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WO2011067265A1 - Phasenmodulator zum modulieren von mit dem phasenmodulator wechselwirkenden licht - Google Patents

Phasenmodulator zum modulieren von mit dem phasenmodulator wechselwirkenden licht Download PDF

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WO2011067265A1
WO2011067265A1 PCT/EP2010/068582 EP2010068582W WO2011067265A1 WO 2011067265 A1 WO2011067265 A1 WO 2011067265A1 EP 2010068582 W EP2010068582 W EP 2010068582W WO 2011067265 A1 WO2011067265 A1 WO 2011067265A1
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WO
WIPO (PCT)
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phase modulator
phase
liquid crystal
substrate
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/068582
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bo Kroll
Norbert Leister
Original Assignee
Seereal Technologies S.A.
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Publication date
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Priority to CN201080062645.8A priority patent/CN102725683B/zh
Priority to KR1020187019306A priority patent/KR101993566B1/ko
Priority to US13/513,235 priority patent/US8860896B2/en
Publication of WO2011067265A1 publication Critical patent/WO2011067265A1/de
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Definitions

  • Phase modulator for modulating light interacting with the phase modulator
  • the present invention relates to a phase modulator for modulating the phase of circularly polarized light interacting with the phase modulator. Furthermore, the present invention relates to a display for displaying two-dimensional and / or three-dimensional image contents.
  • the phase of light can be modulated by using circularly polarized light, and by providing an in-plane rotation of a ⁇ / 2 plate, i. a rotation of the ⁇ / 2 plate in its plane, is performed. This is shown schematically in FIG. Circularly polarized light falls on a ⁇ / 2 plate. The sense of rotation of the circularly polarized
  • a rotation of the long axis of the LC (liquid crystal) molecules can occur, for example caused by an electric field.
  • nematic LCs usually react only to the amount and not to the sign of an applied voltage. Due to a given surface orientation of the LC molecules and an electric field in the pixel plane - as in an IPS LC mode (In Plane Switching Liquid Crystal Mode) - whereby the electric field at an angle relative to
  • Smectic LCs such as in a PSS LC (Polarization-Shielded Smectic Liquid Crystal Mode) mode, change their sense of rotation with the sign of the field. By itself, however, no +90 degrees or -90 degrees rotation of the LC is possible.
  • PSS LC Polyization-Shielded Smectic Liquid Crystal Mode
  • smectic LC molecules are arranged in layers and a 90 degree rotation of the molecules would not be compatible with the preservation of the layer structure. With a conventional LC mode, therefore, the desired angular range of 180 degrees can not be achieved for the rotation of the LC molecules.
  • HAN Aligned Nematic
  • LC molecules are often described as "rigid rods", ie as solid rods, but unlike this simple assumption, LC molecules can also have, for example, a curved banana-like shape ("banana shape”) or be thicker at one end While for two ideal rods a parallel and an antiparallel alignment would be energetically equivalent, in the case of the deviating geometries, in particular in the case of an induced deformation such as spread, the pear shape is pear-shaped
  • splay or “bend” are preferred for parallel orientations of the pear-shaped or banana-shaped molecules relative to antiparallel orientations.
  • a deformation of the LC also induces a polarization in an LC material with a corresponding molecular shape. This is known as the flexo-electric effect. If there is a flexo-electric polarization, the LC molecules react differently to the respective sign of an applied electric field.
  • WO 2008/104533 A1 describes configurations in which the electrodes are arranged, as in an IPS display, and those in which an additional Basic electrode on the same substrate, as in a FFS (fringe field switching) display. Furthermore, WO 2008/104533 A1 also describes configurations in which in-plane electrodes or FFS electrodes are optionally arranged on the substrate with parallel orientation of the LC molecules or alternatively also on the substrate with vertical orientation of the LC molecules. The former is described there as a design for LC materials with positive ⁇ , the latter as an embodiment for LC materials with negative ⁇ .
  • Electrode arrangement similar to FFS There, a rotation would be generated between two electrodes of the grid on one half each and a different direction of rotation of the molecules in the other half, see e.g. Figure 3 in [2].
  • This arrangement is also suitable for amplitude modulation, but not for phase modulation.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an LC-based light modulator or phase modulator, with which the phase of the light over a
  • Phase value range of about 2 ⁇ can be modulated and which works based on rotation of the in-plane component of the LC molecules. It would be desirable to find a less complex arrangement with regard to production and control than the combination of LC modes such as IPS or PSS with a switchable one described in DE 10 2009 045 125.0
  • the above object is achieved by a phase modulator for modulating with the phase modulator interacting circularly polarized light according to claim 1.
  • the phase modulator comprises a first and a second substrate, an electrode arrangement and a liquid crystal layer with liquid crystal molecules.
  • the first substrate is disposed opposite to the second substrate.
  • the first substrate is arranged substantially parallel to the second substrate.
  • the liquid crystal layer is between the two substrates arranged.
  • the first substrate has a first surface or surface layer and the second substrate has a second surface or surface layer.
  • the first surface is configured to orient the liquid crystal molecules adjacent to the first surface in a direction substantially parallel to the first surface.
  • the second surface is configured to orient the liquid crystal molecules adjacent to the second surface in a direction substantially perpendicular to the second surface.
  • a phase modulator or light modulator according to the invention has the mode of action of an SLM (Spatial Light Modulator), in which the phase of the light interacting with the phase modulator depends on the respective spatial position of the light source
  • Phase modulator can be modulated or influenced, in particular depending on the control of the phase modulator.
  • the phase modulator according to the invention is intended for interaction with circularly polarized light. If the light of a light source has no circular polarization, a corresponding polarizer on the input side of the
  • phase modulator may be provided according to the invention phase modulator.
  • a HAN configuration is used to selectively rotate, as a function of the sign of the electric field, the in-plane component of the LC molecular orientation of e.g. 0 to +90 degrees or 0 up to -90 degrees, and thus achieve overall phase modulation in the range of 0 to 2 ⁇ by controlling the applied field.
  • An inplane component of the LC molecular orientation of -90 degrees corresponds to a phase modulation of 0
  • an in-plane component of the LC molecule orientation of 0 degrees corresponds to one
  • Phase modulation of ⁇ and an in-plane component of the LC molecular orientation of +90 degrees corresponds to a phase modulation of 2 ⁇ .
  • the thickness of the LC layer is preferably chosen so that its optical function corresponds to a ⁇ / 2 plate.
  • a different thickness of the LC layer is also permissible and can be used for phase modulation if a circular polarizer is provided on the output side of the phase modulator.
  • the transmission of the phase modulator disadvantageously then decreases due to the differing thickness.
  • a phase modulator according to the invention can advantageously be designed for more than one wavelength (eg for red, green and blue) by selecting the thickness of the liquid crystal layer such that its optical function for a mean wavelength (eg green) of a ⁇ / 2 Plate corresponds.
  • the thickness of the LC layer can be selected such that its optical function is that of a
  • Delay plate corresponds.
  • a phase SLM within a pixel having a comb-shaped arrangement in the
  • multiple electrodes create a uniform in-plane voltage gradient across the pixel.
  • the sign of the voltage gradient determines the sense of rotation of the LC molecules and the strength of the Gradients the angle of rotation of liquid crystal molecules.
  • phase modulator can also be used for a reflective display, to which optionally a smaller angle range between +45 degrees and -45 degrees is sufficient to obtain a phase modulation of 2 ⁇ or a thinner liquid crystal layer whose optical function preferably a K / 4 plate matches, and the full one
  • phase modulator according to the invention can be designed such that it is transmissive or reflective operable.
  • phase deflector according to the invention can be used in particular in a comparable manner to the phase defector described in DE 10 2009 045 125.0 or the international patent application PCT / EP2010 / 064504. Therefore, the disclosure of DE 10 2009 045 125.0 and of the international patent application PCT / EP2010 / 064504 is fully incorporated herein.
  • Diffractive elements such as, for example, phase deflectors, which can be used in holographic displays for tracking purposes, are described, for example, in DE 10 2009 028 626.8 or in international patent application PCT / EP2010 / 058625, where they are referred to as diffraction devices.
  • phase deflector according to the invention inter alia, in a comparable manner as in DE 10 2009 028 626.8 or in the
  • a phase-modulation-based variable deflection grating used in a similar manner as described in DE 10 2009 028 626.8 or in PCT / EP2010 / 058625, whose electrode pitch or electrode spacing lies approximately in the same order of magnitude as the LC layer thickness, can be individually controlled by individual control In-plane electrodes can be realized. Preference is given here a periodically rotating in-plane component of the LC orientation as in a
  • Adjusted polarization grating so that within a grating period, a continuous rotation of the in-plane projection of the LC molecules between 0 and 180 degrees is achieved. This is achieved both by corresponding voltage gradients between the electrodes and by elastic forces between the LC molecules.
  • variably adjustable orientations of the liquid crystal molecules and associated refractive index distributions can be set so that variable grating periods can be set as a result of optical use.
  • a variable polarization grating is realized. This realization takes place in a simpler manner than known from the prior art. For example, the implementation is simpler than in the case of the V-COPA variable polarization grating from the US
  • a conventional solid surface orientation of the LC molecules can be used in accordance with the present invention by industrially customary methods, for example by brushing the surface coating of the substrate. Therefore, the production and control effort of the phase modulator according to the invention is lower.
  • PSS-LC nematic LC can be used. Their processing (filling, alignment) is basically simpler. It is also possible to make use of the phase modulation of the rapid switching on and off given in WO 2008/104533 A1. For baffles, high diffraction efficiency can be used for polarizing gratings.
  • phase modulator could now be designed such that the light interacting with the phase modulator can be variably deflected due to diffraction in a predeterminable direction and that the function of a deflection grating can be achieved hereby. Then you would be with the
  • phase modulator comparable applications possible, as described for example in DE 10 2009 028 626.8.
