Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf eine Optikanordnung zur Lichtstrahlformung für ein Lichtmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lichtstrahlformung für ein Lichtmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Zur Strahlformung werden insbesondere Spatial-Light-Modulators (SLM, deutsch: räumliche Lichtmodulatoren) eingesetzt, welche die Phase oder Amplitude, und somit Intensität, eines Lichtstrahls veränderbar einstellen. Beispielsweise kann mit einem SLM ein gaußförmiger Laserstrahl in einen Besselstrahl umgewandelt werden. Hierzu wird die Wellenfront des Laserstrahls modifiziert, indem über den Strahlquerschnitt hinweg die Phase verschieden verschoben wird. Sowohl für Beleuchtungs- als auch für Detektionslicht kann eine Lichtstrahlformung gewünscht sein.

Eine gattungsgemäße Optikanordnung zur Lichtstrahlformung für ein Lichtmikroskop umfasst einen ersten Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich. Dieser umfasst mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente oder Spiegel, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist. Ein entsprechendes gattungsgemäßes Verfahren zur Lichtstrahlformung für ein Lichtmikroskop umfasst ein Phasenmodulieren von Licht mittels einer Flüssigkristall oder Mikrohubspiegel-Matrix, welche mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente oder Spiegelaufweist.

Ein Mikrohubspiegel-Bereich umfasst mehrere Spiegel, die unabhängig voneinander in ihrem Hub (das heißt in einer Richtung senkrecht zur Spiegelfläche) verstellt werden können. Hierdurch wird eine Weglänge verändert, die auftreffendes Licht durchläuft, und somit wird die Phase des Lichts verändert. Mit einem SLM auf Flüssigkristallbasis kann eine Phasenmodulation für Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung erreicht werden. Die hierzu senkrecht stehende Polarisationskomponente wird nicht beeinflusst. Wünschenswert ist, einen Lichtstrahl möglichst beliebig formen zu können, das heißt über den Strahlquerschnitt hinweg variabel die Phase und auch die Amplitude einstellen zu können. Dies sollte möglichst mit einer kompakten, stabilen und kostengünstigen Anordnung erfolgen.

Als eine A u f g a b e der Erfindung kann angesehen werden, eine Optikanordnung und ein Verfahren anzugeben, welche eine variable Lichtstrahlformung möglichst effizient und in einfacher Weise ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Optikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Optikanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.

Bei der Optikanordnung der oben genannten Art ist erfindungsgemäß ein zweiter Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich vorgesehen, welcher mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente/Spiegel aufweist, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist. Es ist ein Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler vorgesehen, mit dem auftreffendes Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung in Richtung der Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereiche leitbar ist. Außerdem ist ein Polarisationsstrahlteiler zwischen dem Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler und den Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereichen angeordnet. Der Polarisationsstrahlteiler trennt das vom Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler kommende Licht polarisationsabhängig in einen ersten Teilstrahl, welcher zum ersten Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel- Bereich geleitet wird, und in einen zweiten Teilstrahl, welcher zum zweiten Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich geleitet wird. Außerdem vereint der Polarisationsstrahlteiler die beiden von den Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel- Bereichen zurückkommenden Teilstrahlen und leitet sie gemeinsam als auslaufenden Lichtstrahl zum Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler. Die Weiterleitung des auslaufenden Lichtstrahls am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler hängt von der Polarisationsrichtung des auslaufenden Lichtstrahls ab. ln entsprechender Weise umfasst das Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß die folgenden Schritte:

- Weiterleiten von Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung mittels eines Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteilers,

- Polarisationsabhängiges Teilen des Lichts, das vom Ein-/Auskoppel-

Polarisationsstrahlteiler kommt, mittels eines Polarisationsstrahlteilers in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl,

- wobei das Phasenmodulieren von Licht mittels einer Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Matrix umfasst:

- Leiten des ersten Teilstrahls zu einem ersten Flüssigkristall- oder

Mikrohubspiegel-Bereich der Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Matrix und

- Leiten des zweiten Teilstrahls zu einem zweiten Flüssigkristall- oder

Mikrohubspiegel-Bereich,

- Zusammenführen der beiden von den Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel- Bereichen zurückkommenden Teilstrahlen mittels des Polarisationsstrahlteilers und

- Leiten der zusammengeführten Teilstrahlen als auslaufenden Lichtstrahl zum Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler.

