Feldrichtung. Dies ist durch die Brechungsindex-Ellipsoide 24 dargestellt. Die Doppelbrechung der Blue Phase Flüssigkristalle nimmt dabei mit steigendem Feld zu. Aufgrund der unterschiedlichen Orientierungen der Linienelektroden 17 unterscheiden sich die optischen Achsen des ersten und zweiten Lichtmodulators 12, 13 um 90 Grad. Die optischen Achsen werden in diesem Fall nicht durch die Ausrichtung eines einzelnen Flüssigkristallmoleküls, sondern durch die Anordnung vieler Moleküle bestimmt. Die in die Figuren 5a, 5b eingezeichnete Kugel bzw. Ellipse gibt also nur schematisch die Orientierung der optischen Achse an.
Figur 6 zeigt in einem ersten Amplitudendiagramm 30 zeitliche Amplitudenverläufe 32, 33 zweier Lichtanteile des Lichts 10 nach Durchtritt durch die zwei in den Figuren 1 bis 5b ge- zeigten Lichtmodulatoren 12, 13. Die Amplitudenverläufe 32, 33 sind gegenüber einer ge- meinsamen ersten Amplitudenachse 31 und einer ersten Zeitachse 35 aufgetragen. Der ers- te Amplitudenverlauf 32 ist einem Lichtanteil mit einer in Richtung der Modulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 ausgerichteten Polarisierung und der zweite Amplitudenver- lauf 33 einem Lichtanteil mit einer in Richtung der Modulationsachse 21 des zweiten Licht modulators 13 ausgerichteten Polarisierung zugeordnet. Der zweite Amplitudenverlauf 33 ist gegenüber dem ersten Amplitudenverlauf 32 phasenverzögert. Eine entsprechende Phasen- verschiebung 34 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Größe der Phasenverschiebung 34 richtet sich nach der jeweiligen Phasenverzögerung der Lichtanteile des Lichts 10 in den beiden Lichtmodulatoren 12, 13. Sie ist entsprechend einstellbar. Die mit einem Lichtmodula- tor 12, 13 erreichbare Phasenverzögerung als Winkelmaß richtet sich nach der Dicke der Flüssigkristallschicht, dem Unterschied der Brechungsindizes für entlang der Modulations- achse 21 und senkrecht dazu polarisierte Lichtanteile und der Wellenlänge des Lichts 10. Der Brechungsindex für entlang der Modulationsachse 21 polarisierte Lichtanteile kann in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der optischen Achsen der Moleküle 22 beziehungsweise der durch das Brechungsindex-Ellipsoid angedeuteten Brechungsindizes eingestellt werden.
Durch die eingeschriebenen Gangunterschiede zwischen den senkrecht zueinander ausge- richteten Lichtanteilen des Lichts 10 ist die aus dem zweiten Lichtmodulator 13 austretende Strahlung zirkular, elliptisch oder linear polarisiert.
Figur 7 zeigt in einem zweiten Amplitudendiagramm 40 in Blickrichtung entlang der Ausbrei- tungsrichtung des Lichts 10 mögliche Amplitudenverläufe 41 , 43, 44 des Lichts 10 nach Durchtritt durch die in den Figuren 1 bis 5b gezeigten Lichtmodulatoren 12, 13. Die Amplitu- denverläufe 41 , 43, 44 sind gegenüber einer zweiten Amplitudenachse 42 und einer dritten Amplitudenachse 45 aufgetragen. Die zweite Amplitudenachse 42 weist in Richtung der Mo- dulationsachse 21 des ersten Lichtmodulators 12 und die zweite Amplitudenachse 45 in Richtung der Modulationsachse 21 des zweiten Lichtmodulators 13, wie diese in den Figuren 1 bis 5b gezeigt sind. In dem zweiten Amplitudendiagramm 40 ist die Polarisationsrichtung 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 als ein nach links oben zei- gender Pfeil dargestellt. Die Polarisationsrichtung 20 des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 ist als nach rechts oben zeigender Pfeil dargestellt. Dabei stehen die Polarisationsrichtungen
20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 und die des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 senkrecht zueinander und im Winkel von 45° zu den Modulationsachsen
21 der beiden Lichtmodulatoren 12, 13, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Wie bereits erwähnt, ist es denkbar, die beiden Polarisationsrichtungen 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 und die des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 gleich auszurichten. Der linear polarisierte dritte Amplitudenverlauf 41 wird erhalten, wenn zwischen den von den aufeinanderfolgenden Lichtmodulatoren 12, 13 phasenmodulierten Lichtanteilen keine Pha- sendifferenz oder eine Phasendifferenz entsprechend einem geradzahligen Vielfachen von p vorliegt. Der ebenfalls linear polarisierte fünfte Amplitudenverlauf 44 wird bei einer Pha- sendifferenz von p oder einem ungeraden Vielfachen von p zwischen den Lichtanteilen er- reicht. Ein elliptisch polarisierter vierter Amplitudenverlauf 43 stellt sich bei einer Phasendiffe- renz ein, welche keinem ganzzahligen Vielfachen von p entspricht und nicht null ist. Die Form und die Ausrichtung der Ellipse richten sich nach der Größe der Phasendifferenz. Zir- kular polarisiertes Licht wird bei einer Phasendifferenz von 0,5p erhalten. Die Drehrichtung der elliptisch oder zirkular polarisierten Strahlung wird dadurch festgelegt, welcher Lichtanteil dem anderen vorauseilt.