  • a predeterminable orientation of the liquid crystal molecules would be adjustable by a suitable control of the electrodes of the electrode arrangement of the phase modulator, resulting in a corresponding refractive index distribution in the layer of liquid crystal molecules, which causes the function of a Ablenkgitters.
  • the electrodes of the electrode arrangement of the phase modulator could be controllable in such a way that, depending on the position of the phase modulator on which a respective light beam impinges on the phase modulator, the light or this light beam can be deflected in a changeable predeterminable direction.
  • the phase modulator could have individual pixels. As such, it could serve, for example, as the optical component of a holographic display according to WO 2006/066919 A1, in which hologram data are encoded in order to reconstruct or display three-dimensional scenes with the holographic display.
  • Each pixel of the phase modulator has at least two electrodes of the electrode arrangement.
  • the electrode arrangement could be controllable in such a way that an essentially constant voltage gradient is present in the region of a pixel, in particular in the case of a phase modulator.
  • the electrode arrangement could be controllable such that in each case a substantially constant voltage difference is present between two adjacent electrodes, in particular in the case of one
  • electrodes will generally be used whose structure corresponds to two interleaved combs, see, for example, FIG Only two voltage values are needed, namely a voltage value for the electrode corresponding to the one comb (common electrode) and a voltage value for the electrode according to the second comb. Between two in-plane electrodes is then alternately voltages with different signs (+ V and -V). For a pixel of a light modulator according to the present invention, however, a voltage of the same sign is required between adjacent electrodes.
  • the surface of a substrate has a structured surface coating or an alignment layer with first and second structural regions.
  • the first and second structural regions are each adjacent and disposed between two adjacent electrodes and formed such that the liquid crystals in contact with the first structural region are aligned substantially anti-parallel to the liquid crystals in contact with the second structural region.
  • a hybrid alignment of liquid crystals with a structuring of the alignment layer could be provided on a surface of at least one substrate.
  • this is the surface of the substrate to which the liquid crystals are oriented substantially parallel to the surface.
  • the structuring corresponds - for example in the case of an alignment layer of polyimide and in the case of a mechanical friction - antiparallel Reibraumen in different areas of this polyimide alignment layer.
  • the alignment can generally also with other materials and by others
  • Manufacturing methods are carried out, e.g. using photoalignment.
  • photoalignment for example, masks can be used for the spatial structuring so that areas covered or not covered by the mask receive a different orientation.
  • Structuring is dimensioned such that on the substrate with in-plane electrodes between a pair of adjacent electrodes, one orientation and between the following pair of adjacent electrodes is substantially the opposite orientation.
  • the structuring could also take place on the substrate, which itself has no electrodes, in which case, however, the structured regions of the alignment layer lead to the electrodes on the substrate
  • the hybrid alignment of the Liqiud Crystals forms such that for the one pair of electrodes when applying a positive voltage, a rotation of the liquid crystals in the clockwise direction causes.
  • Pair of electrodes results in the application of a negative voltage rotation of the liquid crystals in a clockwise direction.
  • a pixel can then be provided with nested comb-shaped in-plane electrodes and as such driven in the same way as in a conventional IPS display.
  • DE 10 2009 002 987 A1 describes a controllable phase modulation device which is based on the PSS-LC mode and in which each LC modulator cell can be driven locally with positive or negative voltage values depending on the phase values to be written.
  • negative voltages are used to set phase values between 0 and ⁇ .
  • positive voltages to set phase values between ⁇ and 2 ⁇ .
  • alternating voltages are usually used in displays, such that a positive voltage is applied in one frame or frame and a negative voltage is applied to one pixel in the next frame. This serves to chemical decomposition of the LC materials and
  • phase offset changes the sign of the voltage between two frames for most pixels of the phase modulator. Therefore DC effects are avoided.
  • HAN differs from PSS in that in-plane voltage differences between two adjacent in-plane electrodes on the same substrate are used to drive HAN light modulators or HAN phase reflectors, while PSS has out-of-plane voltages between electrodes opposite substrates are used.
  • PSS and HAN have the common feature that for an amplitude display when the sign of the applied in-plane voltage changes, a different LC orientation but equal transmission results, whereas for a phase display a change in the sign of the inplane voltage results in different phase values.
  • phase deflector for tracking in a holographic display as a multiple user system by switching between different eye positions in the statistical time average anyway balancing between positive and negative voltages between two electrodes of the phase deflector would be given.
  • a phase offset of inscribed phase values between successive frames to avoid disturbing DC effects.
  • the absolute value of the voltage at the in-plane electrodes does not necessarily change its sign, but that the voltage difference between adjacent in-plane electrodes is changed. This is in Fig. 9 and in the
  • a display for displaying two-dimensional and / or three-dimensional image contents can be made available, which has at least one
  • phase modulator is the
  • the display according to the invention is designed such that it can be used to display holographic three-dimensional image contents, which operates according to the principles described in WO 2006/0669191 A1.
  • the display could also be designed such that stereoscopic image contents and / or
  • phase modulator for the
  • Fig. 2 shows the principle of a HAN cell according to the prior art, which on the
  • FIG. 3 shows a HAN cell with IPS-like arrangement of electrodes according to the prior art
  • phase modulator 4 shows a first embodiment of a phase modulator according to the invention
  • Fig. 5 is a prior art LC-based polarizing grating; 6 A to C in a sectional view in each case a further embodiment of a portion of a phase modulator according to the invention;
  • FIGS. 7 and 8 in a schematic representation at the top in a view from the front and below in a lateral sectional view of a further embodiment of a portion of a phase modulator according to the invention;
  • FIGS. 7 'and 8' each show in a schematic three-dimensional representation a part of a pixel of the exemplary embodiments according to FIGS. 7 and 8;
  • Fig. 2 illustrates the principle of a prior art HAN cell based on the flexoelectric effect.
  • the LC molecules 6 are oriented on a surface 7 parallel to the surface 7, on the other surface 8 perpendicular to the surface 8. With a suitable molecular shape of the liquid crystal molecules 6, this orientation results in a flexoelectric polarization. Then, a direction of rotation of the optical axis of a liquid crystal molecule 6 sets in, which depends on the sign of the applied voltage V.
  • FIG. 2 a shows a section of a HAN cell at the top in a sectional view and at the bottom in a perspective side view, in which the electrode arrangement 4 is not activated.
  • FIG. 2b shows the HAN cell shown in FIG. 2a in a first active operating state on the left side, in which ⁇ ⁇ and the optical axis of the liquid crystal layer 5 are rotated to the right. On the right side of FIG. 2b, the HAN cell shown in FIG. 2a is in a second active one
  • FIG. 2c shows a HAN cell known from the prior art on the left in a first and on the right in a second operating state. In this HAN cell is the
  • Electrode assembly 4 disposed on the first substrate 2 and the first surface 7 is such designed such that the liquid crystal molecules 6 adjacent to the first surface 7 are formed with their longitudinal axis substantially parallel to the surface 7. Accordingly, the electrical in-plane field generated by the electrode arrangement 4 for aligning the liquid crystal molecules 6 acts directly on the part of the HAN cell on which the liquid crystal molecules 6 to be aligned are arranged, namely adjacent to the first surface 7 of the first substrate 2 and the liquid crystal molecules 6, which are aligned substantially parallel to the first surface 7.
  • Fig. 3 shows a HAN cell with IPS-like arrangement of electrodes according to the prior art.
  • positive and negative voltages alternate.
  • the direction of rotation of the optical axis therefore alternates. Since only the amount of the rotation angle is decisive for an amplitude modulation, an amplitude-modulating pixel can be operated with such an arrangement.
  • the phase modulation depends on the sign of the voltage.
  • the electrode arrangement according to FIG. 3 is not suitable.
  • FIG. 4 is a perspective view of a section of a
  • phase modulator 1 according to the invention shown.
  • the phase modulator 1 comprises a first
  • Substrate 2 a second substrate 3 and an electrode assembly 4. Between the first substrate 2 and the second substrate 30, a layer of liquid crystal molecules not shown in Fig. 4 is arranged. In the lower area of FIG. 4, a sectional view of the second substrate 3 with the electrode arrangement 4 is shown schematically. The first substrate is not shown here. Furthermore, the electric field lines are shown in an activated electrode assembly 4.
  • the first substrate is not shown here. Furthermore, the electric field lines are shown in an activated electrode assembly 4.
  • Electrode assembly 4 is strip-shaped.
  • the electrode arrangement 4 is preferably controlled such that the voltages applied to the individual electrodes of the electrode arrangement 4 are different. In Fig. 4, these are the voltages V1 to V6.
  • the strip-shaped electrodes are individually controlled.
  • Fig. 5 shows a prior art LC based polarization grating.
  • the LC molecules 6 are oriented in-plane and rotate in the plane over a grating period by 180 degrees.
  • Fig. 5 (a) shows a section of the polarization grating in a front view, that is to say in the view in which a viewer looks at a display with such a polarization grating arranged parallel to the display surface.
  • Fig. 5 (b) is a sectional view showing a portion of the polarization grating shown in Fig. 5 (a).
  • ⁇ corresponds to the grating period of the polarization grating.
  • Fig. 6A shows in a schematic perspective three-dimensional view of another embodiment of the present invention, namely a part of an inventive
  • Phase modulator 1 which provides a polarization grating based on the HAN mode.
  • first substrate 2 the second substrate 3 with the respective surfaces 7, 8 as well as the liquid crystal layer 5 with the liquid crystal molecules 6 are shown.
  • the liquid crystal molecules 6 in FIG. 6A are shown in the form of symmetrical ellipsoids, the liquid crystal molecules 6 have a banana shape, which is not shown in FIG. 6, or alternatively a pear shape, which causes the flexo-electric effect.