Licht wird demnach in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, welche zueinander senkrecht linear polarisiert sind. Diese beiden Teilstrahlen werden durch die zwei Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereiche unabhängig voneinander phasenmoduliert. Anschließend werden die beiden Teilstrahlen wieder vereint, womit dieser auslaufende Lichtstrahl einerseits phasenmoduliert ist und andererseits hierdurch in seiner Polarisation/Polarisationsrichtung verändert sein kann: Je nach Phasenmodulation der zwei Teilstrahlen kann der auslaufende Lichtstrahl insbesondere linear polarisiert sein mit einer Polarisationsrichtung, die gegenüber dem ursprünglichen Licht gedreht ist, insbesondere um 90°. Bei anderen Phasenunterschieden ist der zum Ein-/Auskoppel- Polarisationsstrahlteiler auslaufende Lichtstrahl elliptisch polarisiert. Diese Polarisationsänderung entscheidet, zu welchen Anteilen der auslaufende Lichtstrahl am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler transmittiert oder reflektiert wird. Der transmittierte oder reflektierte Strahlanteil hat dadurch eine veränderte Intensität (/Amplitude), welche durch die beiden Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereiche eingestellt wird. Als ein Vorteil können so sowohl die Phase als auch die Amplitude eines Lichtstrahls über seinen Querschnitt variabel eingestellt werden. Dabei sind die Phase und die Amplitude voneinander unabhängig einstellbar.

Ein Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich kann als Flüssigkristallbereich gebildet sein, bei dem die einzelnen Flüssigkristallelemente durch eine Spannung angesteuert werden können. Je nach Ansteuerung wird eine Drehung der Moleküle eines Flüssigkristallelements bewirkt, womit eine Phase des durchlaufenden Lichts veränderbar ist. Alternativ kann ein Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich als Mikro-Hubspiegel-Bereich gebildet sein, welcher mehrere voneinander unabhängig verstellbare Spiegel umfasst. Die Spiegel sind nebeneinander angeordnet und jeweils in Hubrichtung verstellbar, das heißt in einer Richung senkrecht zur Spiegelfläche. Hierdurch ändert sich die geometrische Weglänge, die auftreffendes Licht zurücklegt, und somit auch die Lichtphase. Daher bewirkt ein Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich unabhängig von seiner konkreten Gestaltung eine Phasenänderung des Lichts. Zur Vereinfachung werden nachfolgend in der Regel verkürzt die Begriffe: Flüssigkristallbereich / Flüssigkristallmatrix / Flüssigkristallelement verwendet, welche stellvertretend stehen für: Flüssigkristall oder Mikrohubspiegel-Bereich / Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Matrix / Flüssigkristallelement/Spiegel. Ein Unterschied zwischen einem Flüssigkristallbereich und einem Mikro-Hubspiegel-Bereich kann darin bestehen, dass ein Mikro- Hubspiegel-Bereich in der Regel nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung variabel phasenmoduliert, während ein Mikro-Hubspiegel-Bereich in der Regel polarisationsunabhängig arbeitet. Es können allerdings auch spezielle Flüssigkristallbereiche eingesetzt werden, welche für eine beliebige Polarisation eine variable Phasenmodulation ermöglichen.

Bei einer Variante der Erfindung sind der erste und zweite Flüssigkristallbereich Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix. Bloß eine statt zwei Flüssigkristallmatrizen zu verwenden, kann die Gesamtkosten erheblich reduzieren. Zudem haben typische Flüssigkristallmatrizen eine hohe Pixelzahl (=Anzahl an Flüssigkristallelementen), so dass eine einzige Flüssigkristallmatrix reichen kann. Die beiden Teilstrahlen treffen dann auf zwei einander nicht überlappende Bereichen auf. Oft sind Flüssigkristallmatrizen nicht quadratisch, haben also in einer Richtung eine größere Abmessung bzw. mehr Flüssigkristallelemente als in der anderen Richtung. Gerade dann eignet sich eine einzige Flüssigkristallmatrix besonders zum Formen beider Teilstrahlen.

Eine einzige Flüssigkristallmatrix bietet eine variable Phasenmodulation jedoch nur für Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung. Die beiden Teilstrahlen sind aber zunächst senkrecht zueinander polarisiert. Daher muss die Polarisation von zumindest einem der Teilstrahlen gedreht werden, damit beide Teilstrahlen die gleiche Polarisation haben. Hierzu kann ein Polarisationsdreher zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem ersten Flüssigkristallbereich und/oder zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem zweiten Flüssigkristallbereich angeordnet sein. Der Polarisationsdreher soll eine 90°-Drehung der Polarisationsrichtung bewirken und kann beispielsweise eine Halbwellen-Verzögerungsplatte sein, welche eine Polarisationskomponente des auftreffenden Teilstrahls um eine halbe Wellenlänge verzögert, wodurch sich die Polarisationsrichtung dieses Teilstrahls um 90° dreht.

