Die Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element zur Lichtsteuerung oder zum Richten von Licht in eine definierte Richtung oder zum Anpassen oder Einstellen eines Sichtfelds.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Objekten oder Szenen mit einem derartigen diffraktiven optischen Element.

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen optische Elemente zur Lichtsteuerung oder zum Einstellen eines Sichtfelds eingesetzt werden können, wie beispielsweise bei der optischen Datenübertragung oder in Anzeigevorrichtungen bzw. Displays zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Informationen. In derartigen Anzeigevorrichtungen, insbesondere in holographischen Anzeigevorrichtungen, werden häufig diffraktive optische Elemente zur gezielten Ablenkung von Licht eingesetzt. Beispielsweise kann ein diffraktives optisches Element zur Betrachternachführung in einer Anzeigevorrichtung eingesetzt werden, um Licht zur Erzeugung einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene bei einer Änderung der Position eines Betrachters zur Anzeigevorrichtung an eine neue Position des Betrachters nachzuführen bzw. an die neue Position des Betrachters zu richten.

Bei holographischen Anzeigevorrichtungen mit wenigstens einem virtuellen Betrachterbereich, der auch als virtuelles Betrachterfenster bezeichnet werden kann, kann die holographisch erzeugte Szene oder Objekt nur dann betrachtet werden, wenn sich ein Auge eines Betrachters der Szene am Ort des virtuellen Betrachterbereichs befindet, so dass der Betrachter beim Blick durch diesen virtuellen Betrachterbereich die dargestellte Szene beobachten kann. Dafür muss der Betrachter eine feste Position zur Anzeigevorrichtung einnehmen. Bewegt sich jedoch der Betrachter an eine andere Position bezüglich der Anzeigevorrichtung, so muss, damit der Betrachter die dargestellte Szene oder Information weiterhin betrachten kann, der virtuelle Betrachterbereich der neuen Position des Auges des Betrachters nachgeführt werden.

Eine bekannte Möglichkeit der Betrachternachführung in Anzeigevorrichtungen ist das Nachführen bzw. das definierte Richten des Lichts durch eine entsprechende Kodierung von Phasenverläufen zusätzlich zur Kodierung eines Hologramms in einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die zur Modulation von auftreffenden Licht und zur Erzeugung der rekonstruierten Szene vorgesehen ist.

Eine weitere Möglichkeit der Betrachternachführung besteht in der Verwendung von diffraktiven optischen Elementen oder Einrichtungen, wie beispielsweise Beugungseinrichtungen. Derartige diffraktive optische Elemente oder Einrichtungen sind steuerbar ausgebildet. In der US 8,860,896 B2 ist beispielsweise ein Phasenmodulator offenbart, der ein erstes und ein zweites Substrat, eine Elektrodenanordnung und eine Flüssigkri stallschicht mit Flüssigkristallmolekülen aufweist. Das erste Substrat ist gegenüberliegend zu dem zweiten Substrat angeordnet, wobei die Flüssigkristallschicht zwischen den zwei Substraten angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung weist streifenförmige Elektroden nur auf einem Substrat auf, wobei das andere Substrat eine flächige Elektrode oder keine Elektrode aufweist. Mit einem derartigen Phasenmodulator kann auch ein variables Beugungsgitter durch eine Ansteuerung der in-plane Elektroden auf dem einen Substrat realisiert werden. Hierbei wird ein in-plane-Feld zwischen jeweils zwei streifenförmigen Elektroden auf dem gleichen Substrat erzeugt. Dadurch ist es möglich, variable Orientierungen der Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht zu schaffen, so dass variable Gitterperioden erzeugt werden können. Durch Einschreiben eines Beugungsgitters in den Phasenmodulator mit einer bestimmten Gitterperiode kann somit eine Lichtablenkung erfolgen.

Ein Phasendeflektor, der ein out-of-plane-Feld zwischen jeweils einer streifenförmigen Elektrode auf einem ersten Substrat und einer flächigen oder ebenfalls streifenförmigen und parallel zu der Elektrode des ersten Substrats verlaufenden Elektrode auf einem zweiten Substrat verwendet, ist in der US 2012/0206667 A1 beschrieben. Auch hier wird durch Einschreiben eines Beugungsgitters mit einer bestimmten Gitterperiode in den Phasendeflektor eine Lichtablenkung in einer Richtung senkrecht zu der Ausrichtung der Elektrodenlinien realisiert. Durch Variation der eingeschriebenen Gitterperiode kann der Winkel der Lichtablenkung verändert werden.

Die US 2014/0055692 A1 beschreibt den Einsatz einer Beugungseinrichtung zur Betrachternachführung in einer holographischen Anzeigevorrichtung. Diese Beugungseinrichtung weist ebenfalls streifenförmige Elektroden auf wenigstens einem Substrat auf. Die Ablenkung des Lichts in einer Richtung senkrecht zu der Ausrichtung der Elektrodenlinien erfolgt auch hier durch ein Einschreiben eines Beugungsgitters mit einer bestimmten Gitterperiode in die Beugungseinrichtung. Die Gitterperiode kann dabei variiert werden, um den Winkel der Lichtablenkung zu verändern. Es werden verschiedene Ausgestaltungen der Beugungseinrichtung beschrieben. Hierbei wird in einigen Ausgestaltungen ein out-of-plane elektrisches Feld zwischen jeweils einer streifenförmigen Elektrode auf einem ersten Substrat und einer flächigen oder ebenfalls streifenförmigen und parallel zur Elektrode des ersten Substrats verlaufenden Elektrode auf einem zweiten Substrat verwendet. Bei allen hier aufgeführten Elementen bzw. Einrichtungen des Standes der Technik erfolgt die Verwendung von in-plane-Feldern oder out-of-plane-Feldern in Kombination mit jeweils einem Flüssigkristall (LC - liquid crystal)-Mode, für den sich Beugungsgitter mit Hilfe der jeweiligen Felder einstellen lassen.

Beugungseinrichtungen mit erzeugten in-plane-Feldern können zum Beispiel auf einem HAN (hybrid aligned nematic)-Mode oder einem CI PR (continuous in plane rotation)-Mode basieren, wie in der US 8,860,896 B2 beschrieben.

Beugungseinrichtungen mit erzeugten out-of-plane-Feldern können beispielsweise auf einem ECB (electrically controlled birefringence)-Mode basieren, wobei sie auch auf Flüssigkristall- Moden basieren können, die smektische Flüssigkristalle verwenden, wobei die Flüssigkristallmoleküle im out-of-plane-Feld eine in-plane-Drehung durchführen können.

In einer holographischen Anzeigevorrichtung bzw. einem Display wird im Allgemeinen zur Betrachternachführung eine Lichtablenkung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung benötigt.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise wie in der US 2014/0055692 A1 beschrieben, ist bekannt, dafür eine Anordnung aus wenigstens zwei Beugungseinrichtungen einzusetzen. Dabei sind die Elektroden einer ersten Beugungseinrichtung und die Elektroden einer zweiten Beugungseinrichtung im Wesentlichen um 90 Grad zueinander gedreht angeordnet bzw. die beiden Beugungseinrichtungen zueinander gedreht vorgesehen. Beispielsweise lenkt dann die erste Beugungseinrichtung das auftreffende Licht in horizontaler Richtung ab, wobei die zweite Beugungseinrichtung das Licht in vertikaler Richtung ablenkt. Auch um eine Betrachternachführung in der Tiefe (z-Richtung) durchzuführen, werden wenigstens zwei Beugungseinrichtungen eingesetzt. In die wenigstens zwei Beugungseinrichtungen wird jeweils eine zylindrische Linsenfunktion eingeschrieben, wobei die wenigstens zwei gekreuzten zylindrischen Linsenfunktionen eine sphärische Linse annähern. Die Beugungseinrichtungen können beispielsweise auch um 45 Grad zu einer Horizontalen bzw. horizontalen Linie gedreht oder verkippt sein, so dass die erste Beugungseinrichtung das Licht um 45 Grad und die zweite Beugungseinrichtung das Licht um 135 Grad ablenkt.

Üblicherweise weist eine holographische Anzeigevorrichtung wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung und wenigstens zwei Beugungsreinrichtungen zur Lichtablenkung und somit zur Betrachternachführung auf.

Häufig weisen die Lichtmodulationseinrichtung wie auch die Beugungseinrichtungen auf wenigstens einem Substrat ITO (Indium tin oxide)-Elektroden auf, deren Brechungsindex sich vom Brechungsindex des umgebenden Substrats, z.B. Glas, und vom Brechungsindex der Flüssigkristallschicht deutlich unterscheidet. Durch eine Reflexion von Licht an den Grenzflächen zwischen der ITO-Elektrode und dem Substrat kann beispielsweise der Kontrast der dargestellten Szene beeinträchtigt werden. Durch Absorption von Licht in den ITO- Elektroden kann zudem die Helligkeit der dargestellten Szene gemindert sein. Ferner können durch eine zunehmende Anzahl von ITO-Elektrodenschichten in einer Anzeigevorrichtung diese Effekte noch verstärkt werden.

Aus dem Stand der Technik sind weitere Dokumente, wie z.B. die US 2013/0222384 A1 , bekannt, die alternative Einsatzmöglichkeiten von Beugungseinrichtungen offenbaren. Dort werden Beugungseinrichtungen verwendet, um beispielsweise einen großen Betrachtungswinkel bzw. ein großes Sichtfeld (Field of View) in einem Head-Mounted-Display (HMD) zu ermöglichen. Auch für derartige Anwendungen von Beugungseinrichtungen werden üblicherweise Paare aus je einer Beugungseinrichtung zur horizontalen Lichtablenkung und einer Beugungseinrichtung zur vertikalen Lichtablenkung oder zur horizontalen und vertikalen Fokussierung von Licht eingesetzt. Für einen Einsatz wenigstens einer Beugungseinrichtung in einem Head-Mounted-Display wäre insbesondere auch die Verwendung wenigstens einer reflektiven Beugungseinrichtung vorteilhaft, die beispielsweise auf einem Substrat reflektive Metallelektroden aufweist oder auch transparente Elektroden kombiniert mit einer anderweitigen wahlweise in Lichtdurchtrittsrichtung durch die Beugungseinrichtung vor oder nach den Elektroden angeordneten reflektiven Schicht, beispielsweise entweder einer Metallschicht oder einer dielektrischen Spiegelschicht.