  • the adjacent to the surface 7 of the first substrate liquid crystal molecules 6 are oriented substantially parallel to the surface 7, since the surface 7 is formed accordingly.
  • the liquid crystal molecules 6 adjacent to the surface 8 of the second substrate 3 are oriented substantially perpendicular to the surface 8, since the surface 8 is designed accordingly.
  • FIG. 6B shows in a sectional view a further exemplary embodiment of a section of a phase modulator 1 according to the invention.
  • the first surface 7 of the first substrate 2 is formed in the form of a layer.
  • the electrode assembly 4 is arranged with substantially strip-shaped electrodes formed.
  • the second substrate 3 has a surface 8 formed in the form of a layer, which is formed in such a way that the liquid crystal molecules 6 adjacent thereto are oriented or aligned substantially vertically relative to the surface 8.
  • the phase modulator 1 shown in Fig. 6 B has an activated electrode assembly 4, which is set such that a polarizing filter is formed with a grating period of 16 ⁇ , of which only one half is shown.
  • Fig. 6 C shows a sectional view of another embodiment of a part of a
  • Phase modulator 1 which realizes a polarization grating based on the HAN mode.
  • the LC molecules 6 are outplane-oriented only on one surface layer or surface 7 and on the other surface layer or surface 8 (i.e., substantially vertical to the surface 8).
  • the projection of the liquid crystal molecule 6 into the plane or first surface 7 is rotated in the polarization grid over a grating period of 180 degrees, while the angle which the liquid crystal molecules 6 have out of the plane remains approximately constant.
  • a pure in-plane rotation takes place near the upper substrate 2
  • the liquid crystal molecules 6 are perpendicular to the surface 7 and rotate only about their own axis.
  • 7 shows a schematic representation of a part of a pixel of an inventive device
  • a light modulator wherein the pixel is part of the light modulator of a display and is shown in a view in which a viewer looks at the light modulator or the display.
  • the cell or pixel is shown tilted by 90 degrees (lower substrate 2 with the electrode E2 on the right side).
  • the liquid crystal molecule 6 is adjacent to the bottom of the substrate, which is located closer to the user and it points out of the plane of the drawing.
  • the liquid crystal molecule 6 above is adjacent to the substrate which is located further away from the user and is oriented in the plane of the drawing.
  • a positive voltage V1 is required between the electrodes E1 and E2 and also a positive voltage V1 between the electrodes E2 and E3.
  • the third electrode E3 so the voltage is 2 x V1 on.
  • FIG. 8 shows an arrangement with structured alignment A1 and A2 on the side in which the liquid crystal molecules 6 are oriented essentially parallel to the surface 7.
  • the same alignment between the electrodes E1 and E2 sets as before.
  • the vertical and bottom horizontal orientation due to the alignment is instead set at the top of the image. Accordingly, a different sense of rotation would form at the same voltage.
  • voltage V1 at electrode E2 and again voltage 0 at electrode E3 results in each case a different one
  • FIGS. 7 'and 8' the sections of the light modulators shown in the upper area of FIGS. 7 and 8 are each shown in a three-dimensional view, wherein the liquid crystal molecules 6 shown there are greatly enlarged and idealized in their three-dimensional form are shown.
  • FIG. 9 shows a schematic representation in a front view of a further embodiment of a portion of a phase modulator according to the invention. It will be the
  • Phasenoffsets between successive frames illustrates, especially for a HAN phase deflector. Schematically, only the orientation of the liquid crystal molecules 6 near the substrate is shown, in which the liquid crystal molecules 6 have a planar orientation.
  • Fig. 9 (B) it is shown that by a phase offset, the grating period is maintained as compared with Fig. 9 (A), but the applied voltages are changed so that
  • phase offset between the two frames is ⁇ , which corresponds to a 90 degree in-plane rotation angle of the liquid crystal molecules 6.
  • more than two frames with different phase offset can be used to obtain the resulting to further reduce temporal mean values of the voltages, for example a sequence 0, ⁇ / 2, ⁇ , 3 ⁇ / 2. Accordingly, phase values differ for a frame in the
  • Phase modulator are written, of the phase values which are written in the phase modulator for the subsequent frame by a phase offset such that the voltage difference between adjacent in-plane electrodes is changed.
  • FIGS. 10 (A) and 10 (B) each show, in a schematic representation in a front view, a further exemplary embodiment of a part of a phase modulator according to the invention.
  • the orientation of the liquid crystal molecules 6 near the substrate with the planar orientation for a phase deflector are shown schematically.
  • Fig. 10 (A) and Fig. 10 (B) is the
  • phase deflectors are shown here.
  • the polarization-switching element can be realized, for example, in the form of a (on / off) switchable ⁇ / 2 plate on LC base with flat (non-pixelated) electrodes.
  • the voltages of two successive frames applied to the electrodes of the electrode arrangement of the phase modulator according to the invention have a change of sign.
  • Embodiments merely serve to describe the claimed teaching, but do not limit these to the embodiments.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenmodulator (1) zum Modulieren der Phase von mit dem Phasenmodulator (1) wechselwirkenden zirkular polarisierten Lichts. Der Phasenmodulator (1) umfasst ein erstes und ein zweites Substrat (2, 3), eine Elektrodenanordnung (4) und eine Liquid Crystal Schicht (5) mit Liquid Crystal Molekülen (6). Das erste Substrat (2) ist gegenüberliegend zu dem zweiten Substrat (3) angeordnet. Die Liquid Crystal Schicht (5) ist zwischen den zwei Substraten (2, 3) angeordnet. Das erste Substrat (2) weist eine erste Oberfläche (7) auf und das zweite Substrat (3) weist eine zweite Oberfläche (8) auf. Die erste Oberfläche (7) ist ausgebildet, um die zur ersten Oberfläche (7) benachbarten Liquid Crystal Moleküle (6) in einer Richtung zu orientieren, welche im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche (7) ist. Die zweite Oberfläche (8) ist ausgebildet, um die zur zweiten Oberfläche (8) benachbarten Liquid Crystal Moleküle (6) in einer Richtung zu orientieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Oberfläche (8) ist. Die Elektrodenanordnung (4) ist derart ansteuerbar, dass eine in-plane Komponente der Liquid Crystal Molekülorientierung in einem Winkelbereich von ungefähr 180 Grad einstellbar ist, beispielsweise zwischen -90 bis + 90 Grad bezogen auf eine vorgebbare mittlere Orientierung. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Display zur Darstellung zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bildinhalte.

Description

Phasenmodulator zum Modulieren von mit dem Phasenmodulator wechselwirkenden Licht
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenmodulator zum Modulieren der Phase von mit dem Phasenmodulator wechselwirkenden zirkulär polarisierten Licht. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Display zur Darstellung zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bildinhalte.
Die Phase von Licht kann nach S. Pancharatnam, Proc.lnd.Acad.Sci, p.137, 1955 moduliert werden, indem zirkulär polarisiertes Licht verwendet wird, und indem eine in-plane Drehung einer λ/2 Platte, d.h. eine Drehung der λ/2 Platte in ihrer Ebene, durchgeführt wird. Dies ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Zirkular polarisiertes Licht fällt auf eine λ/2 Platte. Der Drehsinn des zirkulär polarisierten
Lichtes wird geändert. Zusätzlich stellt sich eine Phase ein, die von dem Winkel der optischen Achse der λ/2 Platte in der Ebene abhängt. Wird die λ/2 Platte um den Winkel φ gedreht (unterer Teil von Fig. 1 ), so ändert sich die Phase am Ausgang um den Winkel 2φ. Die Änderung der Phase entspricht also dem doppelten des Drehwinkels der λ/2-Platte. Eine Phasenmodulation bzw. Phasenänderung von 360 Grad (2π) erhält man mit einer Drehung der λ/2-Platte um 180 Grad.
Anstelle einer mechanischen Drehung einer λ/2-Platte kann in einem auf Flüssigkristallen basierenden Lichtmodulator eine - beispielsweise durch ein elektrisches Feld hervorgerufene - Drehung der langen Achse der LC (Liquid Crystal) Moleküle treten.
Nematische LC reagieren dabei allerdings in der Regel nur auf den Betrag und nicht auf das Vorzeichen einer angelegten Spannung. Durch eine vorgegebene Oberflächenorientierung der LC Moleküle und ein elektrisches Feld in der Pixelebene - wie bei einem IPS LC Mode (In Plane Switching Liquid Crystal Mode) - wobei das elektrische Feld in einem Winkel relativ zur
Oberflächenorientierung anliegt und dieser Winkel maximal 90 Grad betragen kann, kann auch nur eine Drehung der LC Moleküle zwischen 0 und maximal 90 Grad erzeugt werden. Smektische LC, wie beispielsweise in einem PSS LC Mode (Polarization-Shielded Smectic Liquid Crystal Mode), ändern ihren Drehsinn mit dem Vorzeichen des Feldes. Für sich allein sind aber keine +90 Grad oder -90 Grad Drehung der LC möglich. Smektische LC Moleküle sind im Gegensatz zu nematischen LC in Schichten angeordnet und eine 90 Grad Drehung der Moleküle wäre nicht mit dem Erhalt der Schichtstruktur vereinbar. Mit einem herkömmlichen LC Mode lässt sich also der gewünschte Winkelbereich von 180 Grad der Drehung der LC Moleküle nicht erreichen.