Das aus dem zweiten Lichtmodulator 13 austretende Licht 10 wird dem Polarisator 14 zuge- führt. Dieser ist nur für entlang seiner Polarisationsrichtung 20 polarisierte Lichtanteile durch- lässig. Entsprechend dem dritten Amplitudenverlauf 41 und damit quer zur Polarisationsrich- tung 20 des Polarisators 14 polarisierte Strahlung wird daher vollständig von dem Polarisator 14 unterdrückt. Die in Polarisationsrichtung 20 des Polarisators 14 polarisierte Strahlung entsprechend dem fünften Amplitudenverlauf 44 kann den Polarisator 14 hingegen vollstän- dig oder unter Berücksichtigung von Strahlungsverlusten zumindest nahezu vollständig pas- sieren. Sind entsprechend einer möglichen Ausgestaltungsvariante der Erfindung die Polari- sationsrichtungen 20 des auf den ersten Lichtmodulator 12 auftreffenden Lichts 10 und des Polarisators 14 gleich ausgerichtet, so kann Licht 10 entsprechend dem dritten Amplituden- verlauf 41 den Polarisator 14 passieren, während Licht 10 entsprechend dem fünften Amplitudenverlauf 44 von dem Polarisator 14 blockiert wird.
Bei nach dem zweiten Lichtmodulator 13 elliptisch oder zirkular polarisiertem Licht 10 ge- langt der parallel zur Polarisationsrichtung 20 des Polarisators 14 polarisierte Lichtanteil durch den Polarisator 14.
Figur 8 zeigt in einem dritten Amplitudendiagramm 50 zeitliche Amplitudenverläufe 52, 53, 54 des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 der Lichtmodulationsvorrichtung bei verschiedenen Einstellungen der in den Figuren 1 bis 5b gezeigten Lichtmodulatoren 12, 13. Dazu sind ein sechster, ein siebter und ein achter Amplitudenverlauf 52, 53, 54 gegenüber einer vierten Amplitudenachse 51 und eine zweite Zeitachse 55 aufgetragen. Die vierte Amplitudenachse 51 ist entlang der Polarisationsrichtung 20 des Polarisators 14 ausgerichtet. Das Licht 10 nach dem Polarisator 14 gemäß dem sechsten Amplitudenverlauf 52 weist eine maximale Amplitude von normiert 1 auf. Diese wird, wie zu Figur 7 beschrieben, bei senk- recht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen 20 des Lichts vor dem ersten Lichtmo- dulator 12 und des Polarisators 14 bei einer Phasendifferenz zwischen den in den Lichtmo- dulatoren 12, 13 modulierten Lichtanteilen von p oder einem ungeraden Vielfachen von p erreicht. Bei parallel zueinander angeordneten Polarisationsrichtungen 20 des Polarisators 14 und des weiteren Polarisators 1 1 wird die maximale Amplitude bei einer Phasendifferenz von 0 beziehungsweise einem geradzahligen Vielfachen von p zwischen den Lichtanteilen des Lichts 10 erhalten.