Häufig werden jedoch Paare von Beugungseinrichtungen zur horizontalen und vertikalen Ablenkung von Licht ungefähr am selben Ort bzw. Position in einer holographischen Anzeigevorrichtung benötigt. Allerdings würde die Verwendung reflektiver Beugungseinrichtungen einen Mindestabstand zwischen der Beugungseinrichtung für eine vertikale Ablenkung und/oder vertikale Fokussierung des Lichts und der Beugungseinrichtung für eine horizontale Ablenkung und/oder horizontale Fokussierung des Lichts erfordern, damit im Lichtweg beide Beugungseinrichtungen vom modulierten Licht nacheinander korrekt durchlaufen werden.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Möglichkeit zu schaffen, die eine Reduzierung der Anzahl von benötigten Beugungseinrichtungen in einer Anzeigevorrichtung erlaubt.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit für reflektive Beugungseinrichtungen zu schaffen, die es erlaubt, eine Lichtablenkung in eine erste definierte Richtung und eine Lichtablenkung in eine zweite definierte Richtung ungefähr an der gleichen Position im Strahlengang einer Anzeigevorrichtung durchzuführen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein diffraktives optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wird erfindungsgemäß ein diffraktives optisches Element geschaffen, mit dem die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können. Das diffraktive optische Element weist ein erstes Substrat und ein zweites Substrat auf, zwischen denen eine Flüssigkristallschicht vorgesehen ist. Zudem weist das diffraktive optische Element streifenförmige Elektroden auf dem ersten Substrat und streifenförmige Elektroden auf dem zweiten Substrat auf, wobei die Elektroden auf dem ersten Substrat unter einem Winkel von größer als 50° zu den Elektroden auf dem zweiten Substrat angeordnet sind. Die Elektroden auf dem ersten Substrat und die Elektroden auf dem zweiten Substrat sind derart ansteuerbar, dass ein definiertes out-of-plane Feld in einem jeweiligen Überlappungsbereich der Elektroden auf dem ersten Substrat mit den Elektroden auf dem zweiten Substrat erzeugbar ist.

Die beiden Substrate sind hierzu parallel zueinander angeordnet und weisen jeweils streifenförmige Elektroden auf. Die Anzahl der Elektroden wie auch ihre Breite und ihr Abstand (Pitch) kann variieren, so dass das diffraktive optische Element je nach Anwendung eine unterschiedliche Anzahl an Elektroden aufweisen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jedoch die Elektrodenbreite und der Elektrodenabstand sowohl innerhalb eines Substrats als auch auf dem ersten und zweiten Substrat gleich. Es ist jedoch auch möglich, dass die Elektroden auf einem Substrat beispielsweise in einem Bereich einen definierten Abstand zueinander oder die gleiche Breite aufweisen und in einem anderen Bereich auf demselben Substrat einen anderen Abstand zueinander oder eine andere Breite aufweisen. Dies kann sowohl für das erste Substrat als auch für das zweite Substrat gelten. Die Elektroden auf dem ersten Substrat sind jedoch unter einem Winkel zu den Elektroden auf dem zweiten Substrat angeordnet. Vorteilhafterweise beträgt der Winkel > 50°. Vorzugsweise sind die Elektroden der beiden Substrate senkrecht zueinander bzw. unter einem Winkel von ca. 90° zueinander angeordnet. Die Flüssigkristallschicht, die zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat eingebettet ist, wird dabei durch ein out-of-plane Feld, das im Überlappungsbereich oder Kreuzungsbereich zwischen jeweils einer Elektrode auf dem ersten Substrat und einer Elektrode auf dem zweiten Substrat erzeugt wird, angesteuert. Hierbei wird ein Phasenprofil im diffraktiven optischen Element durch eine out-of-plane Orientierung oder eine in-plane-Orientierung von Flüssigkristallmolekülen der Flüssigkristallschicht, je nach angewandtem Flüssigkristall-Mode, erzeugt. Die an die Elektroden des ersten Substrats und des zweiten Substrats angelegte Spannung erzeugt jeweils ein out-of-plane Feld zwischen den einzelnen Elektroden der beiden Substrate, so dass die Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht sich je nach angewandtem Flüssigkristall-Mode drehen und entsprechend ausrichten. Durch ein derartig ausgebildetes diffraktives optisches Element ist es nicht nur möglich, das Licht in nur eine definierte Richtung zu lenken, sondern es erlaubt auch eine gleichzeitige Ablenkung des Lichts in zwei zueinander unterschiedliche Richtungen. Das bedeutet, dass das diffraktive optische Element auftreffendes Licht, je nach Ansteuerung der Elektroden, nur in eine definierte Richtung ablenken kann, jedoch auch, wenn dies gefordert wird, das Licht in zwei zueinander unterschiedliche Richtungen gleichzeitig ablenken bzw. richten kann. Vorteilhafterweise kann somit vorgesehen sein, dass das diffraktive optische Element derart ausgebildet ist, dass auftreffendes Licht in wenigstens eine Richtung ablenkbar ist.

Somit wird auf diese Weise ein diffraktives optisches Element geschaffen, das sowohl in eine erste Richtung als auch in eine, zur ersten Richtung unter einem Winkel vorgesehene zweite Richtung auftreffendes Licht ablenken kann. Das diffraktive optische Element kann daher als Beugungseinrichtung dienen. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element als Beugungseinrichtung zur Lichtablenkung in einer Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Informationen oder Szenen eingesetzt werden. Erfindungsgemäß kann somit in einer Anzeigevorrichtung nur ein einziges diffraktives optisches Element in Form einer Beugungseinrichtung für eine gleichzeitige Ablenkung des Lichts in eine im Wesentlichen horizontale Richtung und in eine im Wesentlichen vertikale Richtung verwendet werden. Somit sind zwei einzelne Beugungseinrichtungen, wie im Stand der Technik vorgesehen, nicht mehr notwendig. Eine Anzeigevorrichtung mit einem derartigen erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Element, das als Beugungseinrichtung eingesetzt wird, kann daher kompakter und kostengünstiger ausgestaltet werden.

Es ist auch möglich, das diffraktive optische Element zur Vergrößerung des Sichtfelds in einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise in einem Head-Mounted-Display, einzusetzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das diffraktive optische Element wenigstens ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode aufweist. Durch die Ansteuerung der Elektroden mittels einer angelegten definierten Spannung kann ein Beugungsgitter mit einer vorbestimmten und definierten Gitterperiode in das diffraktive optische Element eingeschrieben bzw. im diffraktiven optischen Element erzeugt werden. Die Gitterperiode ist dabei variabel. Die Gitterperiode kann durch Ändern der angelegten Spannungen an die Elektroden variiert werden, um den Winkel der Lichtablenkung zu verändern. Auf diese Weise kann ein definiertes Phasenprofil erzeugt und somit eine definierte Lichtablenkung mittels des diffraktiven optischen Elements realisiert werden. Vorteilhafterweise kann das diffraktive optische Element derart ausgebildet sein, dass zur Ablenkung von auf das diffraktive optische Element auftreffendem Licht in eine vorbestimmte Richtung ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode durch eine individuelle Ansteuerung der Elektroden auf nur einem Substrat erzeugbar ist.

Somit kann durch Einschreiben eines Beugungsgitters einer bestimmten Gitterperiode in das diffraktive optische Element mittels einer individuellen und unterschiedlichen Ansteuerung der Elektroden auf dem ersten Substrat oder auf dem zweiten Substrat eine Lichtablenkung in einer Richtung erfolgen. An die Elektroden des anderen Substrats werden keine verschiedenen Spannungswerte angelegt, sondern nur ein für alle gleicher Spannungswert angelegt. Die Richtung, in der das Licht abgelenkt wird, hängt von der Anordnung der Elektroden auf dem jeweiligen Substrat ab. Mit anderen Worten, sind die Elektroden auf dem Substrat, hierbei spielt es keine Rolle, ob es das erste Substrat oder das zweite Substrat ist, in horizontaler Richtung angeordnet, so erfolgt eine Ablenkung des Lichts vom erzeugten Beugungsgitter im diffraktiven optischen Element in vertikaler Richtung. Sind jedoch die Elektroden in vertikaler Richtung auf dem Substrat angeordnet, so erfolgt eine Lichtablenkung durch ein erzeugtes Beugungsgitter in horizontaler Richtung. Für eine Lichtablenkung in horizontaler Richtung mittels des diffraktiven optischen Elements muss somit das Substrat betrachtet werden, deren Elektroden mittels einer Steuereinrichtung angesteuert werden, die vertikal auf dem Substrat angeordnet sind. Dies könnte sowohl das erste Substrat als auch das zweite Substrat des diffraktiven optischen Elements betreffen. Die Lichtablenkung in nur einer Richtung kann zum Beispiel ausreichend sein, wenn das diffraktive optische Element als Beugungseinrichtung in einer Anzeigevorrichtung eingesetzt wird und nur in einer Richtung eine Nachführung des Lichts erfolgen muss, beispielsweise wenn sich ein Betrachter einer dargestellten Information oder Szene nur horizontal oder nur vertikal an eine andere Position bewegt hat, so dass der Betrachter dann weiterhin die dargestellte Szene betrachten kann.

Ist es jedoch erforderlich, das Licht in zwei zueinander unterschiedliche Richtungen abzulenken bzw. zu richten, beispielsweise wenn sich ein Betrachter sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung an eine neue Position begeben hat, dann kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zur Ablenkung von auf das diffraktive optische Element auftreffendem Licht in zwei vorbestimmte, unter einem Winkel zueinander vorliegende Richtungen zwei Beugungsgitter mit jeweils einer definierten Gitterperiode durch eine individuelle Ansteuerung der Elektroden auf dem ersten Substrat und der Elektroden auf dem zweiten Substrat gleichzeitig erzeugbar sind.

Die Lichtablenkung zusätzlich in einer zweiten, zur ersten Richtung unter einem Winkel vorliegenden Richtung, vorzugsweise senkrechten Richtung, kann durch ein zusätzliches Einschreiben bzw. Erzeugen eines Beugungsgitters mit einer bestimmten bzw. definierten Gitterperiode in dasselbe diffraktive optische Element durch eine individuelle Ansteuerung der Elektroden auf dem anderen Substrat erfolgen. Dadurch werden zwei Beugungsgitter mit jeweils definierten Gitterperioden im diffraktiven optischen Element gleichzeitig erzeugt. Die Elektroden des ersten Substrats und die Elektroden des zweiten Substrats können somit gleichzeitig mittels einer Ansteuereinrichtung angesteuert werden, so dass zwei Beugungsgitter mit zwei Phasenverläufen zur Ablenkung des Lichts in zwei unterschiedliche Richtungen gleichzeitig erzeugt werden. Beispielsweise kann eine erste Ablenkrichtung des Lichts die horizontale Richtung und eine zweite Ablenkrichtung des Lichts die vertikale Richtung oder umgekehrt sein. Durch Einschreiben unterschiedlicher Gitterperioden in das diffraktive optische Element auf dem einen Substrat und auf dem anderen Substrat können beispielsweise unterschiedliche Ablenkwinkel in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung realisiert werden. Die eingeschriebene Gitterperiode kann auch innerhalb eines Substrats oder innerhalb beider Substrate zum Beispiel vom Rand zur Mitte des Substrats hin variiert werden, um eine Linsenfunktion einzuschreiben. Beispielsweise kann eine Ablenkung in horizontaler Richtung mit einer Fokussierung in vertikaler Richtung kombiniert werden oder umgekehrt oder auch eine unterschiedlich starke Fokussierung in horizontaler und in vertikaler Richtung.