In der DE 10 2009 045 125.0 bzw. der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/064504 wird eine Lösung für dieses Problem beschrieben, bei welcher durch eine Kombination eines schaltbaren Oberflächenalignments mit einem der genannten LC Moden der Winkelbereich der Drehung der LC Moleküle vergrößert wird. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass diese Lösung einen erhöhten Fertigungs- und Ansteueraufwand beinhaltet. Bei der Herstellung eines Lichtmodulators (SLM = Spatial Light Modulator) muss nämlich eine spezielle Alignment-Schicht auf einem Substrat aufgebracht werden, die von Standardmaterialien, wie sie heute in der LCD Fertigung üblich sind, abweicht. Bei der Ansteuerung des SLM müssen unter Umständen separate Signale zum Umschalten des Oberflächenalignments und zur direkten Ansteuerung der LC Moleküle generiert werden. Dies erfordert gegebenenfalls auch eine schnellere Signalübertragung für die Ansteuerung der Pixel eines SLM, wenn beide Signale zeitlich nacheinander benötigt werden, um mit deren Kombination einen einzelnen Phasenwert einzustellen.
In der WO 2008/104533 A1 und inhaltlich ähnlichen Veröffentlichungen, wie in den Tagungen Eurodisplay 2009 [1] und Imid2009 [2], wird ein Hybrid Aligned Nematic (HAN) LC-Mode beschrieben. Die LC Moleküle in einer Sandwichanordnung zwischen zwei Substraten sind dabei an einer Oberfläche senkrecht und an der anderen Oberfläche parallel zur Sandwichoberfläche orientiert. Diese Oberflächenorientierung ist fest. Parallele Orientierung ist beispielsweise bei IPS oder TN Mode üblich (TN = Twisted Nematic), senkrechte Orientierung bei VA Mode (Vertical Alignment Mode). Es werden zwar für beide Substrate unterschiedliche Alignment-Schichten benötigt. Beide Typen können jedoch mit in der LCD Industrie üblichen Standardverfahren erzeugt werden. In dem einfachsten theoretischen Modell werden LC Moleküle häufig als„rigid rods", also als feste Stäbchen beschrieben. In Abweichung von dieser einfachen Annahme können LC Moleküle aber auch beispielsweise eine gekrümmte bananenartige Form aufweisen („banana shape") oder an einem Ende dicker sein als am anderen also birnenförmig („pear shape"). Während für zwei ideale Stäbchen eine parallele und eine antiparallele Ausrichtung energetisch gleichwertig wären, sind bei den abweichenden Geometrien, insbesondere im Fall einer induzierten Deformation wie Spreizung
(„splay") oder Biegung („bend") beispielsweise parallele Orientierungen der Moleküle mit Birnenform oder Bananenform relativ zu antiparallelen Orientierungen bevorzugt.
Durch eine Deformation des LC wird daher auch eine Polarisation in einem LC Material mit einer entsprechenden Molekülform induziert. Dies ist unter dem Namen flexo-elektrischer Effekt bekannt. Liegt eine flexo-elektrische Polarisation vor, so reagieren die LC Moleküle unterschiedlich auf das jeweilige Vorzeichen eines anliegenden elektrischen Feldes.
In der HAN Konfiguration wird durch die unterschiedliche Oberflächenorientierung der LC an beiden Substraten und durch die elastischen Kräfte zwischen den LC (aufgrund eines kontinuierlichen Übergangs von der parallelen zur senkrechten Orientierung über die LC Schichtdicke) eine solche Deformation induziert und daher eine flexo-elektrische Polarisation erzeugt.
Für ein anliegendes in-plane Feld findet eine Drehung der LC Moleküle beziehungsweise ihrer Projektion in der Displayebene (die parallel zur Oberfläche des Substrat des SLM) statt. Aufgrund der flexo-elektrischen Polarisation ist der Drehsinn der Moleküle dabei abhängig vom Vorzeichen der Spannung. Es werden in der WO 2008/104533 A1 Konfigurationen beschrieben, bei denen die Elektroden angeordnet sind, wie bei einem IPS Display, und solche, bei denen eine zusätzliche Grund-Elektrode auf dem gleichen Substrat vorliegt, wie bei einem FFS (fringe field switching) Display. Ferner werden in der WO 2008/104533 A1 auch Konfigurationen beschrieben, bei denen In- plane-Elektroden oder FFS Elektroden wahlweise auf dem Substrat mit paralleler Orientierung der LC Moleküle oder alternativ auch auf dem Substrat mit vertikaler Orientierung der LC Moleküle angeordnet sind. Ersteres wird dort als Ausgestaltung für LC Materialien mit positivem Δε, letzteres als Ausgestaltung für LC Materialien mit negativem Δε beschrieben.
In der WO 2008/104533 A1 ist der Zweck dieser Konfigurationen für beide Schaltprozesse (An- und Ausschalten) kurze Schaltzeiten zu ermöglichen, da beide durch ein Feld gesteuert werden, indem unterschiedliche Vorzeichen der Spannung verwendet werden können. Für Amplitudenmodulation wird linear polarisiertes Licht verwendet und nur eine Drehung der LC Moleküle von +45 Grad oder - 45 Grad benötigt.
In der in der WO 2008/104533 A1 und einer damit zusammenhängen Veröffentlichung [1] beschriebenen Elektrodenanordnung in Anlehnung an IPS liegt an der jeweils übernächsten Elektrode wieder die gleiche Spannung an. Damit wechseln sich jeweils zwischen zwei Elektroden positive und negative Felder ab. Folglich würde der Drehsinn der LC Moleküle innerhalb des Pixels über kleine Bereiche alternieren. Dies ist nicht störend für einen Amplitudenmodulator, da dort die Amplitudenmodulation vom Betrag aber nicht vom Vorzeichen des Drehwinkels abhängt. Für Phasenmodulation wäre diese Konfiguration aber nicht geeignet, da innerhalb eines Pixels abschnittsweise unterschiedliche Phasenwerte realisiert würden. Ähnliches gilt für eine
Elektrodenanordnung in Ahnlehnung an FFS. Dort würde zwischen zwei Elektroden des Rasters an jeweils einer Hälfte ein Drehsinn und in der anderen Hälfte ein anderer Drehsinn der Moleküle erzeugt, siehe z.B. die Abbildung 3 in [2]. Auch diese Anordnung ist für Amplitudenmodulation, nicht jedoch für Phasenmodulation geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen LC basierten Lichtmodulator bzw. Phasenmodulator anzugeben, mit welchem die Phase des Lichts über einen
Phasenwertebereich von ungefähr 2π moduliert werden kann und welcher basierend auf einer Drehung der in-plane Komponente der LC Moleküle arbeitet. Es wäre wünschenswert, eine bezüglich Fertigung und Ansteuerung weniger aufwendige Anordnung zu finden, als die in der DE 10 2009 045 125.0 beschriebene Kombination von LC Moden wie IPS oder PSS mit einem schaltbaren
Oberflächenalignment.
Die voranstehende Aufgabe wird durch einen Phasenmodulator zum Modulieren von mit dem Phasenmodulator wechselwirkenden zirkulär polarisierten Licht gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der Phasenmodulator umfasst ein erstes und ein zweites Substrat, eine Elektrodenanordnung und eine Liquid Crystal Schicht mit Liquid Crystal Molekülen. Das erste Substrat ist gegenüberliegend zu dem zweiten Substrat angeordnet. Vorzugsweise ist das erste Substrat im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Substrat angeordnet. Die Liquid Crystal Schicht ist zwischen den zwei Substraten angeordnet. Das erste Substrat weist eine erste Oberfläche bzw. Oberflächenschicht auf und das zweite Substrat weist eine zweite Oberfläche bzw. Oberflächenschicht auf. Die erste Oberfläche ist ausgebildet, um die zur ersten Oberfläche benachbarten Liquid Crystal Moleküle in eine Richtung zu orientieren, welche im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche ist. Die zweite Oberfläche ist ausgebildet, um die zur zweiten Oberfläche benachbarten Liquid Crystal Moleküle in eine Richtung zu orientieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Oberfläche ist. Die Elektrodenanordnung ist derart ansteuerbar, dass eine in-plane Komponente der Liquid Crystal Molekülorientierung in einem Winkelbereich von ungefähr 180 Grad einstellbar ist, beispielsweise zwischen -90 bis + 90 Grad bezogen auf eine vorgebbare mittlere Orientierung. Ein erfindungsgemäßer Phasenmodulator bzw. Lichtmodulator hat insbesondere die Wirkungsweise eines SLM (Spatial Light Modulator), bei welchem also die Phase des mit dem Phasenmodulator wechselwirkenden Lichts in Abhängigkeit von der jeweiligen räumlichen Position des
Phasenmodulators moduliert bzw. beeinflusst werden kann, und zwar insbesondere in Abhängigkeit der Ansteuerung des Phasen modulators. Der erfindungsgemäße Phasenmodulator ist für die Wechselwirkung mit zirkulär polarisiertem Licht vorgesehen. Falls das Licht einer Lichtquelle keine zirkuläre Polarisation aufweist, kann ein entsprechender Polarisator eingangsseitig des
erfindungsgemäßen Phasenmodulators vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß wird eine HAN Konfiguration verwendet, um in Abhängigkeit vom Vorzeichen des elektrischen Feldes wahlweise eine Drehung der in-plane Komponente der LC Molekülorientierung von z.B. 0 bis zu +90 Grad oder 0 bis zu -90 Grad zu erreichen, und damit durch Steuerung des angelegten Feldes insgesamt eine Phasenmodulation im Bereich von 0 bis 2π zu erreichen. Eine inplane Komponente der LC Molekülorientierung von -90 Grad entspricht einer Phasenmodulation von 0, eine in-plane Komponente der LC Molekülorientierung von 0 Grad entspricht einer
Phasenmodulation von π und eine in-plane Komponente der LC Molekülorientierung von +90 Grad entspricht einer Phasenmodulation von 2π. Die Dicke der LC Schicht wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass ihre optische Funktion einer λ/2 Platte entspricht. Auch eine abweichende Dicke der LC Schicht ist zulässig und kann zur Phasenmodulation verwendet werden, wenn ausgangsseitig bei dem Phasenmodulator ein Zirkularpolarisator vorgesehen ist. Jedoch nimmt nachteilig dann die Transmission des Phasenmodulators aufgrund der abweichenden Dicke ab. Ein erfindungsgemäßer Phasenmodulator kann aber vorteilhaft für mehr als eine Wellenlänge (z.B. für rot, grün und blau) ausgelegt werden, indem die Dicke der Liquid Crystal Schicht so gewählt wird, dass ihre optische Funktion für eine mittlere Wellenlänge (z.B. grün) einer λ/2 Platte entspricht. Ganz allgemein kann die Dicke der LC Schicht derart gewählt werden, dass ihre optische Funktion der einer
Verzögerungsplatte entspricht. Für einen Phasen-SLM wird innerhalb eines Pixels mit einer kammförmigen Anordnung von in der
Regel mehreren Elektroden ein über das Pixel einheitlicher in-plane Spannungsgradient erzeugt. Das Vorzeichen des Spannungsgradienten bestimmt den Drehsinn der LC Moleküle und die Stärke des Gradienten den Drehwinkel der Liquid Crystal Moleküle.