Der vom Polarisationsdreher zur Flüssigkristallmatrix laufende Teilstrahl trifft beim Rückweg von der Flüssigkristallmatrix erneut auf den Polarisationsdreher, womit erneut eine 90°-Polarisationsdrehung erfolgt und direkt hinter dem Polarisationsdreher wieder die ursprüngliche Polarisationsrichtung erreicht wird. Dieser Teilstrahl hat demnach beim erneuten Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler keine andere Polarisationsrichtung als anfangs. Der Polarisationsdreher hat vielmehr die Wirkung, dass eine einzige Flüssigkristallmatrix für zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation genutzt werden kann.

Für eine hohe Strahlqualität des auslaufenden Lichtstrahls, der sich aus den zwei Teilstrahlen zusammensetzt, sollten beide Teilstrahlen die gleiche optische Weglänge durchlaufen haben. Hierzu kann mindestens ein transparentes Verzögerungselement zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem ersten Flüssigkristallbereich und/oder zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem zweiten Flüssigkristallbereich angeordnet sein. Das Verzögerungselement kann so gestaltet sein, dass eine optische Weglänge vom Polarisationsstrahlteiler zum ersten Flüssigkristallbereich gleich einer optischen Weglänge vom Polarisationsstrahlteiler zum zweiten Flüssigkristallbereich ist. Das Verzögerungselement kann insbesondere einen Glasblock umfassen. Alternativ können auch die geometrischen Weglängen auf den separaten Strahlengängen zum ersten und zweiten Flüssigkristallbereich unterschiedlich und so gewählt sein, dass die optischen Weglängen gleich sind.

Ein Strahlengang vom Polarisationsstrahlteiler zum ersten Flüssigkristallbereich kann so gestaltet sein, dass der erste Teilstrahl senkrecht auf den ersten Flüssigkristallbereich trifft und denselben Weg zurück zum Polarisationsstrahlteiler läuft. Ebenso kann ein Strahlengang vom Polarisationsstrahlteiler zum zweiten Flüssigkristallbereich so gestaltet sein, dass der zweite Teilstrahl senkrecht auf den zweiten Flüssigkristallbereich trifft und denselben Weg zurück zum Polarisationsstrahlteiler läuft. Durch ein senkrechtes Auftreffen auf die Flüssigkristallbereiche kann gegenüber einem schrägen Einfall eine bessere Strahlqualität erreicht werden. Indem die beiden Teilstrahlen jeweils denselben Hin- und Rückweg vom Polarisationsstrahlteiler zum jeweiligen Flüssigkristallbereich haben, können die Gesamtzahl an Elementen sowie der Raumbedarf gering sein.

Der Polarisationsstrahlteiler kann insbesondere so angeordnet sein, dass der transmittierte Lichtstrahl ohne weitere Umlenkung senkrecht auf den zugehörigen Flüssigkristallbereich trifft.

Der Polarisationsstrahlteiler kann auch so gestaltet sein, dass der erste und zweite Teilstrahl parallel zueinander den Polarisationsstrahlteiler verlassen und parallel zueinander auf die Flüssigkristallbereiche zulaufen. Hierzu wird einer der Teilstrahlen innerhalb des Polarisationsstrahlteilers nochmals umgelenkt. Beispielsweise kann der Polarisationsstrahlteiler ähnlich wie ein Strahlteilerwürfel aus zwei verbundenen Elementen bestehen, wobei an der Grenzfläche zwischen den Elementen eine polarisationsabhängige Spaltung in die beiden Teilstrahlen erfolgt. Die beiden Teilstrahlen verlaufen nun senkrecht zueinander innerhalb der beiden Elemente. Eines der Elemente ist so gestaltet, dass der durchlaufende Teilstrahl noch reflektiert wird. Insbesondere kann eine Außenfläche dieses Elements in einem Winkel von 45° zur Ausbreitungsrichtung des durchlaufenden Teilstrahls stehen, so dass der Teilstrahl an dieser Außenfläche um 90° reflektiert wird. Die Außenfläche kann entweder verspiegelt sein oder es kann interne Totalreflexion erfolgen. Durch die Umlenkung um 90° verlassen beide Teilstrahlen parallel den Polarisationsstrahlteiler. Von den beiden Elementen kann insbesondere eines im Querschnitt eine Dreieck-Form haben und das andere Element eine Parallelogramm-Form. Da von der Dreieck-Form eine Seite ungenutzt ist, kann diese Seitenform grundsätzlich beliebig sein.

Es können mindestens zwei, insbesondere alle, der folgenden Komponenten so angeordnet sein, dass sie sich direkt berühren, ohne Luftspalt: der Polarisationsstrahlteiler, der Polarisationsdreher, die Flüssigkristallmatrix und fakultativ das Verzögerungselement. Dies kann vorteilhaft für einen kompakten, stabilen Aufbau und eine hohe Strahlqualität sein.