Daher kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Elektroden auf dem ersten Substrat im Wesentlichen horizontal und die Elektroden auf dem zweiten Substrat im Wesentlichen vertikal angeordnet sind oder dass die Elektroden auf dem ersten Substrat im Wesentlichen vertikal und die Elektroden auf dem zweiten Substrat im Wesentlichen horizontal angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Elektroden des ersten Substrats im Wesentlichen unter einem Winkel von ungefähr 90° zu den Elektroden des zweiten Substrats angeordnet. Die beiden Lichtablenkrichtungen liegen somit im Wesentlichen senkrecht zueinander. Dies entspricht im Wesentlichen einer vertikalen Lichtablenkrichtung und einer horizontalen Lichtablenkrichtung. Jedoch ist es, wie bereits erwähnt, auch möglich, dass die Elektroden der beiden Substrate unter einem Winkel von kleiner als 90° zueinander angeordnet sind. Vorteilhafterweise sollte jedoch der Winkel nicht kleiner als 50° sein, da sich sonst die Ablenkrichtungen des Lichts nicht mehr sonderlich unterscheiden.

Alternativ zu dieser Anordnung der Elektroden auf dem ersten Substrat und der Elektroden auf dem zweiten Substrat kann auch vorgesehen sein, dass die Elektroden auf dem ersten Substrat und die Elektroden auf dem zweiten Substrat jeweils unter einem Winkel zu einer horizontalen Linie angeordnet sind, wobei die Elektroden des ersten Substrats unter einem Winkel zu den Elektroden des zweiten Substrats vorgesehen sind.

Die streifenförmigen Elektroden können auch gegenüber der Horizontalen bzw. einer allgemeinen mathematischen horizontalen Linie unter einem definierten Winkel gedreht oder verkippt auf dem ersten Substrat wie auf dem zweiten Substrat angeordnet sein. Der Winkel, unter dem die Elektroden auf dem jeweiligen Substrat angeordnet werden, kann in einem Bereich zwischen 0° und 90° liegen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° und 60°. Bevorzugt ist jedoch ein Winkel von ca. 45°. Die Elektroden des ersten Substrats sind wiederum unter einem Winkel, beispielsweise einem Winkel zwischen 50° und 90°, zu den Elektroden des zweiten Substrats angeordnet. Werden beispielsweise die Elektroden auf dem ersten Substrat unter einem Winkel von ca. 45° zur horizontalen Linie und die Elektroden auf dem zweiten Substrat unter einem Winkel von ca. 135° zur horizontalen Linie angeordnet, dann würde eine Ablenkung des Lichts unter ca. 45° in eine erste Richtung und eine Ablenkung des Lichts unter ca. 135° in eine zweite Richtung erfolgen. Selbstverständlich kann die Anordnung der Elektroden auf den zwei Substraten auch umgekehrt erfolgen, so dass eine erste Lichtablenkung unter ca. 135° und eine zweite Lichtablenkung unter 45° erfolgen würde. Natürlich können die Elektroden auch unter anderen Winkeln zur Horizontalen auf den Substraten angeordnet sein.

Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass in den nebeneinander liegenden Überlappungsbereichen der Elektroden des ersten Substrats mit den Elektroden des zweiten Substrats unterschiedliche elektrische out-of-plane Felder vorliegen, die sich periodisch wiederholen.

Dies liegt vor, wenn gleichzeitig zwei Beugungsgitter mit jeweils einer definierten Gitterperiode im diffraktiven optischen Element erzeugt werden sollen. Auf diese Weise wird ein definiertes out-of-plane Feld realisiert.

Bei einem gleichzeitigen Erzeugen eines ersten Beugungsgitters für eine Lichtablenkung in eine erste definierte Richtung und eines zweiten Beugungsgitters für eine Lichtablenkung in eine zweite definierte Richtung können der Feldlinienverlauf des zwischen den Elektroden des ersten Substrats und den Elektroden des zweiten Substrats erzeugten elektrischen Feldes in der Flüssigkristallschicht zur Erzeugung des ersten Beugungsgitters und der Feldlinienverlauf des elektrischen Feldes zur Erzeugung des zweiten Beugungsgitters unterschiedlich sein. Das heißt, die Änderung des elektrischen Feldes von einer Elektrode zur nächsten Elektrode kann für die Elektroden auf dem ersten Substrat anders eingestellt sein als für die Elektroden auf dem zweiten Substrat.

Insbesondere können die Elektroden auf einem Substrat, zum Beispiel dem ersten Substrat, alle mit unterschiedlichen Spannungswerten angesteuert werden, wobei die Spannungen sich periodisch mit einer bestimmten Gitterperiode, bezüglich des ersten Substrats mit einer ersten Gitterperiode, wiederholen. Die Elektroden auf dem anderen Substrat, beispielsweise dem zweiten Substrat, können ebenfalls mit unterschiedlichen Spannungswerten angesteuert werden, wobei sich die Spannungen ebenfalls mit einer bestimmten Gitterperiode, bezüglich des zweiten Substrats mit einer zweiten Gitterperiode, wiederholen. Die (erste und zweite) Gitterperiode(n) können wahlweise gleich oder verschieden sein, das heißt die Gitterperioden auf dem ersten Substrat und auf dem zweiten Substrat sind unabhängig voneinander einstellbar.

Alternativ können die Elektroden auf einem Substrat auch mit unterschiedlichen Spannungswerten so angesteuert werden, dass sich lokal über einen kleinen Bereich, beispielsweise über einige zehn Elektroden, die Spannungen periodisch wiederholen, dass jedoch über größere Bereiche, beispielsweise über einige Tausend Elektroden, die Gitterperiode verändert wird. Beispielsweise könnte über 40 Elektroden 10mal die Periode 4 eingeschrieben werden und dann über die nächsten 50 Elektroden 10mal die Periode 5 eingeschrieben werden.

Dies kann beispielsweise verwendet werden, um diffraktive Strukturen wie Linsenfunktionen einzuschreiben, wobei die Erfindung nicht auf einfache Linsenfunktionen beschränkt sein soll, sondern beliebige Strukturen umfasst. Wiederum kann unabhängig auf dem einen Substrat die vorgesehene Gitterperiode in einer definierten Richtung mit dem Ort verändert werden. Auf dem anderen Substrat kann die andere vorgesehene Gitterperiode in einer anderen, z.B. dazu senkrechten, definierten Richtung mit dem Ort verändert werden. Beispielsweise kann auf dem ersten Substrat in horizontaler Richtung eine über die horizontale Ausdehnung des Substrats gleiche Gitterperiode eingeschrieben werden, um in horizontaler Richtung Licht unter einem vorgegebenen Winkel abzulenken. Auf dem zweiten Substrat kann aber in vertikaler Richtung eine über die vertikale Ausdehnung des Substrats variierende Gitterperiode eingeschrieben werden.

Es können außer Linsenfunktionen beispielsweise auch unterschiedliche Phasenfunktionen zur Aberrationskorrektur jeweils auf dem einen Substrat und auf dem anderen Substrat eingeschrieben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung nur eines Beugungsgitters im diffraktiven optischen Element eine Ansteuerung der Elektroden auf einem Substrat mit gleichen Spannungswerten und eine Ansteuerung der Elektroden auf dem anderen Substrat mit jeweils unterschiedlichen, sich periodisch wiederholenden Spannungswerten mittels einer Steuereinrichtung vorgesehen ist. Beispielsweise können die Elektroden auf einem Substrat, z.B. das erste Substrat, alle mit einem Spannungswert von 0 Volt angesteuert werden, wobei die Elektroden auf dem anderen Substrat, z.B. das zweite Substrat, jeweils mit unterschiedlichen Spannungswerten angesteuert werden, z.B. mit 0 Volt, 2,66 Volt und 5,33 Volt. Diese angelegten Spannungen wiederholen sich periodisch, je nach geforderter Gitterperiode im zu erzeugenden Beugungsgitter im diffraktiven optischen Element. Dadurch kann eine Lichtablenkung nur in einer definierten Richtung mittels des erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elements realisiert und erreicht werden.

Sowohl bei der Erzeugung nur eines Beugungsgitters als auch bei der Erzeugung von zwei unterschiedlichen Beugungsgittern im diffraktiven optischen Element ist die Gitterperiode selbstverständlich nicht auf das hier verwendete einfache Beispiel mit nur 3 Elektroden beschränkt, sondern kann insbesondere auch längere Gitterperioden, beispielsweise von 20 oder 100 Elektroden, und komplexere Spannungsverläufe aufweisen.

Erfindungsgemäß kann ein Flüssigkristallmode vorgesehen sein, mit dem über ein out-of-plane Feld wenigstens ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode erzeugbar ist.

Die Erfindung verwendet Flüssigkristallmoden, für die sich durch ein out-of-plane elektrisches Feld eine periodische Beugungsstruktur zur Erzeugung eines Beugungsgitters in das diffraktive optische Element einschreiben lässt.

Geeignete Flüssigkristallmoden können beispielsweise der ECB-Mode (electrically controlled birefringence mode), der ULH-Mode (uniformly lying helix mode) oder auch der VA-Mode (vertical alignment mode) sein. Mit anderen Worten, ein vorteilhaft vorgesehener Flüssigkristallmode kann ein ECB-Mode, ein ULH-Mode oder ein VA-Mode sein.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein ECB-Mode verwendet werden, bei dem sich die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht im out-of-plane Feld auch out-of-plane drehen. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann bevorzugt linear polarisiertes Licht verwendet werden.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht verwendet werden, die im out-of-plane Feld im Wesentlichen eine in-plane Drehung ihrer optischen Achse aufweisen. Dies können smektische Flüssigkristalle oder auch cholesterische Flüssigkristalle sein. Beispielsweise werden beim ULH-Mode cholesterische Flüssigkristalle verwendet. Beim Einsatz von smektischen oder cholesterischen Flüssigkristallen und den entsprechenden Flüssigkristallmoden kann bevorzugt zirkular polarisiertes Licht verwendet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Phasenmodulation des Lichts in der Flüssigkristallschicht von > 2TT, vorzugsweise von > 4TT, realisierbar ist.

In der Flüssigkristallschicht soll vorteilhafterweise ein Bereich der Phasenmodulation des Lichts von größer 2p vorgesehen sein. Das heißt, bei einem Anlegen eines elektrischen Feldes lässt sich durch Wahl der Feldstärke die Phase zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert einstellen und die Differenz des maximalen Wertes und des minimalen Wertes beträgt mehr als 2TT.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform soll mit der Flüssigkristallschicht ein Bereich der Phasenmodulation des Lichts von wenigstens 4TT, d.h. > 4TT, einstellbar sein. Dies gilt für transmissiv ausgebildete diffraktive optische Elemente. Um hierbei eine Phasenmodulation von > 4p innerhalb der Flüssigkristallschicht zu realisieren, kann die Dicke der Flüssigkristallschicht entsprechend angepasst werden, d.h. die Flüssigkristallschicht weist dann eine größere Dicke auf als beispielsweise eine Flüssigkristallschicht eines reflektiv ausgebildeten diffraktiven optischen Elements.