Eine entsprechende Anordnung des Phasenmodulators kann auch für ein reflektives Display eingesetzt werden, wozu gegebenenfalls ein kleinerer Winkelbereich zwischen +45 Grad und -45 Grad ausreicht, um eine Phasenmodulation von 2π zu erhalten oder auch eine dünnere Liquid Crystal Schicht, deren optische Funktion vorzugsweise einer K/4 Platte entspricht, und den vollen
Winkelbereich verwenden zu können, da das Licht zweimal den reflektiv ausgebildeten Phasen-SLM durchläuft. Insoweit kann der erfindungsgemäße Phasenmodulator derart ausgebildet sein, dass er transmissiv oder reflektiv betreibbar ist.
Der erfindungsgemäße Phasendeflektor kann insbesondere in vergleichbarer Weise wie der in der DE 10 2009 045 125.0 bzw. der in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/064504 beschriebene Phasendeflektor eingesetzt werden. Daher wird der Offenbarungsgehalt der DE 10 2009 045 125.0 sowie der der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/064504 vollumfänglich hier einbezogen. Diffraktive Elemente, wie beispielsweise Phasendeflektoren, die in holografischen Displays für die Betrachternachführung (Tracken) eingesetzt werden können, werden beispielsweise in der DE 10 2009 028 626.8 bzw. in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/058625, dort als Beugungseinrichtung bezeichnet, beschrieben. Da der erfindungsgemäße Phasendeflektor unter anderem in vergleichbarer Weise wie die in der DE 10 2009 028 626.8 bzw. die in der
PCT/EP2010/058625 beschriebene Beugungseinrichtung eingesetzt werden kann, wird der
Offenbarungsgehalt der DE 10 2009 028 626.8 sowie der der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/058625 vollumfänglich hier einbezogen.
Ein auf Phasenmodulation basierendes variables Ablenkgitter, vergleichbar eingesetzt wie in der DE 10 2009 028 626.8 bzw. in der PCT/EP2010/058625 beschrieben, dessen Elektrodenpitch bzw. Elektrodenabstand ungefähr in der gleichen Größenordnung liegt wie die LC-Schichtdicke, kann durch individuelle Ansteuerung einzelner in-plane Elektroden realisiert werden. Bevorzugt wird hierbei eine periodisch sich drehende in-plane Komponente der LC Orientierung wie in einem
Polarisationsgitter eingestellt, so dass innerhalb einer Gitterperiode eine kontinuierliche Drehung der in-plane Projektion der LC Moleküle zwischen 0 und 180 Grad erreicht wird. Dies wird sowohl durch entsprechende Spannungsgradienten zwischen den Elektroden als auch durch elastische Kräfte zwischen den LC Molekülen erreicht. Durch geeignete Ansteuerung lassen sich variabel einstellbare Orientierungen der Liquid Crystal Moleküle und damit verbunden Brechungsindexverteilungen einstellen, so dass resultierend für eine optische Anwendung variable Gitterperioden eingestellt werden können. Es wird also ein variables Polarisationsgitter realisiert. Diese Realisierung erfolgt auf einfachere Weise als aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist die Realisierung einfacher als bei dem als V-COPA bezeichneten variablen Polarisationsgitter aus der US
2009/0073331 A1 ).
Im Gegensatz zur Vorgehensweise gemäß der DE 10 2009 045 125.0 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eine herkömmliche feste Oberflächenorientierung der LC Moleküle nach industriell gebräuchlichen Verfahren verwendet werden, beispielsweise durch Bürsten der Oberflächenbeschichtung des Substrats. Daher ist der Fertigungs- und Ansteueraufwand des erfindungsgemäßen Phasenmodulators geringer. Im Gegensatz zu PSS-LC können nematische LC verwendet werden. Deren Verarbeitung (Befüllung, Alignment) ist grundsätzlich einfacher. Es kann auch für die Phasenmodulation von dem in der WO 2008/104533 A1 genannten schnellen Ein- und Ausschalten Gebrauch gemacht werden. Es kann für Ablenkgitter von der für Polarisationsgitter hohen Beugungseffizienz Gebrauch gemacht werden.
Der Phasenmodulator könnte nun derart ausgebildet sein, dass das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht aufgrund von Beugung in einer vorgebbaren Richtung veränderbar ablenkbar ist und dass hiermit die Funktion eines Ablenkgitters erzielbar ist. Dann wären mit dem
erfindungsgemäßen Phasenmodulator vergleichbare Anwendungen möglich, wie sie beispielsweise in der DE 10 2009 028 626.8 beschrieben sind. Hierzu wäre durch eine geeignete Ansteuerung der Elektroden der Elektrodenanordnung des Phasenmodulators eine vorgebbare Orientierung der Liquid Crystal Moleküle einstellbar, aufgrund welcher sich eine entsprechende Brechungsindexverteilung in der Schicht der Liquid Crystal Moleküle ergibt, welche die Funktion eines Ablenkgitters bewirkt.
Die Elektroden der Elektrodenanordnung des Phasenmodulators könnten, derart ansteuerbar sein, dass in Abhängigkeit der Position des Phasenmodulators, an welcher jeweils ein Lichtstrahl auf den Phasenmodulator auftrifft, das Licht bzw. dieser Lichtstrahl in eine veränderbare vorgebbare Richtung ablenkbar ist.
Alternativ hierzu könnte der Phasenmodulator einzelne Pixel aufweisen. Als solches könnte er beispielsweise als das optische Bauteil eines holographischen Displays gemäß der WO 2006/066919 A1 dienen, in welches Hologrammdaten einkodiert werden, um mit dem holographischen Display dreidimensionale Szenen zu rekonstruieren bzw. darzustellen. Jeder Pixel des Phasenmodulators weist mindestens zwei Elektroden der Elektrodenanordnung auf.
Die Elektrodenanordnung könnte derart ansteuerbar sein, dass im Bereich eines Pixels ein im Wesentlichen konstanter Spannungsgradient anliegt, insbesondere bei einem Phasenmodulator. Die Elektrodenanordnung könnte derart ansteuerbar sein, dass zwischen zwei benachbarten Elektroden jeweils eine im Wesentlichen konstante Spannungsdifferenz anliegt, insbesondere bei einem
Phasendeflektor.
Für ein herkömmliches IPS Pixel eines IPS Lichtmodulators, bei dem der LC in seiner Orientierung nur auf das Quadrat der Spannung reagiert, werden in der Regel Elektroden verwendet werden, deren Aufbau bzw. Struktur zwei ineinander verschachtelten Kämmen entspricht, vergleiche z.B. Fig. 3. Es werden nur zwei Spannungswerte benötigt, nämlich einen Spannungswert für die Elektrode entsprechend dem einen Kamm (Common Elektrode) und einen Spannungswert für die Elektrode entsprechend dem zweiten Kamm. Zwischen zwei in-plane Elektroden liegt dann abwechselnd Spannungen mit unterschiedlichen Vorzeichen an (+ V und -V). Für ein Pixel eines Lichtmodulators gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt man aber zwischen benachbarten Elektroden jeweils eine Spannung gleichen Vorzeichens. Dadurch müssten innerhalb des Pixels für die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich ansteigende (oder je nach Phasenwert abfallende) Spannungswerte verwendet werden. Die insgesamt benötigten Spannungen zur Ansteuerung eines Pixels können also gegenüber anderen LC Moden, wie beispielsweise IPS, erhöht sein.
