Die Erfindung betrifft ein Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer Flüssigkristallschicht auf einem Substrat oder zwischen mindestens zwei Substraten, wobei die Flüssigkristallmoleküle eine periodische Änderung ihrer Orientierung aufweisen. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine

Lichtablenkeinrichtung, in der mindestens ein solches Polarisationsgitter enthalten ist und auf ein Verfahren zur Lichtablenkung, welches mindestens ein solches

Polarisationsgitter anwendet. Die Erfindung betrifft sowohl reflektive als auch transmissive Polarisationsgitter, wobei reflektive Polarisationsgitter auch als

Flüssigkristallschichten auf einem Siliziumsubstrat (LCOS, Liquid Crystal On Silicon) ausgebildet sein können. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur

Rekonstruktion holographisch kodierter dreidimensionaler Szenen und eine

Vorrichtung zum Richten von Solarstrahlung auf eine photoempfindliche Fläche, die jeweils mindestens ein solches Polarisationsgitter enthalten.

Diffraktive Lichtablenkmittel besitzen ein breites Einsatzspektrum. Sie können beispielsweise zur passiven und aktiven Strahl- bzw. Wellenfrontformung bzw.

allgemein als diffraktive optische Abbildungsmittel eingesetzt werden. Sie lassen sich weilenlängen- und/oder winkelselektiv herstellen, so dass mit ihnen auch

Strahlvereinigungen oder Strahlaufspaltungen vorgenommen werden können, wie sie beispielsweise in optischen Netzwerken benötigt werden. Vorteilhaft lassen Sie sich für die Nachführung eines kleinen Betrachterbereiches auf die Augen eines

Benutzers in einem stereoskopischen oder holographischen Displays anwenden. Ein weiteres Anwendungsfeld besteht z. B. bei der Konzentrierung und/oder der

Nachführung von Solarstrahlung auf eine photoempfindliche Fläche.

Polarisationsgitter zur Lichtablenkung sind Beugungsgitter fester oder variabler Gitterperiode. Bei Beugungsgittern legt bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ des Lichtes die Gitterperiode Λ den Ablenkwinkel ßm fest:

ß _m = aresin sin(i a Dabei ist m eine Ganze Zahl, die die Beugungsordnung angibt und α der Einfallsbzw. Eintrittswinkel.

Im Allgemeinen können Beugungsgitter eine periodische Oberflächenstruktur aufweisen (Oberflächenreliefgitter) oder die optischen Eigenschaften können sich periodisch innerhalb der das Licht beeinflussenden Schicht ändern. Die periodischen optischen Eigenschaften können die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisation, des Lichtes beeinflussen.

Die Stärke und das Profil der optischen Änderung bestimmen bei einem

Beugungsgitter, mit welchem Beugungswirkungsgrad das Licht in die einzelnen Beugungsordnungen gebeugt wird. Dabei sind die Beugungswirkungsgrade auch vom Einfallswinkel in das Polarisationsgitter abhängig, da sich die wirksamen optischen Eigenschaften mit dem Einfallswinkel ändern. Für die meisten

Anwendungen ist jedoch ein hoher Beugungswirkungsgrad, auch

Beugungseffektivität bzw. Beugungseffizienz genannt, über ein breites Spektrum der Einfallswinkel notwendig.

Polarisationsgitter haben - anders als beispielsweise Oberflächenreliefgitter - die Eigenschaft, dass es möglich ist, nahezu 100% Beugungseffizienz in einer einzelnen Beugungsordnung zu erhalten. Im Gegensatz zu anderen Gittertypen mit hoher Beugungseffizienz, wie Volumengittern, die sogenannte dicke Gitter darstellen, können Polarisationsgitter als dünne Gitter ausgebildet sein. Die Bezeichnung dünnes Gitter bezieht sich darauf, dass die Dicke der als Beugungsgitter wirkenden Schicht kleiner ist als dessen Periode. Bei einem dicken Gitter ist die Dicke der als Beugungsgitter wirkenden Schicht deutlich größer als dessen Periode.