Im Falle eines reflektiv ausgebildeten diffraktiven optischen Elements soll sich dieser Wert für die maximale Phasenmodulation des Lichts von > 4p auf den doppelten Durchgang des Lichts, d.h. auf den Hinweg und auf den Rückweg des Lichts, durch die Flüssigkristallschicht beziehen. Für viele Flüssigkristall-Moden führt ein doppelter Durchgang des Lichtes durch die Flüssigkristallschicht auch zu einer Verdopplung der Phasenmodulation. Für einen ECB-Mode würde beispielsweise eine Phasenmodulation von > 2p im einfachen Durchgang des Lichtes durch die Flüssigkristallschicht einer Phasenmodulation von > 4p im doppelten Durchgang entsprechen.

Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Bereich der Phasenmodulation wählbar ist, der ein lineares Verhalten der Phase des Lichts in Abhängigkeit von der an die Elektroden wenigstens eines Substrats angelegten Spannung mittels wenigstens einer Steuereinrichtung aufweist.

Erfindungsgemäß wird ein Bereich der Phasenmodulation in der Flüssigkristallschicht genutzt, der näherungsweise einen linearen Zusammenhang der Phase mit der an die Elektroden der Substrate angelegten Spannung und folglich mit dem angelegten out-of-plane Feld aufweist.

Für einen in einer Flüssigkristallschicht verwendeten ECB-Mode ergibt sich beispielsweise häufig eine näherungsweise S-förmige Kurve für die Abhängigkeit der Phasenmodulation von der angelegten Spannung an eine Elektrodenanordnung. Bei sehr kleinen wie auch bei sehr großen Phasenwerten weicht gemäß der S-förmigen Kurve die Abhängigkeit der Phase von der angelegten Spannung deutlich vom gewünschten linearen Verhalten ab. Für mittlere Phasenwerte ist die Änderung des Phasenwertes mit der angelegten Spannung jedoch ungefähr linear. Erfindungsgemäß wird nur der lineare Abschnitt einer Kurve für die Abhängigkeit der Phasenmodulation von der an die Elektroden der Substrate angelegten Spannung genutzt. Die maximale Phasenmodulation des Lichts in der Flüssigkristallschicht wird vorzugsweise so groß gewählt, z.B. > 5TT, SO dass auch der Teil der Phasenmodulation, der dem Bereich mit einem linearen Verhalten der Phase des Lichts zur angelegten Spannung an die Elektroden der Substrate entspricht, einen Phasenmodulationsbereich von ungefähr 4p umfasst.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung ist das diffraktive optische Element reflektiv ausgebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das diffraktive optische Element reflektiv ausgebildet sein und einen Flüssigkristall-Mode aufweisen, bei dem Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht im out-of-plane Feld eine in-plane Drehung ihrer optischen Achsen vornehmen. Hierfür kann die Flüssigkristallschicht beispielsweise smektische Flüssigkristalle aufweisen oder als Flüssigkristall-Mode der ULH-Mode verwendet werden.

Erfindungsgemäß kann das diffraktive optische Element transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Objekte oder Szenen vorgesehen. Die Anzeigevorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung, wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung und wenigstens ein erfindungsgemäßes diffraktives optisches Element auf.

Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung sein, mit der auf holographische Weise vorzugsweise dreidimensionale Szenen oder Objekte rekonstruiert und wenigstens einem Betrachter dargeboten werden. Die Beleuchtungseinrichtung, die wenigstens einen Laser oder eine Leuchtdiode (LED) als wenigstens eine Lichtquelle aufweisen kann, sendet hierzu wenigstens annähernd kohärentes Licht aus, das auf die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung entsprechend gerichtet wird. Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung moduliert dieses Licht mit der entsprechend darzustellenden Information und rekonstruiert mit Hilfe eines optischen Systems die darzustellende Szene oder das Objekt. Das erfindungsgemäße diffraktive optische Element kann dabei in der Anzeigevorrichtung derart eingesetzt und angeordnet werden, dass es als Beugungseinrichtung wirkt und das auf ihn auftreffende Licht in wenigstens eine definierte Richtung ablenkt oder ein vergrößertes Sichtfeld erzeugt. Dieses diffraktive optische Element kann in einer Ausführungsform somit als Nachführelement in der Anzeigevorrichtung vorgesehen und kann dann in der Anzeigevorrichtung bei einem Positionswechsel eines Betrachters entsprechend, wie beschrieben, angesteuert werden, so dass das Licht vom diffraktiven optischen Element an eine neue Position des Betrachters zur Anzeigevorrichtung gerichtet wird. Um die Position des Betrachters festzustellen bzw. zu erfassen, kann die Anzeigevorrichtung ein Positionsdetektionssystem, beispielsweise eine Kamera, aufweisen. Dadurch kann der Betrachter auch an seiner neuen Position die dargestellte Szene betrachten. In einer anderen Ausführungsform kann das diffraktive optische Element zu einer segmentierten Mehrfachabbildung einer Lichtmodulationseinrichtung eingesetzt werden, um beispielsweise ein vergrößertes Sichtfeld zu erzeugen .-

In einer weiteren Ausführungsform kann das diffraktive optische Element zum Beispiel in einer Anzeigevorrichtung, die eine Abbildung einer Lichtmodulationseinrichtung erzeugt, zum Beispiel in einem Head-Up-Display oder einem Head-Mounted-Display, verwendet werden, um die Tiefenebene des Bildes der Lichtmodulationseinrichtung zu verschieben.

Eine Anzeigevorrichtung kann beispielsweise auch zwei erfindungsgemäße diffraktive optische Elemente aufweisen, eines zur Betrachternachführung in lateraler Richtung und in der Tiefenrichtung (z-Richtung) und ein weiteres diffraktives optisches Element zur segmentierten Mehrfachabbildung einer Lichtmodulationseinrichtung und einer Verschiebung der Tiefenebene der Segmente der Mehrfachabbildung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung zur Aussendung von polarisiertem Licht vorgesehen ist.

Hierbei kann linear polarisiertes Licht wie auch zirkular polarisiertes Licht verwendet werden. Die Verwendung von linear polarisiertem Licht ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem ECB-Mode als Flüssigkristall-Mode, bei dem sich die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle im out-of-plane Feld auch out-of-plane drehen.

Bevorzugt zirkular polarisiertes Licht kann angewandt werden, wenn der Flüssigkristall-Mode ein ULH-Mode ist, d.h. bei cholesterischen Flüssigkristallen in der Flüssigkristallschicht, oder bei der Verwendung von smektischen Flüssigkristallen in der Flüssigkristallschicht. Diese Flüssigkristalle führen in einem erzeugten out-of-plane Feld im Wesentlichen eine in-plane Drehung ihrer optischen Achsen aus.

Zur Ansteuerung der Elektroden auf dem ersten Substrat und/oder der Elektroden auf dem zweiten Substrat kann erfindungsgemäß wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen sein. Die wenigstens eine Steuereinrichtung kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie an die Elektroden des ersten Substrats als auch an die Elektroden des zweiten Substrats eine geforderte Spannung anlegen kann, so dass sich zwischen den beiden Substraten in der Flüssigkristallschicht ein out-of-plane (elektrisches) Feld ausbreitet bzw. erzeugt wird.

Es könnten auch in einer anderen Ausgestaltung die Elektroden des ersten Substrats mit einer Steuereinrichtung und die Elektroden des zweiten Substrats mit einer weiteren Steuereinrichtung angesteuert werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und/oder die beschriebenen Ausführungsbeispiele bzw. Ausgestaltungen miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen, in denen auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert werden. Die Erfindung wird dabei anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert, soll jedoch nicht auf diese beschränkt sein. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 : in einer schematischen Darstellung einen Flüssigkristall-Mode, insbesondere einen ECB-Mode, in einer Flüssigkristallschicht, nach dem Stand der Technik;

Fig. 2: in einer schematischen Darstellung eine Beugungseinrichtung nach dem Stand der

Technik, die den ECB-Mode verwendet;

Fig. 3: in einer schematischen Darstellung eine weitere Beugungseinrichtung nach dem

Stand der Technik;

Fig. 4: eine prinzipmäßige Darstellung von zwei Beugungseinrichtungen nach dem

Stand der Technik bei Verwendung des ECB-Modes zur Lichtablenkung, in der Draufsicht;

Fig. 5: eine prinzipmäßige Darstellung eines erfindungsgemäßen diffraktiven optischen

Elements ohne Anlegen eines elektrischen Feldes, in perspektivischer Ansicht;

Fig. 6: in einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße diffraktive optische

Element gemäß Fig. 5 bei Anliegen eines elektrischen Feldes, in perspektivischer Ansicht;

Fig. 7: in der Draufsicht in einer schematischen Darstellung das diffraktive optische

Element gemäß der Fig. 6 zur Erläuterung des erzeugten elektrischen Feldes;

Fig. 8: eine prinzipmäßige Darstellung einer Beugungseinrichtung nach dem Stand der

Technik, die einen Flüssigkristall-Mode verwendet, deren Phasenmodulation vom Vorzeichen der angelegten Spannung abhängig ist, in der Draufsicht;

Fig. 9: eine prinzipmäßige Darstellung eines erfindungsgemäßen diffraktiven optischen

Elements bei Verwendung eines Spannungsvorzeichen abhängigen Flüssigkristall-Mode;

Fig. 10 in einer graphischen Darstellung eine S-förmige Kurve für die Abhängigkeit der

Phasenmodulation von der angelegten Spannung an eine Elektrodenanordnung, bei einem verwendeten ECB-Mode in einer Flüssigkristallschicht; und Fig. 1 1 : eine prinzipmäßige Darstellung einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung in der Draufsicht.

Es soll kurz erwähnt werden, dass gleiche Elemente/Bauteile/Komponenten auch die gleichen Bezugszeichen in den Figuren aufweisen können.

Gemäß Fig. 1 soll allgemein der Flüssigkeits-Mode ECB, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, kurz beschrieben werden. Zur Erläuterung des ECB-Modes ist ein optisches Element dargestellt, an dem in der linken Darstellung a) der Fig. 1 keine Spannung angelegt ist, wohingegen in der Darstellung b), rechts, eine Spannung an dem optischen Element anliegt. Das optische Element gemäß Fig. 1 weist zwei Substrate S1 und S2 auf, die sich parallel gegenüberliegen. Die zwei Substrate S1 und S2 weisen jeweils eine flächige Elektrode E1 , E2 auf. Eine Flüssigkristallschicht LL, die Flüssigkristallmoleküle LM aufweist, ist zwischen den beiden Substraten S1 und S2 vorgesehen. Jeweils zwischen der Elektrode E1 und E2 und der Flüssigkristallschicht LL ist eine Orientierungsschicht (alignment layer) AL1 , AL2 angeordnet, die zur Vororientierung der Flüssigkristallmoleküle LM vorgesehen ist. Orientierungsschichten sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen wird, zumal eine detaillierte Beschreibung dieser Orientierungsschicht keine wesentlichen Merkmale zur vorliegenden Erfindung beiträgt. Im Fall des ECB-Modes sind die Flüssigkristallmoleküle bei einem Nicht-Anliegen eines elektrischen Feldes aufgrund der Orientierungsschicht AL1 , AL2 im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche orientiert, wie in der Darstellung a) der Fig. 1 gezeigt. Im Fall des ECB-Modes ist die Orientierung auf den beiden Substraten S1 und S2 antiparallel zueinander eingestellt.