Es kann gewünscht sein, dass am Polarisationsstrahlteiler Licht zu gleichen Anteilen in den ersten und zweiten Teilstrahl getrennt wird. Hierzu muss die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts entsprechend eingestellt sind. Dies kann durch einen vorderen Polarisationsdreher erfolgen, der zwischen dem Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler und dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet und so ausgerichtet ist, dass er das Licht auf die gewünschte Polarisationsrichtung dreht. Die Bezeichnung„vorderer“ Polarisationsdreher soll diesen Polarisationsdreher von dem anderen Polarisationsdreher vor der Flüssigkristallmatrix unterscheiden; im Übrigen können beide Polarisationsdreher gleich gebildet sein, beispielsweise jeweils durch eine l/2-Platte. Auf den vorderen Polarisationsdreher kann prinzipiell verzichtet werden, wenn der Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler und der Polarisationsstrahlteiler geeignet zueinander gedreht sind, zum Beispiel um 45° zueinander gedreht sind. Das heißt, am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler reflektiertes oder transmittiertes Licht soll so auf den Polarisationsstrahlteiler treffen, dass es nicht vollständig reflektiert oder transmittiert wird, sondern vorzugsweise zu 50% reflektiert und zu 50% transmittiert wird.

Nachfolgend wird erläutert, wie aus den Phasenverzögerungen, die mit der Flüssigkristallmatrix eingestellt werden können, eine Amplitudenvariation erfolgt. Die Amplitudenvariation ist über den Strahlquerschnitt pixelweise möglich. Für jedes Flüssigkristallelement ist individuell eine Phasenverzögerung einstellbar, um welche eine Phase von auftreffendem Licht beeinflusst wird. Eine elektronische Steuereinheit zum Einstellen einer auszugebenden Lichtintensität ist dazu eingerichtet, eine Phasendifferenz zwischen einer Phasenverzögerung, die durch ein Flüssigkristallelement des ersten Flüssigkristallbereichs erzeugt wird, und einer Phasenverzögerung, die durch ein entsprechendes Flüssigkristallelement des zweiten Flüssigkristallbereichs erzeugt wird, variabel einzustellen. Ein Flüssigkristallelement des ersten Flüssigkristallbereichs und ein entsprechendes Flüssigkristallelement des zweiten Flüssigkristallbereichs sollen so verstanden werden, dass die über diese beiden Flüssigkristallelemente geleiteten Anteile der zwei Teilstrahlen anschließend überlagern. Die einander entsprechenden Flüssigkristallelemente haben bezüglich des jeweils auftreffenden Teilstrahls demnach übereinstimmende Positionen. Mit den zwei einander entsprechenden Flüssigkristallelementen können zwei Phasenverzögerungen eingestellt werden. Für die Amplitudenvariation ist dabei die Differenz zwischen diesen Phasenverzögerungen (nachstehend Phasendifferenz) maßgeblich: Die Phasendifferenz bestimmt, wie eine Polarisationsrichtung des vereinten Lichtstrahls, der aus den beiden phasenmodulierten Teilstrahlen gebildet wird, geändert oder gedreht ist. Je nach Änderung der Polarisationsrichtung wird der auslaufende Lichtstrahl am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler anteilig reflektiert und anteilig transmittiert.

Für eine maximale Lichtintensität kann die Phasendifferenz auf eine halbe Lichtwellenlänge eingestellt werden, womit der auslaufende Lichtstrahl eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung im Vergleich zum einlaufenden Licht hat und somit am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler nicht in die Richtung geleitet wird, aus welcher das einlaufende Licht gekommen ist.

Für eine minimale Lichtintensität kann die Phasendifferenz auf 0 oder ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge eingestellt werden, womit der auslaufende Lichtstrahl die gleiche Polarisationsrichtung wie das einlaufende Licht hat und somit am Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler in die Richtung geleitet wird, aus welcher das einlaufende Licht gekommen ist. Um eine beliebige Lichtintensität zwischen 0% und 100% für den vom Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler reflektierten oder transmittierten Anteil des auslaufenden Lichtstrahls einzustellen, wird eine entsprechende Phasendifferenz an der Flüssigkristallmatrix vorgegeben.

Außer der Intensitätsmodulation wird auch eine Phasenmodulation eingestellt. Für eine Phasenmodulation werden die Flüssigkristallelementen desselben Flüssigkristallbereichs unterschiedlich eingestellt. Demnach ist für jedes Flüssigkristallelement individuell eine Phasenverzögerung einstellbar, um welche eine Phase von auftreffendem Licht beeinflusst wird. Eine oder die Steuereinheit zum Einstellen eines Phasenmusters über einen Strahlquerschnitt ist dazu eingerichtet, mit den Flüssigkristallelementen desselben Flüssigkristallbereichs verschiedene Phasenverzögerungen einzustellen.