Durch eine Veränderung der Phasendifferenz zwischen den Lichtanteilen wird die Amplitude des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 verändert, wie dies gegenüber dem sechsten Amplitudenverlauf 52 durch den siebten und den achten Amplitudenverlauf 53, 54 gezeigt ist. Dabei bleibt die Phasenlage des Lichts 10 nach dem Polarisator 14, wie mit dem siebten Amplitudenverlauf 53 gezeigt, erhalten, wenn die Lichtmodulatoren 12, 13 um den gleichen Betrag gegenläufig verstellt werden. So kann beispielsweise die durch den ersten Lichtmo- dulator 12 bewirkte Phasenverzögerung um einen Betrag verringert und die durch den zwei- ten Lichtmodulator 13 bewirkte Phasenverzögerung um den gleichen Betrag vergrößert wer- den. Die Amplitude des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 selbst wird durch die Phasendiffe- renz zwischen den beiden Lichtanteilen festgelegt. Werden die durch die beiden Lichtmodu- latoren 12, 13 bewirkten Phasenverzögerungen um den gleichen Betrag gleichsinnig verän- dert, so ändert sich die Phasenlage des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 bei gleicher Amplitude. Dies ist im Vergleich zwischen dem siebten und achten Amplitudenverlauf 53, 54 dargestellt. Durch eine Veränderung der Phasenverzögerungen der beiden Lichtanteile des Lichts 10 um unterschiedliche Beträge können sowohl die Amplitude als auch die Phasenla- ge des Lichts 10 nach dem Polarisator 14 verändert werden.
Um für alle Amplituden von zumindest annähernd null bis 1 alle Phasenlagen von 0 bis 2p einstellen zu können, ist es erforderlich, dass die Lichtmodulatoren 12, 13 jeweils zumindest eine Phasenverzögerung von bis zu 2p erreichen.
Die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung ermöglicht mit zwei gleichartigen, pha- senmodulierenden Lichtmodulatoren eine komplexwertige Modulation von ausreichend kohä- rentem Licht, wie sie beispielsweise für eine Hologrammrekonstruktion geeignet ist. Bei einer solchen komplexwertigen Modulation können sowohl die Phase wie auch die Amplitude des Lichtes unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Komponenten der Lichtmodulati- onsvorrichtung sind in einer Sandwichanordnung angeordnet. Die exakte Ausrichtung insbe- sondere der Lichtmodulatoren 12, 13 zueinander erfolgt während der Montage der Lichtmo- dulationsvorrichtung und bleibt über deren Nutzungsdauer erhalten. Es ist denkbar, für beide Lichtmodulatoren ein gemeinsames Substrat 15 an deren zueinander gewandten Flächen zu verwenden. Dadurch wird die genaue gegenseitige Ausrichtung der Lichtmodulatoren 12, 13 gewährleistet und gleichzeitig ein geringer Abstand und damit eine geringe Parallaxe zwi- schen den eine Hologrammzelle bildenden Pixeln der hintereinander angeordneten Lichtmo- dulatoren 12, 13 erreicht. Auch Strahlungsverluste beim Übergang der Strahlung zu dem zweiten Lichtmodulator 13 auf Grund von Beugungseffekten an den Pixeln des ersten Licht modulators 12 können durch den geringen Abstand der Lichtmodulatoren 12 ,13 gering ge- halten werden.
Vorteilhaft werden gleichartige Lichtmodulatoren 12, 13 verwendet. Damit können die Licht- modulatoren 12, 13 mit den gleichen Fertigungsprozessen und -anlagen hergestellt werden, wodurch die Herstellkosten gering gehalten werden können. Die Ansteuercharakteristik, wel- che beispielsweise das Verhältnis einer Ansteuerspannung zu einem zugeordneten Pha- senwert darstellt, ist für beide Lichtmodulatoren 12, 13 gleich. Der Gesamtaufwand bei der Herstellung und der Ansteuerung der Lichtmodulationsvorrichtung kann daher gegenüber einem Aufbau mit einem Amplituden- und einen Phasenmodulator deutlich reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen gegenüber bekannten Lichtmodulationsvorrich- tungen besteht darin, dass zwischen den Lichtmodulatoren 12, 13 keine zusätzlichen Kom- ponenten, insbesondere keine zusätzlichen Polarisatoren, erforderlich sind. Auch dies er- möglicht eine geringe Beabstandung der phasenmodulierenden Schichten und/oder die Ver- wendung eines gemeinsamen Substrates mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Lichtver- luste an den zusätzlichen Komponenten werden vermieden. Ein weiterer Vorteil der erfin- dungsgemäßen Lichtmoderationseinrichtung ergibt sich daraus, dass für verschiedene Wel- lenlängen der verwendeten Strahlung eine gleiche Konfiguration der Polarisatoren geeignet ist. So kann beispielsweise für farbige holographische Darstellungen ein einzelner Polarisa- tor 14 und bei Bedarf ein einzelner weiterer Polarisator 1 1 für die benachbarten, Licht unter- schiedlicher Grundfarben modulierenden Hologrammzellen, verwendet werden.