Werden nun gemäß der Darstellung b) der Fig. 1 an die Elektroden E1 und E2 der Substrate S1 und S2 unterschiedliche Spannungen Va, Vb angelegt, so stellt sich zwischen den Elektroden E1 und E2 ein elektrisches out-of-plane Feld ein. Dieses out-of-plane Feld ist durch den gepunktet dargestellten Pfeil angedeutet. Das out-of-plane Feld richtet dabei die Flüssigkristallmoleküle LM vertikal aus. Mit anderen Worten, durch das out-of-plane Feld werden die Flüssigkristallmoleküle LM von ihrer parallelen Ausrichtung zur Oberfläche des Substrats S1 , S2 in eine zur Substratoberfläche senkrechten Ausrichtung gezwungen. Die dabei erzielte senkrechte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle LM erfolgt jedoch unterschiedlich stark, je nach Stärke des angelegten Feldes bzw. je nach angelegtem Spannungswert an die Elektroden E1 und E2.

Je nach Polarisationszustand des auf das optische Element auftreffenden Lichts führt diese Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle LM im elektrischen Feld entweder zu einer Polarisationsdrehung des Lichts, die zur Amplitudenmodulation des Lichts genutzt werden kann, oder zu einer Phasenmodulation. Eine Phasenmodulation des Lichts kann insbesondere dann vorgenommen werden, wenn linear polarisiertes Licht verwendet wird, dessen Polarisationsrichtung parallel zur, der durch die Orientierungsschicht erzeugten Orientierung der Flüssigkristallmoleküle ist.

In Fig. 2 ist prinzipmäßig in einer Seitenansicht die Verwendung des ECB-Modes in einer Beugungseinrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Beugungseinrichtung weist zwei Substrate S1 und S2 auf, zwischen den eine Flüssigkristallschicht LL angeordnet ist. Das Substrat S1 weist auch hier eine flächige Elektrode E1 auf, während auf dem Substrat S2 mehrere einzelne lineare Elektroden E2 bis EN vorgesehen sind. Diese Elektroden E2 bis EN sind parallel zueinander auf dem Substrat S2 angeordnet. Die beiden Substrate S1 und S2 weisen hier nicht dargestellte Orientierungsschichten auf, die zur Vororientierung der Flüssigkristallmoleküle LM in der Flüssigkristallschicht LL dienen. Die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle LM erfolgt hier mittels der Orientierungsschichten parallel zu den Substraten S1 und S2 und in senkrechter Ausrichtung zu den einzelnen Elektroden E2, ..., E _N des Substrats S2.

Durch Anlegen von unterschiedlichen Spannungen V0, V1 , V2, V3 an die einzelnen linearen Elektroden E2, E3, E4, E5, E6, ..., EN auf dem Substrat S2 und durch Anlegen einer Spannung V0 an die flächige Elektrode E1 auf dem Substrat S1 werden jeweils unterschiedliche elektrische Felder zwischen den einzelnen Elektroden E2, E3, E4,..., E _N und der flächigen Elektrode E1 erzeugt, die zu einer entlang des dargestellten Pfeils, d.h. hier vertikalen, unterschiedlich starken Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle LM führen. Wie in Fig. 2 ersichtlich wiederholen sich die angelegten Spannungen V0, V1 , V2 und V3 in periodischer Weise. Auf diese Weise kann eine je Elektrode E2, ..., E _N unterschiedliche Phasenmodulation eingestellt werden.

In Fig. 3 ist in Seitenansicht eine Beugungseinrichtung gemäß der Fig. 2 nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei jedoch die Flüssigkristallmoleküle LM aufgrund der auch hier nicht dargestellten Orientierungsschichten ebenfalls parallel zu den Substraten S1 und S2 aber nun parallel zu den einzelnen linearen Elektroden E2, E3, E4, E5, E6, ..., EN auf dem Substrat S2 ausgerichtet sind. In Fig. 3 ist somit die Projektion auf die kurze Achse der Flüssigkristallmoleküle LM gezeigt. Auch hier werden gemäß der in Fig. 2 beschriebenen Beugungseinrichtung unterschiedliche elektrische Felder zwischen der flächigen Elektrode E1 und den einzelnen Elektroden E2, ..., EN erzeugt, die zur entsprechenden Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle LM führen.

Im Folgenden wird zunächst ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik näher erläutert. Auch hier soll unter Anwendung eines ECB-Modes der Vergleich erfolgen. Die Fig. 4 zeigt nach dem Stand der Technik die Verwendung von zwei Beugungseinrichtungen in einer Draufsicht, wie sie beispielsweise in der US 2014/0055692 A1 in einer Anzeigevorrichtung als Nachführeinrichtungen des Lichts eingesetzt werden können. Für eine vereinfachende Erklärung wird eine lineare Abhängigkeit der eingestellten Phase von der angelegten Spannung an eine Elektrodenanordnung der Beugungseinrichtungen angenommen. Eine erste Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung a) der Fig. 4 weist vertikal angeordnete streifenförmige bzw. lineare Elektroden E2, E3, ..., EN auf einem ersten Substrat und eine flächige Elektrode E1 auf einem zweiten Substrat, das hier wie auch das erste Substrat aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist, auf. Die beiden Substrate S1 und S2 sind parallel und möglichst deckungsgleich zueinander angeordnet. Aufgrund der Darstellung der Beugungseinrichtung in einer Draufsicht und aus Übersichtlichkeitsgründen ohne die Darstellung der Substrate S1 und S2 sowie eventuell vorhandener Schichten, wie beispielsweise Orientierungsschichten, oder einer Flüssigkristallschicht, liegen die Elektroden E2, E3, ..., E _N und die flächige Elektrode E1 übereinander, so dass hier nur die Elektrodenanordnung betrachtet werden soll. In diese Beugungseinrichtung wird ein Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von vier Elektroden eingeschrieben und erzeugt. Dazu werden durch Anlegen geeigneter Spannungen an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., E _N und einer geeigneten Spannung an die flächige Elektrode E1 jeweils zwischen den streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN und der flächigen Elektrode E1 elektrische Felder erzeugt und sich periodisch wiederholende Phasenwerte 0; 0,5tt; p und 1 ,5p in die Beugungseinrichtung eingeschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt dies, indem an die flächige Elektrode E1 eine Spannung von 0 Volt (0V) angelegt und an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN die sich periodisch wiederholenden Spannungen 0 Volt (0V), 2 Volt (2V), 4 Volt (4V) und 6 Volt (6V) angelegt werden.

Bei Verwendung eines ECB-Modes ist die eingestellte Phase der Flüssigkristallmoleküle in einer Flüssigkristallschicht nicht vom Vorzeichen, sondern nur vom Betrag der angelegten Spannung an die vorliegenden Elektroden abhängig. Daher könnten in diesem Ausführungsbeispiel stattdessen auch Spannungen von 0 Volt, -2 Volt, -4 Volt und -6 Volt angelegt werden, um das gleiche Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von vier Elektroden einzustellen bzw. zu erzeugen.

In der Darstellung b) der Fig. 4 ist eine zweite Beugungseinrichtung dargestellt, die nun im Gegensatz zur ersten Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung a) der Fig. 4 horizontal angeordnete streifenförmige bzw. lineare Elektroden E2, E3, ..., EN auf einem ersten Substrat und eine flächige Elektrode E1 auf einem zweiten Substrat aufweist. Auch hier soll aus Übersichtlichkeitsgründen nur die Elektrodenanordnung betrachtet werden. Gemäß der Darstellung b) wird ein Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von drei Elektroden in die Beugungseinrichtung eingeschrieben und erzeugt. Dazu werden hier durch Anlegen geeigneter Spannungen zwischen den streifenförmigen Elektroden E2, E3, E _N und der flächigen Elektrode E1 sich periodisch wiederholende Phasenwerte 0, 0,66p und 1 ,33p eingeschrieben. Dies erfolgt durch Anlegen entsprechender Spannungen zwischen der flächigen Elektrode E1 mit einer Spannung von 0 Volt (0V) und den streifenförmigen Elektroden E2, E3, E4, ... , EN mit Spannungen von 0 Volt (0V), 2,66 Volt (2,66V) und 5,33 Volt (5,33V), um diese Phasenwerte einzustellen.

Mittels der ersten Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung a) erfolgt eine Lichtablenkung in horizontaler Richtung. Mittels der zweiten Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung b) erfolgt eine Lichtablenkung in vertikaler Richtung.

In Fig. 5 ist nun in perspektivischer Ansicht ein diffraktives optisches Element gemäß der Erfindung dargestellt. Das diffraktive optische Element weist ein erstes Substrat 10 und ein zweites Substrat 1 1 auf. Das erste Substrat 10 weist horizontale streifenförmige bzw. lineare Elektroden 12 auf, wobei das zweite Substrat 1 1 vertikale streifenförmige bzw. lineare Elektroden 13 aufweist. Selbstverständlich kann auch das erste Substrat 10 streifenförmige Elektroden aufweisen, die in vertikaler Richtung ausgerichtet und angeordnet sind und das zweite Substrat streifenförmige Elektroden, die in horizontaler Richtung ausgerichtet und angeordnet sind oder die Elektroden 12 und 13 können auch jeweils unter einem Winkel zu einer horizontalen Linie auf ihren Substraten angeordnet sein. Die streifenförmigen Elektroden

12 auf dem ersten Substrat wie auch die streifenförmigen Elektroden 13 auf dem zweiten Substrat 1 1 sind jeweils zueinander parallel angeordnet. Auf diese Weise wird ein diffraktives optisches Element geschaffen, das auf beiden Substraten 10, 1 1 streifenförmige Elektroden 12,

13 aufweist, die zudem noch zueinander gekreuzt sind. Mit anderen Worten, die Elektroden 12 auf dem ersten Substrat 10 sind unter einem Winkel, hier ca. 90°, zu den Elektroden des zweiten Substrats 11 angeordnet, so dass die Elektroden 12 und 13 zueinander gekreuzte Elektrodenanordnungen bilden. Zwischen den beiden Substraten 10 und 1 1 , die zueinander parallel ausgerichtet und angeordnet sind, ist eine Flüssigkristallschicht 14 vorgesehen, die Flüssigkristallmoleküle 15 aufweist. Auf den beiden Substraten 10 und 1 1 sind Orientierungsschichten 16 und 17 aufgebracht, die eine Vororientierung der Flüssigkristallmoleküle 15 in der Flüssigkristallschicht 14 realisieren. Die Orientierungsschichten 16 und 17 sind hier derart auf den Substraten 10 und 11 , beispielsweise mittels Rubbing, aufgebracht, dass sich die Flüssigkristallmoleküle 15 parallel zum zweiten Substrat 11 und parallel zu den darauf vorgesehenen Elektroden 13 und parallel zum ersten Substrat 10 aber senkrecht zu den darauf angeordneten Elektroden 12 vororientieren.