Nachfolgend wird erläutert, wie die Steuereinheit sowohl ein Intensitätsmuster als auch ein Phasenmuster gleichzeitig einstellen kann. Die Steuereinheit kann an den Flüssigkristallelementen des ersten Flüssigkristallbereichs voneinander verschiedene Phasenverzögerungen einstellen, welche zusammen das Phasenmuster mitbilden. An den Flüssigkristallelementen des zweiten Flüssigkristallbereichs werden nun Phasenverzögerungen eingestellt, welche zusammengesetzt sind aus:

A) Phasenverzögerungen, welche denen der Flüssigkristallelemente des ersten Flüssigkristallbereichs entsprechen zum Bilden des Phasenmusters, und

B) Phasendifferenzen zu den jeweiligen Phasenverzögerungen des ersten Flüssigkristallbereichs zum Bilden des Intensitätsmusters.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung wie hier beschrieben. Die Optikanordnung kann im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet sein, so dass das von der Optikanordnung beeinflusste Licht anschließend in einen Probenbereich geleitet wird. Alternativ oder ergänzend kann die beziehungsweise eine weitere Optikanordnung auch im Detektionsstrahlengang angeordnet sein, womit Probenlicht durch die Optikanordnung beeinflusst wird, ehe es auf einen Lichtdetektor trifft.

Die als zusätzliche Optikanordnungsmerkmale beschriebenen Eigenschaften der Erfindung sind auch als Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzufassen, und umgekehrt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügte schematische Figur beschrieben. Hierin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Optikanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100 zur Lichtstrahlformung in einem erfindungsgemäßen Lichtmikroskop. Im rechten Teil von Fig. 1 ist angegeben, wie die Polarisationsrichtungen von Licht verändert wird, während es die Optikanordnung 100 durchläuft.

Mit der Optikanordnung 100 werden eine Phasenmodulation und Amplitudenmodulation von Licht ermöglicht. Die beiden Modulationen können unabhängig voneinander und pixelweise über einen Strahlquerschnitt erfolgen. Licht 1 , beispielsweise Laserlicht, einer hier nicht dargestellten Lichtquelle des Lichtmikroskops wird zur Optikanordnung 100 geleitet. Diese umfasst mindestens eine oder genau eine Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegelmatrix 35, mit welcher eine Modulation des auftreffenden Lichts erfolgt. Schließlich verlässt ein modulierter auslaufender Lichtstrahl 2 die Optikanordnung 100.

Die Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegelmatrix 35 umfasst mehrere

Flüssigkristallelemente/Spiegel, die unabhängig voneinander schaltbar sind.

Nachfolgend wird zum leichteren Verständnis eine Gestaltgung durch eine Flüssigkristallmatrix mit Flüssigkristallelementen beschrieben. Der im Wesentlichen gleiche Aufbau kann aber auch für eine Gestaltung mit Mikrohubspiegelmatrix genutzt werden.

Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung wird durch die Flüssigkristallelemente abhängig von ihrem Schaltzustand variabel phasenverzögert. Allein hierdurch kann zunächst nur eine Phasenmodulation erreicht werden. Eine Amplitudenmodulation folgt aus der Zusammenwirkung der Komponenten der Optikanordnung 100, wie nachstehend erläutert wird.

Licht 1 trifft zunächst auf einen Polarisationsstrahlteiler 10, welcher hier als Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 bezeichnet wird. Der Ein-/Auskoppel- Polarisationsstrahlteiler 10 kann beispielsweise ein Polarisationsstrahlteilerwürfel sein, der polarisationsabhängig Licht reflektiert oder transmittiert. Im gezeigten Beispiel wird transmittiertes Licht zu den weiteren Komponenten der Optikanordnung 100 geleitet, während möglicherweise am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 reflektiertes Licht 1 nicht weiter in der Optikanordnung 100 genutzt wird (in Fig. 1 würde einfallendes Licht 1 , das am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 reflektiert wird, nach links die Anordnung verlassen). Umgekehrt zum dargestellten Fall könnte aber auch am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 reflektiertes Licht zu den übrigen Komponenten der Optikanordnung 100 geleitet werden, während transmittiertes Licht nicht weiter genutzt würde.

Das Licht 1 kann linear polarisiert sein mit einer Polarisationsrichtung, durch die das gesamte Licht 1 am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 zu den übrigen Komponenten weitergeleitet wird. Alternativ kann auch unpolarisiertes Licht verwendet werden, womit das vom Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 weitergeleitete Licht 1 polarisiert ist. Dieses polarisierte Licht 1 soll auf zwei Teilstrahlen 1A und 1 B aufgeteilt werden, was mit einem weiteren Polarisationsstrahlteiler 20 erfolgt. Es kann ein Polarisationsdreher 15 zwischen den beiden Polarisationsstrahlteilern 10, 20 vorhanden sein, damit die Lichtpolarisation so gedreht wird, dass der

Polarisationsstrahlteiler 20 zwei Teilstrahlen 1A und 1 B mit dergleichen Intensität ausgibt.