Ein zusätzlicher Vorteil gegenüber bekannten Lichtmodulationsvorrichtungen ist darauf be- gründet, dass sich die Gesamtmodulation der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrich- tung als Summe zweier Einzelmodulationen der aufeinanderfolgenden Lichtmodulatoren 12, 13 ergibt. Bei bekannten Lichtmodulationsvorrichtungen, wie sie beispielsweise in der Schrift „Full-range, continuous, complex modulation by the use of two coupled-mode liquid-crystal televisions“, Neto et al, Applied Optics Vol. 35, No 23, pp 4567, beschrieben sind, ist die Ge- samtmodulation als Produkt zweier Einzelmodulationen gebildet. Bei einem fehlerhaften Wert, beispielsweise bei einem Rauschen von Pixeln eines der Lichtmodulatoren 12, 13, ergibt sich folglich der Gesamtfehler bei der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung lediglich als die Summe der Einzelfehler, während sich der Gesamtfehler bei bekannten Lichtmodulationsvorrichtungen als Produkt der Einzelfehler ausbildet.
Zum Aufbau der Lichtmodulationsvorrichtung können Lichtmodulatoren 12, 13 mit schaltba- ren, doppelbrechenden Eigenschaften verwendet werden. Einfach und kostengünstig ist da- bei die Verwendung von Flüssigkristallen. Diese sind vorzugsweise als nematische Flüssig- kristalle ohne Twist (zero-twisted nematic LC), als Electrically Controlled Liquid Crystal, als Vertically Aligned Liquid Crystal oder als Blue Phase Flüssigkristall ausgebildet. Eine einfa- che und reproduzierbare Einstellung der Phasenverzögerungen wird mit elektrisch ansteuer- baren Lichtmodulatoren 12, 13 erreicht. Solche elektrisch ansteuerbaren Lichtmodulatoren 12, 13 sind als ECB-Flüssigkristallpixel (elecrically controlled birefringence) sowie unter den Synonymen„Freedericksz-Zelle“ oder„zero-twisted nematic“ bekannt. Es ist jedoch auch denkbar, anders als elektrisch ansteuerbare Lichtmodulatoren 12, 13, beispielsweise optisch ansteuerbare Lichtmodulatoren 12, 13, zu verwenden.
Figur 9 zeigt eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem reflektierendem Element 18. Das in die Vorrichtung eintretende Licht 10 wird von dem weiteren Polarisator 1 1 gemäß seiner Po- larisationsrichtung 20 polarisiert und dem ersten Lichtmodulator 12 zugeführt. Anschließend tritt das Licht 10 durch den zweiten Lichtmodulator 13 und trifft auf das reflektierende Ele- ment 18. Von dort wird es zurück zum zweiten Lichtmodulator 13 und zum ersten Lichtmodu- lator 12 geführt und verlässt über den Polarisator 11 die Anordnung. Hier handelt es sich somit um eine Auflicht-Anzeigevorrichtung, während die Anordnungen aus den Figuren 1 bis 5b Durchsicht- Anzeigevorrichtungen beschreiben.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtmodulationsvorrichtung zur komplexwertigen Modulation von auftreffendem, linear polarisiertem Licht (10), mit einem ersten Lichtmodulator (12), einem nachfolgend angeordneten zweiten Lichtmodulator (13) und wenigstens einem Polarisator (14), wobei der erste Lichtmodulator (12) und der zweite Lichtmodulator (13) als Phasenmodulatoren ausgebildet sind, wobei eine Modulationsachse (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) unter einem Winkel zur Modulationsachse (21 ) des zweiten Lichtmodulators (13) ausgerichtet ist, und wobei die Polarisationsrichtung (20) des auf den ersten Lichtmodulator (12) auftreffenden Lichts (10) und die Polarisationsrichtung (20) des Polarisators (14) jeweils in vorbestimmten Winkeln ungleich 90° zu der Modulationsachse (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) und der Modulationsachse (21 ) des zweiten Lichtmodulators (13) ausgerichtet sind.
2. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Modulationsachsen (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) und des zweiten Lichtmodulators (13) zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, besonders bevorzugt 90°, beträgt.
3. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung (20) des Polarisators (14) in einem Winkel zwischen 80° und 100°, vorzugsweise in einem Winkel zwischen 85° und 95°, besonders bevorzugt senkrecht zu der Polarisationsrichtung (20) des auf den ersten Lichtmodulator (12) auftreffenden Lichts (10) ausgerichtet ist oder dass die Polarisationsrichtung (20) des Polarisators (14) in einem Winkel zwischen -10° und +10°, vorzugsweise in einem Winkel zwischen -5° und +5°, besonders bevorzugt parallel zu der Polarisationsrichtung (20) des auf den ersten Lichtmodulator (12) auftreffenden Lichts (10) ausgerichtet ist.
4. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Winkel zwischen der Polarisationsrichtung (20) des auf den ersten Lichtmodulator (12) auftreffenden Lichts (10) und der
Modulationsachse (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, besonders bevorzugt 45°, beträgt.
5. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Lichtausbreitungsrichtung vor dem ersten Lichtmodulator (12) ein weiterer Polarisator (1 1 ) angeordnet ist.
6. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtmodulator (12) und der zweite Lichtmodulator (13) jeweils als eine steuerbare doppelbrechende Flüssigkristallschicht ausgebildet sind.
7. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Lichtmodulator (12) und den zweiten Lichtmodulator (13) die Phasenverschiebung jeweils über einen Bereich von mindestens 2p einstellbar ist.
8. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtmodulator (12) und der zweite Lichtmodulator (13) direkt miteinander verbunden sind.
9. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtmodulator (12) und der zweite Lichtmodulator (13) zumindest ein gemeinsames Substrat (15) aufweisen.
10. Verfahren zur komplexwertigen Modulation von linear polarisiertem Licht (10), mit einem ersten Lichtmodulator (12), einem nachfolgend angeordneten zweiten Lichtmodulator (13) und wenigstens einem Polarisator (14), wobei ein in Richtung einer Modulationsachse (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) schwingender Lichtanteil des Lichtes (10) durch den ersten Lichtmodulator (12) in seiner Phase einstellbar verzögert wird, wobei ein in Richtung der Modulationsachse (21 ) des zweiten Lichtmodulators (13) schwingender Lichtanteil des Lichts (10) durch den zweiten Lichtmodulator (13) in seiner Phase einstellbar verzögert wird, wobei die Modulationsachse (21 ) des ersten Lichtmodulators (12) quer, vorzugsweise senkrecht, zur Modulationsachse (21 ) des zweiten Lichtmodulators (13) ausgerichtet ist und wobei das aus dem zweiten Lichtmodulator (13) austretende Licht (10) durch den in einem Winkel ungleich 90° zu den Modulationsachsen (21 ) ausgerichteten Polarisator (14) linear polarisiert wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des aus dem Polarisator (14) austretenden Lichts (10) bei gleicher Amplitude dadurch verändert wird, dass die Phasenverzögerungen eines von dem ersten Lichtmodulator (12) modulierten Lichtanteils und eines von dem zweiten Lichtmodulator (13) modulierten Lichtanteils um einen gleichen Wert verändert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des aus dem Polarisator (14) austretenden Lichts (10) bei gleichbleibender Phase dadurch verändert wird, dass die Phasenverzögerungen des von dem ersten Lichtmodulator (12) modulierten Lichtanteils und des von dem zweiten Lichtmodulator (13) modulierten Lichtanteils gegenläufig um den gleichen Betrag verändert werden.
13. Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holografische Anzeigevorrichtung, zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, wobei die Anzeigevorrichtung eine Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Anzeigevorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung zugeordnet ist und dass die Beleuchtungsvorrichtung kohärentes oder kohärentes, linear polarisiertes Licht (10) aussendet.
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