Das diffraktive optische Element gemäß Fig. 5 ist in dem Zustand gezeigt, bei dem an den Elektroden 12 und 13 des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 11 keine Spannung anliegt, so dass sich innerhalb der Flüssigkristallschicht 14 kein elektrisches Feld ausbreiten kann.

Durch ein Anlegen von periodischen Spannungen an die Elektroden 12 des ersten Substrats 10 und an die Elektroden 13 des zweiten Substrats 11 können zwei Beugungsgitter jeweils mit einer definierten Gitterperiode in das diffraktive optische Element eingeschrieben und erzeugt werden. Die Gitterperiode ist dabei für die beiden Beugungsgitter unabhängig voneinander variabel einstellbar. Eine Erzeugung von zwei Beugungsgittern im diffraktiven optischen Element ist perspektivisch in Fig. 6 dargestellt, wobei das gleiche diffraktive optische Element wie in Fig. 5 gezeigt verwendet wird. Da in Fig. 5 und Fig. 6 die Elektroden 12 des ersten Substrats 10 unter einem Winkel von ca. 90° zu den Elektroden 13 des zweiten Substrats 1 1 angeordnet sind und die Ausrichtung der Elektroden 12 in horizontaler Richtung und die Ausrichtung der Elektroden 13 in vertikaler Richtung vorliegt, wird somit ein horizontal vorliegendes Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode und ein vertikal vorliegendes Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode in das diffraktive optische Element eingeschrieben und erzeugt. Die Erzeugung der beiden Beugungsgitter erfolgt dabei gleichzeitig. Auf diese Weise kann mit nur einem einzelnen optischen Element das Licht gleichzeitig in zwei unterschiedliche, unter einem Winkel vorliegende Richtungen abgelenkt werden. Die Elektroden 12 und 13 können jedoch auch unter einem Winkel zu einer horizontalen Linie auf den Substraten 10 und 11 angeordnet werden. Beispielsweise könnten die Elektroden 12 unter einem Winkel von ca. 45° zu der horizontalen Linie und die Elektroden 13 unter einem Winkel von ca. 135° zu der horizontalen Linie auf den Substraten 10 und 11 angeordnet werden. Auch ist möglich, dass die Elektroden 12 und 13 nicht genau senkrecht, d.h. unter einem Winkel von 90°, zueinander angeordnet sind. Somit könnten die Elektroden 12 und 13 auch unter einem Winkel von beispielsweise ca. 80° zueinander angeordnet werden, wobei bevorzugt der Winkel größer als 50° sein sollte.

In Fig. 6 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur für zwei Elektroden 12 des ersten Substrats 10 und für zwei Elektroden 13 des zweiten Substrats 11 das Anliegen eines elektrischen Feldes dargestellt. An die Elektroden 13 des zweiten Substrats 1 1 werden hierzu Spannungen Vu1 und Vu2 und an die Elektroden 12 des ersten Substrats werden Spannungen Vo1 und Vo2 mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung angelegt. Die Spannung Vu1 unterscheidet sich dabei im Wert von der Spannung Vu2, wobei sich die Spannung Vo1 im Wert von der Spannung Vo2 unterscheidet. Jeweils im Überlappungsbereich bzw. im Kreuzungsbereich einer unteren und einer oberen Elektrode ergibt sich dabei ein bestimmtes elektrischen Feld, z.B. Vo1 -Vu1 oder Vo1-Vu2 oder Vo2-Vu1 oder Vo2-Vu2. Je höher der angelegte Spannungswert an eine Elektrode 12, 13 ist, desto größer ist die Bewegung der Flüssigkristallmoleküle im elektrischen Feld, d.h. die out-of-plane Drehung der optischen Achse der Flüssigkristallmoleküle ist größer. Wie in Fig. 6 ersichtlich, liegt an einer Elektrode 13 des zweiten Substrats 1 1 eine Spannung Vu2 an, die einen höheren Spannungswert aufweist als der Spannungswert Vu1 , der an einer anderen Elektrode 13 des zweiten Substrats 11 anliegt. Somit bildet sich ein out-of- plane Feld zwischen den Elektroden 12 und 13 aus, wobei die Flüssigkristallmoleküle 15 bei einer angelegten hohen Spannung Vu2 eine größere out-of-plane Drehung ihrer optischen Achsen vollziehen als die Flüssigkristallmoleküle 15 bei einem angelegten niedrigen Spannungswert Vu1. Das bedeutet, dass im Falle eines angelegten hohen Spannungswerts Vu2 an eine Elektrode 13 die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle 15 in diesem Bereich sich von einer parallelen Vororientierung gemäß der Fig. 5 in eine zum zweiten Substrat 11 nahezu senkrechten Richtung bewegen, um ein gefordertes Beugungsgitter zu erzeugen. Die Flüssigkristallmoleküle 15 im Bereich der Elektroden 13, an die eine geringe oder geringere Spannung Vu1 angelegt werden, führen ebenfalls eine out-of-plane Drehung aus, allerdings erfolgt dort eine geringere Drehung, so dass die optische Achse der Flüssigkristallmoleküle 15 nicht senkrecht auf dem zweiten Substrat 11 steht, sondern vielmehr unter einem definierten Winkel, der von dem angelegten Spannungswert abhängig ist.

Das zwischen den einzelnen Elektroden 12 und 13 erzeugte elektrische out-of-plane Feld führt somit jeweils zu einer unterschiedlich starken out-of-plane, hier in Fig. 6 stärker parallel oder stärker senkrechten Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle 15 relativ zu den Substraten 10 und 1 1. Auf diese Weise kann die gezeigte stärker parallel oder stärker senkrechte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle 15 zu den Substraten 10 und 11 und damit die Phasenmodulation des auf das diffraktive optische Element auftreffenden Lichts sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung von Elektrode zu Elektrode variiert werden.

In Fig. 7 ist ein Beispiel für ein Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektroden 12 und 13 der beiden Substrate 10 und 1 1 des diffraktiven optischen Elements gemäß der Fig. 5 und 6 dargestellt. Dort ist das diffraktive optische Element in einer Draufsicht auf das erste Substrat 10 gezeigt, wobei nur die Elektrodenanordnung betrachtet werden soll.

Hierbei werden an die Elektroden 12 des ersten Substrats 10 Spannungen von 0 Volt (0V), - 2,66 Volt (-2,66V) und -5,33 Volt (-5,33V) sich periodisch wiederholend angelegt, wobei an die Elektroden 13 des zweiten Substrats 1 1 Spannungen von 0 Volt (0V), 2 Volt (2V), 4 Volt (4V) und 6 Volt (6V) mit entgegengesetztem Vorzeichen angelegt werden. Beispielsweise liegt in einem Überlappungsbereich bzw. Kreuzungsbereich 20 zwischen einer Elektrode 13 mit angelegter Spannung von 6 Volt auf dem zweiten Substrat 1 1 und einer Elektrode 12 mit angelegter Spannung von -5,33 Volt auf dem ersten Substrat 10 somit insgesamt eine Spannung von 6V + 5,33V = 11 ,33 Volt an. Dadurch wird mit Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen der angelegten Spannung an die Elektroden 12 und 13 und der Phase des Lichts und unter der Voraussetzung, dass die Flüssigkristallschicht 14 in der Lage ist, auch Phasen von mehr als 2p zu modulieren, im Überlappungsbereich 20 dieser Elektroden 12 und 13 eine Phasenmodulation des Lichts von 2,83p durchgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ergeben sich jeweils im Überlappungsbereich 20 der einzelnen Elektroden 12 und 13 Phasenwerte, die hier in horizontaler Richtung gesehen von einer Elektrode 12 zur nächsten bzw. benachbarten Elektrode 12 eine Phasendifferenz von 0,5p und in vertikaler Richtung gesehen von einer Elektrode 13 zur nächsten bzw. benachbarten Elektrode 13 eine Phasendifferenz von 0,67p aufweisen. Vorzugsweise soll eine Phasenmodulation von größer 4p erreichbar sein. Eine Gitterperiode des Beugungsgitter kann durch die unterschiedlich verwendeten Spannungswerte, die an die einzelnen benachbarten Elektroden angelegt werden, variiert und definiert werden, so dass eine definierte Periode bestimmt wird.

Bei einem gleichzeitigen Erzeugen von zwei Beugungsgittern in dem diffraktiven optischen Element ist der Feldlinienverlauf des zwischen den Elektroden 12 des ersten Substrats 10 und den Elektroden 13 des zweiten Substrats 1 1 erzeugten elektrischen out-of-plane Feldes in der Flüssigkristallschicht 14 zur Erzeugung des ersten Beugungsgitters und der Feldlinienverlauf zur Erzeugung des zweiten Beugungsgitters unterschiedlich ausgebildet. Zudem liegen in den nebeneinander liegenden Überlappungsbereichen 20, die durch die gekreuzten Elektroden 12 und 13 geschaffen werden, unterschiedliche elektrische out-of-plane Felder vor, die sich jedoch periodisch wiederholen, entsprechend den periodisch angelegten Spannungswerten.

Dadurch ist es nun möglich, mit nur einem einzelnen optischen Element auf ähnliche Weise wie eine Kombination aus zwei Beugungseinrichtungen nach dem Stand der Technik auftreffendes Licht sowohl in eine erste Richtung, z.B. in vertikaler Richtung, als auch in eine zweite Richtung, z.B. in horizontaler Richtung, abzulenken. Bei der Verwendung eines ECB-Modes oder eines VA-Modes sollte das auf das diffraktive optische Element auftreffende Licht linear polarisiert sein, damit eine entsprechende Phasenmodulation des Lichts durchgeführt werden kann.

Die Vorzeichen der an die Elektroden der beiden Substrate des diffraktiven optischen Elements angelegten Spannungen können auch getauscht werden, so dass an dem ersten Substrat positive Spannungen und an dem zweiten Substrat negative Spannungen anliegen.

Sollte gefordert sein, dass mittels des diffraktiven optischen Elements das auftreffende Licht nur in einer Richtung abgelenkt werden muss, dann ist es auch möglich, im diffraktiven optischen Element nur ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode zu erzeugen, mittels dem dann das Licht entsprechend in eine geforderte Richtung abgelenkt wird. Hierzu werden dann die Elektroden eines Substrats alle mit der gleichen Spannung beaufschlagt, wobei an den Elektroden des anderen Substrats des diffraktiven optischen Elements jeweils Spannungen mit unterschiedlichen, sich periodisch wiederholenden Spannungswerten angelegt werden, so dass zwischen den Elektroden der beiden Substrate ein out-of-plane Feld vorliegt und die Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht eine entsprechende out-of-plane Drehung vollziehen. Dadurch wird ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode in das diffraktive optische Element eingeschrieben bzw. erzeugt und das Licht kann in eine definierte Richtung abgelenkt werden.