Im dargestellten Beispiel hat der Polarisationsstrahlteiler 20 eine solche Form, dass einer der Teilstrahlen 1 B nochmals an einer Grenzfläche 21 des

Polarisationsstrahlteilers 20 reflektiert wird, wodurch die beiden Teilstrahlen 1A und 1 B parallel zueinander den Polarisationsstrahlteiler 20 verlassen. Alternativ können auch weitere Spiegel oder Prismen verwendet werden, um den Teilstrahl 1 A und/oder 1 B so umzuleiten, dass beide auf dieselbe Flüssigkristallmatrix, aber auf verschiedene Flüssigkristallbereiche 35A und 35B treffen. In dieser Weise können die beiden Teilstrahlen 1A und 1 B voneinander unabhängige verschiedene Phasenmodulationen erfahren.

Da eine Flüssigkristallmatrix 35 im Allgemeinen nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung variabel phasenmodulieren kann, wird ein Polarisationsdreher 23 verwendet, der die Polarisation von einem der Teilstrahlen 1A um 90° dreht.

Im dargestellten Beispiel wird noch ein transparentes Verzögerungselement 22 zwischen dem Polarisationsstrahlteiler 20 und der Flüssigkristallmatrix 35 genutzt, so dass die Strahlengänge beider Teilstrahlen 1 A und 1 B die gleiche optische Weglänge haben. An der Flüssigkristallmatrix 35 durchläuft auftreffendes Licht die Flüssigkristallschicht, wird an deren Rückseite reflektiert und durchläuft nochmals die Flüssigkristallschicht, ehe es (phasenverzögert) austritt. Wie dargestellt, können beide Teilstrahlen senkrecht auf die Flüssigkristallmatrix 35 geleitet werden, womit die Teilstrahlen 1A und 1 B auf demselben Weg wieder von der Flüssigkristallmatrix 35 zurück zum Polarisationsstrahlteiler 20 laufen, wo sie wieder zu einem Lichtstrahl 2 zusammengeführt werden, der weiter zum Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 läuft. Abhängig von der nun vorliegenden Polarisationsrichtung wird das zurückkommende Licht 2 am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 entweder transmittiert oder reflektiert, beziehungsweise teilweise transmittiert und teilweise reflektiert. Eine Polarisationsdrehung wird dadurch erreicht, dass an der Flüssigkristallmatrix unterschiedliche Phasenverzögerungen für die beiden Teilstrahlen eingestellt werden.

Die Polarisationsänderung des Lichts während des Durchlaufens der Optikanordnung wird nun näher mit Bezug auf den rechten Teil von Fig. 1 beschrieben.

Im dargestellten Beispiel trifft das Licht 1 mit der in 61 dargestellten Polarisationsrichtung auf den Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 und hat anschließend dieselbe Polarisationsrichtung (siehe 62). Das Licht 1 durchläuft nun den Polarisationsdreher 15, welcher eine Halbwellenplatte sein kann, durch die die Polarisationsrichtung des Lichts 1 um 45° gedreht wird, wie in 63 dargestellt. Durch diese schräge Polarisationsrichtung wird das Licht 1 am Polarisationsstrahlteiler 20 in zwei Teilstrahlen 1A und 1 B mit zueinander senkrechter Polarisationsrichtung geteilt, wie in 64 gezeigt.