Im Vergleich zu anderen Gittertypen die eine hohe Beugungseffizienz ermöglichen, wie z. B. Volumengitter (Volume Bragg Gräting), die einen schmalen

Einfallswinkelbereich aufweisen, können Polarisationsgitter eine hohe

Beugungseffizienz für einen relativ breiten Einfallswinkelbereich aufweisen. Dieser Winkelbereich kann beispielsweise ±15° oder auch ±20° betragen. Trotzdem reicht das für eine Reihe von Anwendungen nicht aus.

Polarisationsgitter können als passive Gitter, als schaltbare Gitter fester Gitterperiode oder als in ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter ausgestaltet werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich vorrangig auf schalt- und steuerbare

Polarisationsgitter, kann aber auch auf passive Gitter angewendet werden.

Schaltbare Gitter mit fester Gitterperiode werden häufig in einer dünnen

doppelbrechenden, d. h. optisch anisotropen, flüssigkristallinen Schicht erzeugt (LCPG - Liquid Crystal Polarization Gräting), die sich zwischen zwei als Begrenzung der flüssigkristallinen Zelle wirkenden Substraten befindet. Licht, welches nicht in Richtung der kristalloptischen Achse der Flüssigkristallmoleküle verläuft, erfährt demnach je nach positiver oder negativer Doppelbrechung des

Flüssigkristallmaterials eine positive oder negative Phasenverzögerung des außerordentlichen Strahles gegenüber dem ordentlichen Strahl, die am größten ist, wenn der Lichtstrahl senkrecht zur kristalloptischen Achse verläuft. Positive

Doppelbrechung bedeutet dabei, dass die Differenz der Brechzahlen Δη _ρ für den außerordentlichen Strahl n _e und den ordentlichen Strahl n ₀ größer Null ist (Δη _ρ = n _e - n ₀ > 0) und negative Doppelbrechung, dass diese Differenz Δη _η kleiner Null ist (Δη _η = n _e - n ₀ < 0). Durch eine geeignete Ausrichtung (Alignment) der

Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht bzw. gegeneinander kann demnach eine Phasenänderung der beiden Teilstrahlen zueinander und damit des Polarisationszustandes des die Flüssigkristallschicht durchlaufenden Lichtes erreicht werden. Die gewünschte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle kann beispielsweise bei der Herstellung der flüssigkristallinen Zelle eingestellt werden. Dazu besitzen die Gitter auf einer oder beiden Substratseiten Ausrichtungsschichten (Alignment-Layer), die zu einer geeigneten Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der aktiven

Flüssigkristallschicht führt. In Polarisationsgittern fester Gitterperiode sind die

Ausrichtungsschichten entsprechend dem Gitterabstand, d.h. der Gitterperiode periodisch strukturiert. Solche Ausrichtungsschichten können beispielsweise durch Auspolymerisieren eines photoempfindlichen Polymers durch Bestrahlen mit einer geeigneten Belichtungsverteilung hergestellt werden, wie es beispielsweise in der Patentschrift US 7 196 758 B2 oder in der internationalen Patentanmeldung WO 2006 / 092 758 A2 beschrieben ist. An den Ausrichtungsschichten richten sich die Flüssigkristalle mit ihren kristalloptischen Achsen so aus, dass eine periodische Änderung des Polarisationszustandes des durchtretenden Lichtes erreicht wird.

Die Ausrichtungsschichten können auch durch Abformung der Ausrichtungsmuster mit Hilfe mikrostrukturierter Vorlagen strukturiert werden.

Schaltbare LCPG mit fester Gitterperiode besitzen eine Elektrodenstruktur, die auf den Substraten ausgebildet ist. Dies kann flächig ausgebildet sein oder strukturiert werden, um ein ortsabhängiges Schalten zu ermöglichen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektrodenstruktur kann die durch die

Ausrichtungsschicht aufgezwungene Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle aufgehoben werden, so dass sie ihre gegenseitige Orientierung zueinander verlieren bzw. die kristalloptische Achse in der Lichtausbreitungsrichtung zu liegen kommt. Die Doppelbrechung der Flüssigkristallschicht wird aufgehoben und damit das

Polarisationsgitter unwirksam, so dass nur noch Licht die Flüssigkristallschicht unabgelenkt, d.h. in die 0. Beugungsordnung, verlässt.