Daher weist in einer bevorzugten Ausführungsform die Oberfläche eines Substrats eine strukturierte Oberflächenbeschichtung bzw. einen Alignment Layer mit ersten und zweiten Strukturbereichen auf. Die ersten und die zweiten Strukturbereiche sind jeweils benachbart und zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet und derart ausgebildet, dass die mit dem ersten Strukturbereich in Kontakt stehenden Liquid Crystals im Wesentlichen antiparallel zu den mit dem zweiten Strukturbereich in Kontakt stehenden Liquid Crystals ausgerichtet sind. So könnte ein hybrides Alignment von Liquid Crystals mit einer Strukturierung des Alignment Layers auf einer Oberfläche mindestens eines Substrats vorgesehen sein. Vorzugsweise ist dies die Oberfläche des Substrats, an welcher die Liquid Crystals im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche orientiert sind. Die Strukturierung entspricht - beispielsweise im Falle eines Alignment-Layers aus Polyimid und im Falle einer mechanischen Reibung - antiparallelen Reibrichtungen in unterschiedlichen Bereichen dieses Polyimid Alignment Layers. Das Alignment kann aber generell auch mit anderen Materialien und durch andere
Herstellungsmethoden erfolgen, z.B. mittels Photoalignment. Bei Photoalignment können zur räumlichen Strukturierung zum Beispiel Masken eingesetzt werden, so dass durch die Maske abgedeckte bzw. nicht abgedeckte Bereiche eine unterschiedliche Ausrichtung erhalten. Die
Strukturierung ist so dimensioniert, dass auf dem Substrat mit in-plane Elektroden zwischen einem Paar benachbarter Elektroden die eine Orientierung und zwischen dem folgenden Paar benachbarter Elektroden im Wesentlichen die entgegengesetzte Orientierung besteht. Wahlweise könnte die Strukturierung auch auf dem Substrat erfolgen, das selbst keine Elektroden aufweist, wobei dann aber die strukturierten Bereiche des Alignment Layers zu den Elektroden auf dem
gegenüberliegenden Substrat ausgerichtet werden müssen. In diesen Fällen bildet sich das hybride Alignment der Liqiud Crystals so aus, dass für das eine Elektrodenpaar beim Anlegen einer positiven Spannung eine Drehung der Liquid Crystals im Uhrzeigersinn bewirkt. Für das folgende
Elektrodenpaar ergibt sich beim Anlegen einer negativen Spannung eine Drehung der Liquid Crystals im Uhrzeigersinn. In vorteilhafter Weise kann ein solches Pixel dann mit ineinander verschachtelten kammförmigen in-plane Elektroden versehen sein und als solches in der gleichen Weise wie bei einem herkömmlichen IPS-Display angesteuert werden. In der DE 10 2009 002 987 A1 wird eine steuerbare Vorrichtung zur Phasenmodulation beschrieben die auf dem PSS-LC Mode basiert und bei der jede LC Modulatorzelle je nach einzuschreibenden Phasenwerten lokal mit positiven oder negativen Spannungswerten ansteuerbar ist. Negative Spannungen werden beispielsweise verwendet, um Phasenwerte zwischen 0 und π einzustellen, positive Spannungen um Phasenwerte zwischen π und 2π einzustellen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass in Displays üblicherweise Wechselspannungen eingesetzt werden, derart, dass in einem Frame bzw. Bild eine positive Spannung und im nächsten Frame eine negative Spannung an ein Pixel angelegt wird. Dies dient dazu, chemische Zersetzung der LC Materialien und
Ladungsträgereffekte durch über längere Zeit anliegende Gleichspannung zu vermeiden. Für herkömmliche LC Moden, die nur auf das Quadrat der angelegten Spannung reagieren, hat der Vorzeichenwechsel der Spannung keinen Einfluss auf die Orientierung der LC. Für einen Einsatz von PSS als Amplitudenmodulator ergeben sich zwar durch den Vorzeichenwechsel zwei unterschiedliche LC Orientierungen, die aber beide eine gleiche Transmission aufweisen. Für einen PSS- Phasenmodulator hätte aber ein Umschalten des Vorzeichens der anliegenden Spannung unerwünscht veränderte Phasenwerte zur Folge. In der DE 10 2009 002 987 A1 wurde als Lösung vorgeschlagen, einen globalen Offset der Phase zwischen aufeinanderfolgenden Frames
einzuführen, da für die Funktionalität des Phasenmodulators nur die relative Phase zwischen benachbarten Pixeln relevant ist, nicht die absolute Phase, die in das Pixel eingeschrieben ist. Durch den Phasenoffset ändert sich das Vorzeichen der Spannung zwischen zwei Frames für die meisten Pixel des Phasenmodulators. Es werden daher Gleichspannungseffekte vermieden.
HAN unterscheidet sich von PSS unter anderem dadurch, dass zur Ansteuerung von HAN- Lichtmodulatoren oder HAN-Phasendeflektoren in-plane Spannungsdifferenzen zwischen zwei benachbarten in-plane Elektroden auf dem gleichen Substrat verwendet werden, während für PSS out-of-plane Spannungen zwischen Elektroden auf gegenüberliegenden Substraten verwendet werden. PSS und HAN haben aber die Gemeinsamkeit, dass für ein Amplitudendisplay beim Wechsel des Vorzeichens der angelegten in-plane Spannung zwar eine unterschiedliche LC Orientierung aber gleiche Transmission resultiert, während für ein Phasendisplay ein Wechsel des Vorzeichens der inplane Spannung unterschiedliche Phasenwerte zur Folge hat. Daher sollte auch bei einem im HAN Modus betriebener Phasenmodulator - und insbesondere einem HAN Lichtmodulator oder einem HAN Phasendeflektor - eine bestimmte Phasenverteilung eingeschrieben werden, wobei aber das Anlegen von Gleichspannungen weitgehend vermieden werden soll. Zwar wäre für eine Anwendung eines Phasendeflektors zum Tracken in einem holografischen Display als Mehrfachnutzersystem durch das Umschalten zwischen verschiedenen Augenpositionen im statistischen zeitlichen Mittel ohnehin ein Ausgleich zwischen positiven und negativen Spannungen zwischen zwei Elektroden des Phasendeflektors gegeben. Für den
Sonderfall, dass in einem Einzelbetrachtersystem dieser Betrachter über einen längeren Zeitraum (beispielsweise mehrere Sekunden) in einer festen Position verharrt, könnte dies aber beispielsweise die Einstellung einer gleichbleibenden Gitterperiode über diesen Zeitraum erfordern. Dann besteht die Gefahr von Gleichspannungseffekten. Für einen SLM wäre die Gefahr von Gleichspannungseffekten dann gegeben, wenn z.B. statische Bildinhalte angezeigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher ein Phasenoffset der eingeschriebenen Phasenwerte zwischen aufeinanderfolgenden Frames verwendet, um so störende Gleichspannungseffekte zu vermeiden. Zu beachten ist, dass nicht zwingend der Absolutwert der Spannung an den in-plane Elektroden sein Vorzeichen ändert, sondern dass die Spannungsdifferenz zwischen benachbarten in-plane Elektroden geändert wird. Dies ist in Fig. 9 sowie in der
Figurenbeschreibung zu Fig. 9 näher erläutert.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform wird zur Vermeidung von Gleichspannungseffekten vorgeschlagen, einen herkömmlichen Vorzeichenwechsel der in-plane Spannungen an den
Elektroden in aufeinanderfolgenden Frames durchzuführen, aber zusätzlich mittels eines
polarisationsschaltenden Elementes die Eingangspolarisation für den Phasen-SLM oder
Phasendeflektor zwischen beiden Frames umzuschalten. Dies ist in Fig. 10 sowie in der
Figurenbeschreibung zu Fig. 10 näher erläutert.
In erfindungsgemäßer Weise kann ein Display zur Darstellung zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bildinhalte zur Verfügung gestellt werden, welches eine mindestens eine
Lichtquelle aufweisende Beleuchtungsvorrichtung und einen Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist. In Lichtausbreitungsrichtung ist der Phasenmodulator der
Beleuchtungsvorrichtung nachgeordnet. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Display derart ausgestaltet, dass es zur Darstellung holographischer dreidimensionaler Bildinhalte eingesetzt werden kann, welches nach den in der WO 2006/0669191 A1 beschriebenen Prinzipien arbeitet. Das Display könnte auch derart ausgestaltet sein, dass stereoskopische Bildinhalte und/oder
stereoskopische Multi-View-Bildinhalte darstellbar sind. Ein solches Display (3D-Display) ist also in der Lage, dreidimensionale Bildinhalte für die menschliche Wahrnehmung dreidimensional darzustellen. Hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen des Phasenmodulators für das
erfindungsgemäße Display wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den vorangegangenen Teil der Beschreibung verwiesen. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1
nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 das Prinzip der Phasenmodulation mit zirkulär polarisiertem Licht und der Drehung der optischen Achse einer λ/2 Platte;
Fig. 2 das Prinzip einer HAN Zelle nach dem Stand der Technik, die auf dem
flexoelektrischen Effekt basiert; Fig. 3 eine HAN-Zelle mit IPS artiger Anordnung von Elektroden nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators;
Fig. 5 ein LC basiertes Polarisationsgitter nach dem Stand der Technik; Fig. 6 A bis C in einer Schnittansicht jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators;
Fig. 7 und 8 in einer schematischen Darstellung oben in einer Ansicht von vorn und unten in einer seitlichen Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators; Fig. 7' und 8' jeweils in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung einen Teil eines Pixels der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 7 und 8; und
Fig. 9 und 10 in einer schematischen Darstellung in einer Ansicht von vorn jeweils ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators in zwei, entsprechend den Ansichten (A) und (B) gezeigten unterschiedlichen
Betriebszuständen.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 2 ist das Prinzip einer HAN Zelle nach dem Stand der Technik verdeutlicht, die auf dem flexoelektrischen Effekt basiert. In der HAN Zelle sind die LC Moleküle 6 an einer Oberfläche 7 parallel zur Oberfläche 7, an der anderen Oberfläche 8 senkrecht zur Oberfläche 8 orientiert. Bei einer geeigneten Molekülform der Liquid Crystal Moleküle 6 entsteht durch diese Orientierung eine flexoelektrische Polarisation. Dann stellt sich ein Drehsinn der optischen Achse eines Liquid Crystal Moleküls 6 ein, der vom Vorzeichen der angelegten Spannung V abhängt.