Die Teilstrahlen 1A und 1 B laufen mit diesen beiden zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen weiter Richtung Flüssigkristallmatrix, siehe 65. Der Teilstrahl 1A wird durch den Polarisationsdreher 23 um 90° in seiner Polarisationsrichtung gedreht, so dass beim Auftreffen auf die Flüssigkristallmatrix 35 beide Teilstrahlen 1A und 1 B dieselbe Polarisationsrichtung haben, siehe 66. Abhängig von einem Schaltzustand der Flüssigkristallelemente der Flüssigkristallmatrix können nun Phasenverzögerungen für die Teilstrahlen 1 A und 1 B variabel eingestellt werden. Im dargestellten Beispiel wird die Phase des Teilstrahls 1A um 180° beziehungsweise eine halbe Wellenlänge verzögert (diese Phasenverzögerung soll die Phasendifferenz zur Phasenverzögerung darstellen, welche der andere Teilstrahl 1 B erfährt). Wie in 67 dargestellt, hat nun der Teilstrahl 1 A eine um 180° verzögerte Phase im Vergleich zum Teilstrahl 1 B. Nach erneutem Durchlaufen des Polarisationsdrehers 23 ist die Polarisationsrichtung des Teilstrahls 1 A wieder um 90° gedreht, wie in 68 gezeigt. Am Polarisationsstrahlteiler 20 werden die beiden Teilstrahlen 1A und 1 B zusammengeführt, wobei 69 die beiden Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen 1A und 1 B sowie der Polarisationsrichtung des resultierenden ausgehenden Lichtstrahls 2 zeigt. Dieser Lichtstrahl 2 hat nun die in 70 gezeigte Polarisation, welche durch den Polarisationsdreher 15 um 135° gedreht wird, wie in 71 gezeigt. Wie in 71 dargestellt, ist die Polarisation des Lichtstrahls 2 um 90° gedreht gegenüber der Polarisation bei 62, mit welcher das Licht 1 in Richtung der Flüssigkristallmatrix lief. Daher wird der Lichtstrahl 2 nun nicht etwa am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 in die Richtung geleitet, aus welcher das Licht 1 kam. Im dargestellten Beispiel wurde das Licht 1 am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 transmittiert, während der Lichtstrahl 2 wegen seiner gedrehten Polarisationsrichtung 2 nun reflektiert wird. Dieser am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 ausgekoppelte Lichtstrahl 2 hat also eine unveränderte Lichtintensität (eine maximale Lichtintensität), wenn die Phase der Teilstrahlen 1 A und 1 B wie dargestellt beeinflusst wird.

Sind hingegen die Flüssigkristallelemente an der Flüssigkristallmatrix für beide Teilstrahlen 1 A und 1 B gleich eingestellt, würden in 67 beide Teilstrahlen 1 A und 1 B die gleiche Polarisation / Phase haben (die Polarisation von Teilstrahl 1 A würde in 67 nicht nach unten, sondern nach oben zeigen). Als Folge würde die Polarisationsrichtung des Teilstrahls 1A in 68 nach rechts und nicht nach links zeigen, und in 69 und 70 wäre entsprechend die Polarisation des Lichtstrahls 2 um 90° im Uhrzeigersinn gedreht gegenüber dem dargestellten Fall. Folglich wäre die Polarisation gleich wie eingangs für das Licht 1 und demnach würde der Lichtstrahl 2 am Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 transmittiert / in die Richtung, aus der das Licht 1 kam. In eine Auskopplungs- oder Reflexionsrichtung des Ein-/Auskoppel- Polarisationsstrahlteiler 10 (nach rechts in Fig. 1 ) würde demnach kein Licht gelangen (minimale Lichtintensität).

So kann durch die Phasenverzögerungen zwischen den Flüssigkristallbereichen der beiden Teilstrahlen eine Intensität des ausgekoppelten Lichtstrahls 2 zwischen einer minimalen und maximalen Intensität variiert werden. Intensitätszwischenwerte sind möglich, indem die Phase nicht wie in 67 dargestellt um 180° verzögert wird, sondern um einen anderen Wert. Der resultierende Lichtstrahl 2 ist dann elliptisch polarisiert, wobei die beiden zueinander senkrechten Komponenten des elliptisch polarisierten Lichtstrahls 2 in variabler Größe festgelegt werden können. Dadurch kann am Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 ein variabel einstellbarer Teil des Lichtstrahls transmittiert und der übrige Teil reflektiert werden.

Für eine mathematische Beschreibung wird die Phasenverzögerung/Phasenmuster f(c,g) berücksichtigt, mit welcher einer der Teilstrahlen beim Auftreffen auf den zugehörigen Flüssigkristallbereich verändert wird. Die Ortsabhängigkeit (x,y) gibt an, dass über den Querschnitt des auftreffenden Teilstrahls verschiedene Phasenverzögerungen f eingestellt werden können. Der andere Teilstrahl wird am anderen Flüssigkristallbereich durch eine andere Phasenverzögerung/Phasenmuster beeinflusst, welche sich von der Phasenverzögerung f(c,g) um A(x,y) unterscheidet.

Die beiden zueinander senkrecht polarisierten Anteile des Lichtstrahls 2, der auf den Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler 10 trifft, können als horizontale Feldstärkenkomponente Eh und vertikale Feldstärkenkomponente E _v dargestellt werden. Diese elektrischen Feldstärken hängen in folgender Weise von der Phasenverzögerung f(c,g) und A(x,y) ab:

E _h (x,y,z) oc 2cos(A(x,y)/2) · cos(k-z - w-t + cp(x,y)/2)

E _v (x,y,z) oc -2sin(A(x,y)/2) · sin(k-z - w-t + cp(x,y)/2)