Das anhand der Fig. 7 dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Elements ist anwendbar auf Flüssigkristall-Moden, bei denen die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle nur vom Betrag einer angelegten Spannung an die Elektroden der beiden Substrate abhängt.

Ferner ist es auch möglich, das erfindungsgemäße diffraktive optische Element auf Flüssigkristall-Moden in der Flüssigkristallschicht anzuwenden, deren Phasenmodulation des Lichts vom Vorzeichen der angelegten Spannung an die Elektroden der beiden Substrate abhängt.

Für Flüssigkristall-Moden, die eine in-plane Drehung der optischen Achse der Flüssigkristallmoleküle im elektrischen out-of-plane Feld aufweisen, ist eine Phasenmodulation für Licht, das in diesem Fall zirkular polarisiertes Licht sein sollte, beim einfachen Durchgang durch eine Flüssigkristallschicht proportional zum doppelten Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle. Bei einem doppelten oder zweifachen Durchgang des Lichts durch eine Flüssigkristallschicht in einem reflektiv ausgebildeten diffraktiven optischen Element kann die Phasenmodulation bei geeigneter Konfiguration , das heißt bei einer optischen Dicke der Flüssigkristallschicht, die einer Halbwellenschicht entspricht, in Verbindung mit einer zwischen der Flüssigkristallschicht und einem Spiegel angeordneten zusätzlichen Verzögerungsschicht, die einer Viertelwellenschicht entspricht, die das Licht zwischen dem ersten und zweiten Durchgang durch die Flüssigkristallschicht durchläuft, proportional zum vierfachen Drehwinkel der optischen Achse der Flüssigkristallmoleküle sein. Im Fall einer Drehung der optischen Achse der Flüssigkristallmoleküle um bis zu ±90 Grad kann sich somit für ein reflektiv ausgebildetes diffraktives optisches Element ein Phasenmodulationsbereich von 4p (zwischen - 2n für -90 Grad Drehwinkel und +2n für +90 Grad Drehwinkel) ergeben.

Auch hier soll wieder ein Vergleich zwischen dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Element erfolgen, wobei zum Vergleich wieder nur die Elektrodenanordnungen der Elemente betrachtet werden sollen.

Die Fig. 8 zeigt in den Darstellungen a) und b) jeweils eine Beugungseinrichtung nach dem Stand der Technik, die eine Phasenmodulation des Lichts durch eine vorzeichenabhängige in plane Drehung der optischen Achsen von Flüssigkristallmolekülen erzeugt. In der Darstellung a) der Fig. 8 ist eine Beugungseinrichtung in einer Draufsicht dargestellt, die zwei Substrate (hier nicht gezeigt) aufweist, zwischen denen eine Flüssigkristallschicht (ebenfalls nicht dargestellt) eingebettet ist. Ein Substrat der beiden Substrate weist streifenförmige, vertikal angeordnete Elektroden E2, E3, E _N auf, wobei ein anderes Substrat eine flächige Elektrode E1 aufweist. Die flächige Elektrode E1 soll wie in Fig. 4 durch die weiße Fläche dargestellt werden. An die flächige Elektrode E1 wird eine Spannung von 0 Volt (0V) angelegt. Um eine Phasenmodulation von kleiner On zu erzeugen, werden an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN negative Spannungen angelegt, wobei zur Erzeugung einer Phasenmodulation von größer 0p positive Spannungen an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN angelegt werden. Wie aus der Darstellung a) ersichtlich ist, werden an die flächige Elektrode E1 eine Spannung von 0 Volt und an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN Spannungen von -3 Volt (-3V), -1 Volt (-1V), 1 Volt (1V), 3 Volt (3V) angelegt, die sich periodisch wiederholen. Es wird auch hier ein out-of- plane Feld in der Flüssigkristallschicht erzeugt, wobei sich jedoch die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle entsprechend in-plane ausrichten. Bei einem ULH-Mode liegt beispielsweise eine helixförmige Anordnung von Flüssigkristallmolekülen in einer cholesterischen Phase vor. Durch ein out-of-plane Feld wird diese Helix deformiert. Die Deformation der Helix entspricht einer Drehung der optischen Achse des Flüssigkristallmoleküls. In diesem Fall stimmt die optische Achse der Flüssigkristallmoleküle somit nicht mit der Orientierung der einzelnen Flüssigkristallmoleküle überein, sondern ergibt sich durch eine Mittelung der Orientierung vieler Flüssigkristallmoleküle.

Smektische Flüssigkristallmoleküle weisen beispielsweise eine spontane Polarisation auf, die zu einer Ausrichtung im elektrischen Feld führt. Aufgrund der relativen Orientierung der Polarisation zur Molekülachse führt eine Ausrichtung der Polarisation parallel zum elektrischen Feld dazu, dass sich die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zum elektrischen Feld drehen. Damit dreht sich auch die optische Achse in einer Ebene senkrecht zur Feldrichtung, somit in-plane, wenn ein out-of-plane Feld anliegt.

Auf diese Weise wird ein Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von 4 mit den Phasenstufen - 0,75tt, -0,25TT, 0,25p und 0,75p in der Beugungseinrichtung realisiert.

Die Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung a) lenkt nun auftreffendes Licht in horizontaler Richtung ab.

In der Darstellung (b) der Fig. 8 ist eine Beugungseinrichtung dargestellt, die vom Aufbau her der Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung a) entspricht, jedoch vertikal vorgesehene streifenförmige Elektroden E2, E3, ..., EN auf einem der beiden Substrate aufweist. An die flächige Elektrode E1 wird wieder ein Spannungswert von 0 Volt (0V) angelegt, wobei an die streifenförmigen Elektroden E2, E3, ..., EN nun Spannungswerte von -2,66 Volt (-2,66V), 0 Volt (0V) und +2,66 Volt (+2, 66V) angelegt werden. Es wird ein out-of-plane Feld zwischen den Elektroden E1 und E2, E3, ..., EN erzeugt, so dass Phasenstufen von -0,66tt, 0p und +0,66p durch eine in-plane Drehung der optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle realisiert werden. Auf diese Weise wird in der Beugungseinrichtung ein Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von 3 realisiert.

Die Beugungseinrichtung gemäß der Darstellung b) lenkt nun auftreffendes Licht in vertikaler Richtung ab.

In Fig. 9 ist nun ein erfindungsgemäßes diffraktives optisches Element dargestellt, das einen Flüssigkristall-Mode, beispielsweise ein ULH-Mode, verwendet, dessen Phasenmodulation des Lichts vom Vorzeichen der an Elektroden angelegten Spannung abhängig ist und bei dem sich die Flüssigkristallmoleküle im in der Flüssigkristallschicht erzeugten out-of-plane Feld in-plane drehen bzw. ausrichten. Wie bereits zu Fig. 7 erwähnt, wird auch hier der Übersichtlichkeit halber nur die Elektrodenanordnung dargestellt.

Das diffraktive optische Element gemäß Fig. 9, auch hier in der Draufsicht dargestellt, weist wieder ein erstes und ein zweites Substrat auf, zwischen denen eine Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallmolekülen vorgesehen ist. Zu erkennen ist in Fig. 9 jedoch nur ein erstes Substrat 100, das streifenförmige bzw. lineare, hier vertikale, Elektroden 120 aufweist. Ein nicht sichtbares zweites Substrat weist ebenfalls streifenförmige bzw. lineare Elektroden 130 auf. Die Elektroden 120 wie auch die Elektroden 130 sind jeweils zueinander parallel auf ihren vorgesehenen Substraten angeordnet. Zudem sind die Elektroden 130 des zweiten Substrats hier unter einem Winkel von 90° zu den Elektroden 120 des ersten Substrats 100 angeordnet, d.h. die Elektroden 120 und 130 sind gekreuzt zueinander auf ihren entsprechenden Substraten angeordnet. Auch bei einem derartigen diffraktiven optischen Element ist nicht gefordert, dass die Elektroden 120 und 130 zueinander unter einem Winkel von exakt 90° angeordnet werden, sondern die Elektroden 120 und 130 können zueinander auch unter einem Winkel, der sich in einem Winkelbereich von ca. 50° bis ca. 90° befindet, angeordnet werden.

Zur Erzeugung von zwei Beugungsgittern mit jeweils variabler definierter Gitterperiode wird mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung nun eine Spannung an die einzelnen Elektroden 120 und 130 angelegt. Wie in Fig. 9 ersichtlich werden an die Elektroden 120 des ersten Substrats 100 Spannungen von -2,66 Volt (-2,66V), 0 Volt (0V) und +2,66 Volt (+2, 66V) angelegt, wobei an die Elektroden 130 des zweiten Substrats Spannungen von +3 Volt (3V), +1 Volt (1V), -1 Volt (-1V) und -3 Volt (-3V) angelegt werden. Die angelegten Spannungswerte für die Elektroden 120 und 130 wiederholen sich dabei jeweils periodisch. Zum Beispiel liegt für den in der Fig. 9 dargestellten oberen linken Überlappungsbereich bzw. Kreuzungspunkt 200 zweier Elektroden 120 und 130 auf dem dargestellten ersten Substrat 100 eine Spannung von - 2,66 Volt an, wobei auf dem nicht dargestellten zweiten Substrat eine Spannung von +3 Volt anliegt. Die Spannungsdifferenz AU zwischen diesen beiden Elektroden 120 und 130 im Überlappungsbereich 200 beträgt dann nach der Formel: Spannungswert Elektrode erstes Substrat U2 - (minus) Spannungswert Elektrode zweites Substrat U1 (-2,66V - 3V) = -5,66V. Somit liegt eine Spannungsdifferenz AU = -5,66V in diesem Überlappungsbereich 200 vor. Folglich erfolgt für diese angelegte negative Spannung an die Elektroden 120 und 130 des diffraktiven optischen Elements in diesem Überlappungsbereich 200 in der Flüssigkristallschicht eine Phasenmodulation des Lichts von -1 ,41 TT. Mit diesen in Fig. 9 erkennbaren angelegten Spannungen an die Elektroden 120 und 130 der beiden Substrate werden zwei Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode durch die Erzeugung eines out-of-plane Feldes in der Flüssigkeitsschicht und der dadurch entsprechenden Ausrichtung bzw. Orientierung durch in plane Drehung der optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle erzeugt. Dadurch ergeben sich die dargestellten Phasenwerte, zum Beispiel von -1 ,41tt, -0,91p oder auch -0,75tt, -0,25TT, für eine Phasenmodulation von auftreffendem Licht in den entsprechenden Überlappungsbereichen 200 der Elektroden 120 und 130. Wie zudem in Fig. 9 zu erkennen ist, liegt in horizontaler Richtung gesehen eine Phasendifferenz von jeweils 0,5p und in vertikaler Richtung gesehen eine Phasendifferenz von 0,67p (modulo 2TT) zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden 120 oder 130 vor.