Fig. 2a zeigt oben in einer Schnittansicht und unten in einer perspektivischen Seitenansicht einen Ausschnitt aus einer HAN Zelle, bei welcher die Elektrodenanordnung 4 nicht aktiviert ist. Fig. 2b zeigt die in Figur 2a gezeigte HAN Zelle in einem ersten aktiven Betriebszustand auf der linken Seite, bei welchem ΡΑθχο und die optische Achse der Liquid Crystal Schicht 5 nach rechts gedreht sind. Auf der rechten Seite der Fig. 2b ist die in Figur 2a gezeigte HAN Zelle in einem zweiten aktiven
Betriebszustand gezeigt, bei welchem ΡΑθχο und die optische Achse der Liquid Crystal Schicht 5 nach links gedreht sind. Fig. 2c zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte HAN Zelle links in einem ersten und rechts in einem zweiten Betriebszustand. Bei dieser HAN Zelle ist die
Elektrodenanordnung 4 an dem ersten Substrat 2 angeordnet und die erste Oberfläche 7 ist derart ausgebildet, dass die zur ersten Oberfläche 7 benachbarten Liquid Crystal Moleküle 6 mit ihrer Längsachse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 7 ausgebildet sind. Dementsprechend wirkt das von der Elektrodenanordnung 4 erzeugte elektrische in-plane Feld zur Ausrichtung der Liquid Crystal Moleküle 6 unmittelbar auf den Teil der HAN Zelle, an welchem die auszurichtenden Liquid Crystal Moleküle 6 angeordnet sind, nämlich benachbart zu der ersten Oberfläche 7 des ersten Substrats 2 und die Liquid Crystal Moleküle 6, welche im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche 7 ausgerichtet sind.
Fig. 3 zeigt eine HAN-Zelle mit IPS artiger Anordnung von Elektroden nach dem Stand der Technik. In der Elektrodenanordnung wechseln sich positive und negative Spannungen ab. Der Drehsinn der optischen Achse alterniert daher. Da für eine Amplitudenmodulation nur der Betrag des Drehwinkels entscheidend ist, kann mit einer solchen Anordnung ein amplitudenmodulierendes Pixel betrieben werden. Die Phasenmodulation ist aber abhängig vom Vorzeichen der Spannung. Für ein
phasenmodulierendes Pixel ist die Elektrodenanordnung gemäß Fig. 3 nicht geeignet.
In Fig. 4 ist im oberen Bereich eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines
erfindungsgemäßen Phasenmodulators 1 gezeigt. Der Phasen modulator 1 umfasst ein erstes
Substrat 2, ein zweites Substrat 3 sowie eine Elektrodenanordnung 4. Zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 30 ist eine in Fig. 4 nicht gezeigte Schicht von Liquid Crystal Molekülen angeordnet. Im unteren Bereich der Fig. 4 ist eine Schnittansicht des zweiten Substrats 3 mit der Elektrodenanordnung 4 schematisch gezeigt. Das erste Substrat ist hierbei nicht gezeigt. Weiterhin sind die elektrischen Feldlinien bei einer aktivierten Elektrodenanordnung 4 gezeigt. Die
Elektrodenanordnung 4 ist streifenförmig ausgebildet. Die Elektrodenanordnung 4 wir bevorzugt derart angesteuert, dass bei der an den einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung 4 unterschiedliche Spannungen anliegen. In Fig. 4 sind dies die Spannungen V1 bis V6. Für ein phasenmodulierendes Pixel eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators 1 muss ein konstanter Spannungsgradient über den Querschnitt des Pixels anliegen. Es ist dann jeweils V6-V5 = V5-V4 = ... = V2-V1 = AV. Für einen Phasendeflektor werden die streifenförmigen Elektroden individuell angesteuert.
Fig. 5 zeigt ein LC basiertes Polarisationsgitter nach dem Stand der Technik. Die LC Moleküle 6 sind dabei in-plane orientiert und drehen sich in der Ebene über eine Gitterperiode um 180 Grad. Fig. 5 (a) zeigt einen Ausschnitt des Polarisationsgitters in einer Ansicht von vorn, das heißt in der Ansicht, in welcher ein Betrachter auf ein Display mit einem solchen parallel zur Displayoberfläche angeordneten Polarisationsgitter schaut. Fig. 5 (b) zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt des in Fig. 5 (a) gezeigten Polarisationsgitters. Λ entspricht der Gitterperiode des Polarisationsgitters.
Fig. 6 A zeigt in einer schematischen perspektivischen dreidimensionalen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, nämlich einen Teil eines erfindungsgemäßen
Phasenmodulators 1 , welcher ein auf dem HAN Modus basierendes Polarisationsgitter bereitstellt. Hier ist lediglich das erste Substrat 2, das zweite Substrat 3 mit den jeweiligen Oberflächen 7, 8 sowie die Liquid Crystal Schicht 5 mit den Liquid Crystal Molekülen 6 gezeigt. Obwohl die Liquid Crystal Moleküle 6 in Fig. 6 A in Form von symmetrischen Ellipsoiden gezeigt sind, weisen die Liquid Crystal Moleküle 6 eine in Fig. 6 nicht gezeigte Bananenform oder alternativ Birnenform auf, welche den flexo-elektrischen Effekt bedingt. Jedenfalls sind die zur Oberfläche 7 des ersten Substrats benachbarten Liquid Crystal Moleküle 6 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 7 orientiert, da die Oberfläche 7 entsprechend ausgebildet ist. Weiterhin sind die zur Oberfläche 8 des zweiten Substrats 3 benachbarten Liquid Crystal Moleküle 6 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 8 orientiert, da die Oberfläche 8 entsprechend ausgebildet ist. Die Elektrodenanordnung ist in Fig. 6 A nicht gezeigt. Fig. 6 B zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Phasenmodulators ist die erste Oberfläche 7 des ersten Substrats 2 in Form einer Schicht ausgebildet. Die an der Liquid Crystal Schicht 5 der Liquid Crystal Moleküle 6 angrenzende
Oberfläche 7 ist derart ausgebildet, dass die zur Oberfläche 7 benachbarten Liquid Crystal Moleküle 6 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 7 ausgerichtet sind. In der Schicht der Oberfläche 7 und auf dem ersten Substrat 2 ist die Elektrodenanordnung 4 mit im Wesentlichen streifenförmigen ausgebildeten Elektroden angeordnet. Das zweite Substrat 3 weist eine in Form einer Schicht ausgebildete Oberfläche 8 auf, welche derart ausgebildet ist, dass die hierzu benachbarten Liquid Crystal Moleküle 6 im Wesentlichen vertikal zu der Oberfläche 8 orientiert bzw. ausgerichtet sind. Der in Fig. 6 B gezeigte Phasenmodulator 1 weist eine aktivierte Elektrodenanordnung 4 auf, welche derart eingestellt ist, dass ein Polarisationsfilter mit einer Gitterperiode von 16 μιτι ausgebildet ist, von welcher lediglich eine Hälfte gezeigt ist. Die die in der Liquid Crystal Schicht 5 gezeigten
unterschiedlichen Grauwerte entsprechen der eingestellten elektrischen Feldstärke. Weiterhin sind Äquipotenziallinien der vorliegenden elektrischen Feldstärke gezeigt. Fig. 6 C zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils eines
Phasenmodulators 1 , welcher ein auf dem HAN Mode basiertes Polarisationsgitter realisiert. Gemäß der HAN Konfiguration sind die LC Moleküle 6 nur an einer Oberflächenschicht bzw. Oberfläche 7 inplane und an der anderen Oberflächenschicht bzw. Oberfläche 8 out-of plane (d.h. im Wesentlichen vertikal zur Oberfläche 8) orientiert. Gedreht wird im Polarisationsgitter über eine Gitterperiode um 180 Grad jeweils die Projektion des Liquid Crystal Moleküls 6 in die Ebene bzw. ersten Oberfläche 7, während der Winkel, den die Liquid Crystal Moleküle 6 aus der Ebene heraus haben, ungefähr konstant bleibt. Als Grenzfälle erfolgt nahe dem oberen Substrat 2 eine reine in-plane Drehung, nahe dem unteren Substrat 3 stehen die Liquid Crystal Moleküle 6 senkrecht zur Oberfläche 7 und drehen sich nur um ihre eigene Achse. Fig. 7 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Pixels eines erfindungsgemäßen
Lichtmodulators, wobei das Pixel ein Teil des Lichtmodulators eines Displays ist und in einer Ansicht gezeigt ist, in welcher ein Betrachter auf den Lichtmodulator bzw. das Display blickt. Zur Verdeutlichung ist darunter die Zelle bzw. das Pixel um 90 Grad gekippt gezeigt (unteres Substrat 2 mit der Elektrode E2 auf der rechten Seite). In der oberen Ansicht ist das Liquid Crystal Molekül 6 unten zu dem Substrat benachbart, welches näher an dem Benutzer lokalisiert ist und es zeigt aus der Zeichnungsebene heraus. Das Liquid Crystal Molekül 6 oben ist zu dem Substrat benachbart, welches weiter entfernt von dem Benutzer lokalisiert ist und es ist in der Zeichnungsebene orientiert. Für den einheitlichen Drehwinkel in der Zeichnungsebene wird zwischen den Elektroden E1 und E2 eine positive Spannung V1 und zwischen Elektroden E2 und E3 ebenfalls eine positive Spannung V1 benötigt. An der dritten Elektrode E3 liegt also die Spannung 2 x V1 an.
Fig. 8 ist eine Anordnung mit strukturiertem Alignment A1 und A2 auf der Seite gezeigt, bei welcher die Liquid Crystal Moleküle 6 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 7 orientiert sind. In der oberen Ansicht ist gezeigt, dass zwischen den Elektroden E1 und E2 sich das gleiche Alignment wie zuvor einstellt. Zwischen den Elektroden E2 und E3 ist stattdessen oben im Bild die vertikale und unten die horizontale Orientierung aufgrund des Alignments eingestellt. Entsprechend würde sich bei gleicher Spannung ein anderer Drehsinn ausbilden. Für Spannung 0V an Elektrode E1 , Spannung V1 an Elektrode E2 und wieder Spannung 0 an Elektrode E3 ergibt sich jeweils ein unterschiedliches
Vorzeichen der anliegenden Spannung, aber einen gleichen Drehsinn. Weitere Elektroden könnten wieder abwechselnd die Spannungswerte V1 und 0 haben. In vorteilhafter Weise kommt man bei diesem Ausführungsbeispiel nur mit zwei Kammelektroden aus und es ist keine individuelle
Ansteuerung einzelner Elektroden eines Pixels erforderlich. In den Fig. 7' und 8' sind jeweils die im oberen Bereich der Fig. 7 und 8 gezeigten Ausschnitte der dort gezeigten Lichtmodulatoren jeweils in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt, wobei die dort gezeigten Liquid Crystal Moleküle 6 stark vergrößert und in ihrer dreidimensionalen Form idealisiert dargestellt sind.