Hierbei bezeichnen z die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, w die Kreisfrequenz des Lichts (/der elektromagnetischen Welle), und k dessen Wellenzahl, also 1/l. Je nach dem, welchen Wert A(x,y) hat, ist der Lichtstrahl nach dem Polarisationsstrhalteiler 20 entweder linear polarisiert in x- oder y-Richtung oder er ist elliptisch oder zirkular polarisiert. Die horizontale Komponente E _h (x,y,z) wird am Ein- /Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler Richtung Lichtquelle zurückgeleitet und wird nicht weiter genutzt, während die vertikale Komponente E _v (x,y,z) am Ein-/Auskoppel- Polarisationsstrahlteiler in die andere Richtung geleitet und weiter genutzt wird (das heißt in Fig. 1 reflektiert wird). Hierdurch ist das weitergenutzte Licht linear polarisiert und amplituden- und/oder phasenmoduliert.

Im dargestellten Beispiel von Fig. 1 wird bei 67 die Phase des ersten Teilstrahls 1 A um eine halbe Wellenlänge oder p gegenüber der Phase des zweiten Teilstrahls 1 B verschoben. In diesem Beispiel beträgt also A(x,y)= p. Aus der obigen Formel erkannt man, dass dann 2cos(A/2) = 0 ist, das heißt, der zur Lichtquelle zurücklaufende Anteil ist E _h =0 und das gesamte Licht wird reflektiert. Hingegen ist ohne Phasendifferenz A(x,y)=0 und demnach ist 2sin(A/2)=0 und somit auch E _v =0, das heißt es wird kein Licht weitergeleitet, sondern alles Licht Richtung Lichtquelle transmittiert.

Es ist zu beachten, dass sich die in Fig. 1 angegebenen Polarisationsrichtungen auf ein einziges Flüssigkristallelement des ersten Flüssigkristallbereichs 35A und ein einziges Flüssigkristallelement des zweiten Flüssigkristallbereichs 35B beziehen. Diese beiden Flüssigkristallelemente entsprechen in Bezug auf die Querschnitte der auftreffenden Teilstrahlen einander, so dass das von diesen zwei Flüssigkristallelementen zurückkommende Licht räumlich überlagert. In den obigen Formeln haben diese zwei Flüssigkristallelemente denselben x-Wert und denselben y- Wert. Für andere Flüssigkristallelemente können andere Phasenverzögerungen eingestellt werden, so dass über den Strahlquerschnitt des ausgekoppelten Lichtstrahls 2 eine variierende Intensität eingestellt werden kann.

Zusätzlich zu dieser Intensitätsmodulation kann eine Phasenmodulation erfolgen, indem benachbarte Pixel desselben Flüssigkristallbereichs unterschiedlich eingestellt werden. So kann eine Wellenfront variabel eingestellt werden.

In der beschriebenen Ausführungsform können die Flüssigkristallbereiche 35A, 35B auch allgemeiner als Flüssigkristall- oder Hubspiegel-Bereiche 35A, 35B aufgefasst werden. Bei einer Gestaltung als Hubspiegel-Bereiche 35A, 35B kennzeichnet 35 eine Hubspiegelmatrix und an Stelle von Flüssigkristallelementen sind Spiegel vorhanden. Bei einer solchen Gestaltung kann auf den Polarisationsdreher 23 verzichtet werden. Im Übrigen kann der Aufbau wie in Fig. 1 dargestellt umgesetzt werden. Ohne Polarisationsdreher 23 kann der Mikrohubspiegel-Bereich 35A beispielsweise eine Polarisationsänderung des Teilstrahls 1A von einer Ausrichtung wie im Bildbereich 65 dargestellt direkt zu einer Ausrichtung wie im Bildbereich 68 dargestellt bewirken (das heißt, in diesem Beispiel wird die Phase des Teilstrahls 1A durch den Mikrohubspiegel- Bereich 35A um eine halbe Wellenlänge verändert).

Durch die Erfindung können sowohl eine Amplitude als auch eine Phase eines Lichtstrahls über dessen Querschnitt variabel geformt werden. Dies erfolgt mit einer kompakten und stabilen Anordnung, die bei Nutzung einer einzigen Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Matrix auch besonders kostengünstig ist. Bezuqszeichenliste

1 Licht

1A erster Teilstrahl

1 B zweiter Teilstrahl

2 auslaufender Lichtstrahl

10 Ein-/Auskoppel-Polarisationsstrahlteiler

15 Polarisationsdreher

20 Polarisationsstrahlteiler

21 Grenzfläche

22 Verzögerungselement

23 Polarisationsdreher

35 Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Matrix

35A erster Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich

35B zweiter Flüssigkristall- oder Mikrohubspiegel-Bereich

61 -71 Angaben zur Polarisationsrichtung des Lichts 1 , der

Teilstrahlen 1A, 1 B und des auslaufenden Lichtstrahls 2