Das diffraktive optische Element kann somit auf diese Weise auftreffendes, vorzugsweise zirkular polarisiertes, Licht sowohl in einer, hier horizontaler, Richtung wie auch in einer anderen, hier vertikaler, Richtung ablenken. Dafür können gleichzeitig zwei Beugungsgitter mit definierter Gitterperiode im diffraktiven optischen Element erzeugt werden. Es ist jedoch auch hier möglich, dass im diffraktiven optischen Element nur ein Beugungsgitter mit definierter Gitterperiode erzeugt wird, wenn dies in gewünschten Fällen erforderlich sein sollte. Das Beugungsgitter wird dann von Elektroden nur auf einem der beiden Substrate erzeugt, so dass an diese Elektroden unterschiedliche, sich periodisch wiederholende Spannungen angelegt werden und an die Elektroden des anderen Substrats eine für alle Elektroden gleiche Spannung. Somit wird ebenfalls ein out-of-plane Feld erzeugt, jedoch nur ein Beugungsgitter in das diffraktive optische Element eingeschrieben. Auch hier ist eine Phasenmodulation des Lichts von > 2TT, vorzugsweise von > 4TT, vorgesehen.

Ist die maximale Phasenmodulation in der Flüssigkristallschicht zum Beispiel kleiner als 4TT, da allgemein gesehen bei einer in-plane Drehung der optischen Achse des Flüssigkristallmoleküls der maximale Drehwinkel der optischen Achse kleiner als 90 Grad ist, so könnten sich unter Umständen leichte Einschränkungen in der Beugungseffizienz des diffraktiven optischen Elements ergeben. Ausgestaltungen des diffraktiven optischen Elements mit einem kleineren Modulationsbereich der Phase des Lichts erlauben dennoch eine geforderte Ablenkung des Lichts in zwei verschiedene Richtungen.

Im Allgemeinen wird vorzugsweise ein Bereich der Phasenmodulation in der Flüssigkristallschicht des diffraktiven optischen Elements genutzt, der näherungsweise einen linearen Zusammenhang der Phase mit der an die Elektroden der Substrate angelegten Spannung und folglich mit dem angelegten out-of-plane Feld aufweist. Dies soll anhand von Fig. 10 erläutert werden.

Für einen in einer Flüssigkristallschicht verwendeten ECB-Mode ergibt sich häufig eine näherungsweise S-förmige Kurve für die Abhängigkeit der Phasenmodulation von der angelegten Spannung an eine Elektrodenanordnung des diffraktiven optischen Elements, wie die Fig. 10 zeigt. Bei sehr kleinen wie auch bei sehr großen Phasenwerten weicht gemäß der S- förmigen Kurve der Fig. 10 die Abhängigkeit der Phase von der angelegten Spannung deutlich vom gewünschten linearen Verhalten ab. Für mittlere Phasenwerte, wie in Fig. 10 durch den gestrichelt eingegrenzten Bereich gekennzeichnet, ist die Änderung des Phasenwertes mit der angelegten Spannung jedoch ungefähr linear. Vorzugsweise wird nur der lineare Abschnitt einer Kurve für die Abhängigkeit der Phasenmodulation von der an die Elektroden der Substrate angelegten Spannung genutzt. Die maximale Phasenmodulation des Lichts in der Flüssigkristallschicht wird vorzugsweise so groß gewählt, z.B. > 5TT, so dass auch der Teil der Phasenmodulation, der dem Bereich mit einem linearen Verhalten der Phase des Lichts zur angelegten Spannung an die Elektroden der Substrate entspricht (siehe gestrichelt gekennzeichneter Bereich in Fig. 10), einen Phasenmodulationsbereich von ungefähr 4p umfasst.

Das diffraktive optische Element kann sowohl transmissiv als auch reflektiv ausgebildet sein. Um für ein transmissiv ausgebildetes diffraktives optisches Element eine Phasenmodulation von > 4p zu erreichen, kann es notwendig sein, die Dicke der Flüssigkristallschicht anzupassen bzw. entsprechend auszubilden, d.h. eine größere Dicke zu schaffen als für ein reflektiv ausgebildetes diffraktives optisches Element. Somit bedeutet dies, dass für ein reflektiv ausgebildetes diffraktives optisches Element aufgrund des doppelten Durchgangs des Lichts durch die Flüssigkristallschicht dieses für eine Phasenmodulation des Lichts von > 4p dünner ausgestaltet sein kann als ein transmissiv ausgebildetes diffraktives optisches Element.

Da zusätzlich in einem in einer Flüssigkristallschicht erzeugten out-of-plane Feld auch nicht erwünschte in-plane Felder zwischen den einzelnen Elektroden auf den beiden Substraten vorliegen können, sollten die Bereiche, die die unerwünschten in-plane Felder erzeugen können, möglichst in ihrer Fläche klein gehalten werden. Dies kann gewährleistet werden, wenn die streifenförmigen Elektroden auf den beiden Substraten derart ausgestaltet sind, dass die Fläche zwischen den einzelnen Elektroden auf den einzelnen Substraten möglichst so klein wie möglich gehalten wird. Das heißt, es sollte nur ein möglichst kleiner Spalt zwischen den einzelnen parallel zueinander angeordneten Elektroden auf dem einzelnen Substrat vorhanden sein. In der üblichen Bezeichnung Line/Space (Linienbreite und Zwischenraum) für feinaufgelöste Strukturen sollte daher die Line (Linienbreite) möglichst groß und der Space (Zwischenraum) möglichst klein sein. Dies gilt unter Berücksichtigung der üblichen Fertigungstoleranzen. Ein zu kleiner Space erhöht beispielsweise die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen benachbarten Elektroden bei der Herstellung der Elektrodenstruktur. Praktischerweise würde der Space so klein wie möglich gewählt werden, aber doch groß genug, damit sich die Elektrodenstruktur mit guter Ausbeute hersteilen lässt.

Ein möglichst kleiner Abstand (Pitch) der Elektroden zueinander ist vorteilhaft, um in einer diffraktiven Struktur möglichst große Ablenkwinkel zu erreichen. Bei einem sehr kleinen Pitch würde das Verhältnis Line/Space jedoch wieder ungünstiger sein, wenn, um Kurzschlüsse zu vermeiden, ein bestimmter Abstand zwischen den Elektroden eingehalten werden muss. Ein Beispiel wäre ein Pitch der Elektroden von 2 Mikrometer mit einer Breite der Elektroden von 1 ,5 Mikrometer und einem Zwischenraum zur nächsten Elektrode von 0,5 Mikrometer. Selbstverständlich soll die Erfindung nicht auf diese Zahlenwerte beschränkt sein.

In Fig. 1 1 ist nun eine Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung, zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Informationen, wie Objekte oder Szenen, dargestellt. Die Anzeigevorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung 30 zum Aussenden von Licht auf. Die Beleuchtungseinrichtung kann hierbei wenigstens eine Lichtquelle aufweisen, die vorzugsweise polarisiertes Licht, insbesondere linear polarisiertes Licht oder zirkular polarisiertes Licht, aussendet. Zudem weist die Anzeigevorrichtung wenigstens eine, Pixel aufweisende räumliche Lichtmodulationseinrichtung 31 auf, die mit Licht der Beleuchtungseinrichtung zur Modulation der Amplitude und/oder Phase des Lichts entsprechend einer darzustellenden Szene oder Objekt beleuchtet wird. Ein optisches System 32 in Verbindung mit der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 31 dient zur Rekonstruktion und Darstellung der vorzugsweise holographisch erzeugten Szene. In Lichtrichtung nach der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 31 ist ein diffraktives optisches Element 33 vorgesehen, das wie in den Figuren 5, 6, 7 und 9 beschrieben ausgebildet sein kann. Die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung 31 und das diffraktive optische Element 33 sind mit einer Steuereinrichtung 34 verbunden, mittels der diese Elemente 31 und 33 entsprechend angesteuert werden können. Das diffraktive optische Element 33 könnte jedoch auch von einer eigenen Steuereinrichtung angesteuert werden. Somit können mittels der Steuereinrichtung 34 an die Elektroden des diffraktiven optischen Elements 33 entsprechende Spannungen angelegt werden, um wenigstens ein Beugungsgitter mit einer definierten Gitterperiode zu erzeugen. In Abhängigkeit der Ansteuerung der Elektroden des diffraktiven optischen Elements 33 weist dieses ein veränderbares Beugungsgitter oder eine veränderbare Beugungsstruktur auf. Mittels des im diffraktiven optischen Element 33 vorliegenden Beugungsgitters kann das von der wenigstens einen Lichtmodulationseinrichtung 31 modulierte Licht in vorgebbarer Weise veränderbar gebeugt und in wenigstens eine geforderte laterale oder axiale Richtung abgelenkt werden. Dieses diffraktive optische Element ermöglicht nun eine laterale Nachführung von wenigstens einem, in einer Betrachterebene 35 erzeugten virtuellen Betrachterfenster 36, durch das ein Auge 37 eines Betrachters blicken muss, damit er die dargestellte Szene beobachten kann. Bewegt sich ein Betrachter an eine andere Position, kann mittels des diffraktiven optischen Elements 33 das virtuelle Betrachterfenster 36 der neuen Augenposition, die nun mit dem

Bezugszeichen 37‘ gekennzeichnet ist, nachgeführt werden. Das virtuelle Betrachterfenster an der neuen Betrachterposition des Betrachters ist mit dem Bezugszeichen 36‘ gekennzeichnet. Hierzu wird in das diffraktive optische Element 33 ein entsprechendes Beugungsgitter mit einer dafür geforderten Gitterperiode durch das Anlegen von entsprechenden vordefinierten Spannungen an die Elektroden der Substrate des diffraktiven optischen Elements 33 eingeschrieben. Mit dem diffraktiven optischen Element kann somit eine Nachführung des virtuellen Betrachterfensters 36 in nur eine definierte laterale Richtung oder auch gleichzeitig in zwei, in einem Winkel zueinander vorgesehene definierte laterale Richtungen erfolgen. Auch das Nachführen des virtuellen Betrachterfensters 36 in einer axialen Richtung (z-Richtung) ist mittels des diffraktiven optischen Elements durch Einschreiben von Linsenfunktionen in das diffraktive optische Element möglich. Dies hängt von der neuen Position des Betrachters zur räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 31 ab.

Durch das Vorsehen eines derartigen erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elements in einer Anzeigevorrichtung kann diese kompakter in ihrem Aufbau ausgestaltet werden als bei Vorsehen von zwei Beugungseinrichtungen zur Lichtablenkung.

Es ist auch möglich, das diffraktive optische Element in anderen Einrichtungen als in einer Anzeigevorrichtung zur Darstellung von vorzugsweise dreidimensionalen Szenen oder Objekten einzusetzen, da das diffraktive optische Element grundsätzlich eine Lichtablenkung durch Beugung ermöglicht. Somit kann das diffraktive optische Element allgemein in Einrichtungen eingesetzt werden, in denen eine Lichtablenkung gefordert oder benötigt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind zudem weitere Ausführungsformen bzw. Ausführungsbeispiele möglich. Abschließend sei noch ganz besonders darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, sich diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränken soll.