Fig. 9 zeigt in einer schematischen Darstellung in einer Ansicht von vorn jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators. Es wird die
Anwendung eines Phasenoffsets zwischen aufeinanderfolgenden Frames verdeutlicht, insbesondere für einen HAN Phasendeflektor. Schematisch ist nur die Orientierung der Liquid Crystal Moleküle 6 nahe dem Substrat gezeigt, bei dem die Liquid Crystal Moleküle 6 eine planare Orientierung aufweisen. In Fig. 9 (B) ist gezeigt, dass durch einen Phasenoffset die Gitterperiode im Vergleich zu Fig. 9 (A) beibehalten aber die anliegenden Spannungen so verändert werden, dass
Gleichspannungseffekte vermieden werden. In der Abbildung sind jeweils über den Elektroden die relativen, zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden anliegenden Spannungen gezeigt, unten die insgesamt an den Elektroden anliegenden Spannungen. Für die meisten Elektroden wechselt die relative Spannung zwischen positiv und negativ, für einige auch zwischen 0 und positiv oder negativ. In diesem Beispiel ist der Phasenoffset zwischen beiden Frames π, was einem um 90 Grad geänderten in-plane Drehwinkel der Liquid Crystal Moleküle 6 entspricht. Prinzipiell können auch mehr als zwei Frames mit unterschiedlichem Phasenoffset verwendet werden, um die resultierenden zeitlichen Mittelwerte der Spannungen weiter zu reduzieren, beispielsweise eine Sequenz 0, π/2, π, 3π/2. Dementsprechend unterscheiden sich Phasenwerte, welche für einen Frame in den
Phasenmodulator eingeschrieben werden, von den Phasenwerten, welche für den darauffolgenden Frame in den Phasenmodulator eingeschrieben werden, um einen Phasenoffset derart, dass die Spannungsdifferenz zwischen benachbarten in-plane Elektroden verändert ist.
Fig. 10 (A) und 10 (B) zeigten in einer schematischen Darstellung in einer Ansicht von vorn jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Phasenmodulators. Es sind schematisch die Orientierung der Liquid Crystal Moleküle 6 nahe des Substrates mit der planaren Orientierung für einen Phasendeflektor gezeigt. Zwischen Fig. 10 (A) und Fig. 10 (B) ist das
Vorzeichen aller anliegenden Spannungen getauscht. Hierdurch entsteht eine Orientierungsverteilung der Liquid Crystals, aus welcher eine Brechungsindexverteilung für das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht sich ergibt. Diese Brechungsindexverteilung wirkt für das zirkulär polarisierte Licht wie ein Polarisationsgitter mit der gleichen Periode aber mit geändertem Drehsinn. Dieses Polarisationsgitter würde für Licht der gleichen Eingangspolarisation einem Phasenverlauf mit geändertem Vorzeichen entsprechen und Licht in eine andere Richtung ablenken. Schaltet man aber zusätzlich zwischen den in den Fig. 10 (A) und (B) gezeigten Betriebszuständen auch die Polarisation des einfallenden Lichtes um, zum Beispiel von linkszirkular nach rechtszirkular (angedeutet durch Pfeile), so erhält man für die geänderte Polarisation mit der Orientierung der Liquid Crystal Moleküle 6 in Fig. 10 (B) den gleichen Phasenverlauf wie für die ursprüngliche Polarisation mit der Orientierung der Liquid Crystal Moleküle 6 in Fig. 10 (A). Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass bereits über zwei Frames der zeitliche Mittelwert der anliegenden Spannungen 0 wird. Als Ausführungsbeispiele sind hier Phasendeflektoren gezeigt. Die genannten Konzepte sind aber insbesondere auch anwendbar auf transmissive wie auch reflektive Lichtmodulatoren. Das polarisationsschaltende Element kann beispielsweise in Form einer (ein/aus)-schaltbaren λ/2 Platte auf LC Basis mit flächigen (nicht-pixelierten) Elektroden realisiert sein. Mit anderen Worten weisen die an den Elektroden der Elektrodenanordnung des erfindungsgemäßen Phasenmodulators angelegten Spannungen zweier aufeinanderfolgender Frames einen Vorzeichenwechsel auf. Mit einem polarisationsschaltenden Element wird für einen der aufeinanderfolgenden Frames das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht in einen ersten Polarisationszustand verbracht. Für den darauf folgenden Frame wird das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht in einen zweiten
Polarisationszustand verbracht.
Zitierte Veröffentlichungen:
[1 ] Eurodisplay 2009 Proceedings, Vortrag 4-6
[2] Imid 2009 Digest, Vortrag 1-3, S.14-16 Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten
Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Phasenmodulator zum Modulieren der Phase von mit dem Phasenmodulator (1 )
wechselwirkenden zirkulär polarisierten Licht, mit einem ersten und einem zweiten Substrat (2, 3), einer Elektrodenanordnung (4) und einer Liquid Crystal Schicht (5) mit Liquid Crystal Molekülen (6), wobei das erste Substrat (2) gegenüberliegend zu dem zweiten Substrat (3) angeordnet ist, wobei die Liquid Crystal Schicht (5) zwischen den zwei Substraten (2, 3) angeordnet ist, wobei das erste Substrat (2) eine erste Oberfläche (7) aufweist und wobei das zweite Substrat (3) eine zweite Oberfläche (8) aufweist, wobei die erste Oberfläche (7) ausgebildet ist, um die zur ersten Oberfläche (7) benachbarten Liquid Crystal Moleküle (6) in einer Richtung zu orientieren, welche im
Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche (7) ist, wobei die zweite Oberfläche (8) ausgebildet ist, um die zur zweiten Oberfläche (8) benachbarten Liquid Crystal Moleküle (6) in einer Richtung zu orientieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Oberfläche (8) ist, wobei die
Elektrodenanordnung (4) derart ansteuerbar ist, dass eine in-plane Komponente der Liquid Crystal Molekülorientierung in einem Winkelbereich von ungefähr 180 Grad einstellbar ist, beispielsweise zwischen -90 bis + 90 Grad bezogen auf eine vorgebbare mittlere Orientierung.
2. Phasenmodulator nach Anspruch 1 , welcher derart ausgebildet ist, dass das mit dem Phasenmodulator (1 ) wechselwirkende Licht aufgrund von Beugung in einer vorgebbaren Richtung veränderbar ablenkbar ist und dass hiermit die Funktion eines Ablenkgitters erzielbar ist.
3. Phasenmodulator nach Anspruch 2, wobei die Elektrodenanordnung (4) derart ansteuerbar ist, dass in Abhängigkeit der Position des Phasen modulators (1 ), an welcher jeweils ein Lichtstrahl auf den Phasenmodulator auftrifft, das Licht in eine veränderbare vorgebbare Richtung ablenkbar ist.
4. Phasenmodulator nach Anspruch 1 , wobei der Phasenmodulator (1 ) einzelne Pixel aufweist und wobei jeder Pixel des Phasenmodulators (1 ) mindestens zwei Elektroden der
Elektrodenanordnung (4) aufweist.
5. Phasenmodulator nach Anspruch 4, wobei die Elektrodenanordnung (4) derart ansteuerbar ist, dass im Bereich eines Pixels ein im Wesentlichen konstanter Spannungsgradient anliegt.
6. Phasenmodulator nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Elektrodenanordnung (4) derart ansteuerbar ist, dass zwischen zwei benachbarten Elektroden jeweils eine im Wesentlichen konstante Spannungsdifferenz anliegt.
7. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei innerhalb eines Pixels eine kammförmige Anordnung von mehreren Elektroden vorgesehen ist, mit welcher ein über das Pixel einheitlicher in-plane Spannungsgradient erzeugbar ist.
8. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welcher derart ausgebildet ist, dass er transmissiv oder reflektiv betreibbar ist.
9. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Oberfläche eines Substrats eine strukturierte Oberflächenbeschichtung mit ersten und zweiten Strukturbereichen aufweist, wobei die ersten und die zweiten Strukturbereiche jeweils benachbart und zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet und derart ausgebildet sind, dass die mit dem ersten Strukturbereich in Kontakt stehenden Liquid Crystal Moleküle im Wesentlichen antiparallel zu den mit dem zweiten Strukturbereich in Kontakt stehenden Liquid Crystal Moleküle ausgerichtet sind.
10. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Phasenwerte, welche für einen Frame in den Phasenmodulator eingeschrieben werden, sich von den Phasenwerten, welche für den darauffolgenden Frame in den Phasenmodulator eingeschrieben werden, um einen Phasenoffset derart unterscheiden, dass eine Spannungsdifferenz zwischen benachbarten in-plane Elektroden verändert ist.
11. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die an den Elektroden angelegten Spannungen aufeinanderfolgender Frames einen Vorzeichenwechsel aufweisen und wobei mit einem polarisationsschaltenden Element für einen der aufeinanderfolgenden Frames das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht in einen ersten Polarisationszustand verbringbar ist und für den darauf folgenden Frame das mit dem Phasenmodulator wechselwirkende Licht in einen zweiten Polarisationszustand verbringbar ist.
12. Display zur Darstellung zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bildinhalte, mit einer mindestens eine Lichtquelle aufweisende Beleuchtungsvorrichtung und einem Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei in Lichtausbreitungsrichtung der Phasenmodulator der
Beleuchtungsvorrichtung nachgeordnet ist.
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