Passive Polarisationsgitter können auf ähnliche Weise wie die schaltbaren Gitter mit fester Gitterperiode ebenfalls unter Verwendung von Flüssigkristallmolekülen hergestellt werden. Dabei können die Flüssigkeitsmoleküle z. B. in ein

polymerisierbares Monomer eingebettet sein, das nach ihrer Ausrichtung

auspolymerisiert wird, so dass der Ausrichtungszustand eingefroren wird. In diesem Fall ist es auch möglich, nur mit einem Substrat und einer Ausrichtungsschicht zu arbeiten (WO 2006 / 092 758 A2).

Passive und schaltbare Gitter fester Gitterperiode besitzen bei einer vorgegebenen Wellenlänge einen festen Ablenkwinkel.

In ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter werden beispielsweise in der internationalen Anmeldung WO 201 1 / 067 265 A1 der Anmelderin beschrieben. Sie besitzen eine feingliedrige individuell ansteuerbare Elektrodenstruktur auf einer oder mehreren Substratseiten. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Ebene der

Flüssigkristallschicht (In Plane) kann der Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an ein benachbartes Elektrodenpaar, welches sich auf einer Substratseite befindet, erreicht werden. Durch Anlegen eines geeigneten periodischen Spannungsprofils an die Elektrodenstruktur wird die gewünschte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der aktiven Schicht, welche sich zwischen zwei Substraten befindet, erreicht, so dass eine adäquate periodische Änderung des Polarisationszustandes des einfallenden Lichtes erfolgt. Dabei bestimmt die Periode des Spannungsprofils bei einer vorgegebenen Wellenlänge und einem vorgegebenen Einfallswinkel den

Ablenkwinkel. Beispielsweise können die Elektroden auf einem Substrat kammartig angeordnet sein. An eine solche Elektrodenstruktur lässt sich ein Spannungsprofil anlegen, das in der Ebene der Flüssigkristallschicht wirkt und zu einer Änderung der Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht führt. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle im spannungslosen Zustand wird dabei ebenfalls durch eine oder mehrere Ausrichtungsschichten bewirkt, die in diesem Fall auch unstrukturiert sein können.

Bei diesem Typ von Gittern kann durch Variation der Gitterperiode der Ablenkwinkel verändert werden.

Polarisationsgitter können reflektiv oder transmissiv arbeiten. Ein reflektives

Polarisationsgitter ist beispielsweise in der Patentschrift US 6 924 870 B1

beschrieben.

Polarisationsgitter fester Gitterperiode können mit kleinen Gitterperioden und damit großen Ablenkwinkeln strukturiert werden. Für Polarisationsgitter mit einstellbarer Gitterperiode begrenzen die maximal erreichbare Auflösung bei der Strukturierung der Elektrodenstruktur und deren individuellen Ansteuerung den maximal

erreichbaren Ablenkwinkel.

Von Flüssigkristallbildschirmen sind auch Anordnungen nematischer Flüssigkristalle bekannt, die eine Verdrillung (Twist) aufweisen, sogenannte twisted nematic (TN) Modes. In einer TN Flüssigkristallzelle unterscheidet sich die Orientierung der Ausrichtungsschichten auf beiden Substraten, beispielsweise um 90°. Aufgrund der elastischen Energie der Flüssigkristalle stellt sich dann eine kontinuierliche Verdrillung über die Flüssigkristallschicht ein. Bekannt sind auch cholesterische Flüssigkristallphasen, die chirale Moleküle enthalten und eine Helixstruktur ihrer Orientierung ausbilden. Eine solche Helixstruktur weist ebenfalls eine Verdrillung auf. Häufig weisen daher TN Flüssigkristallmischungen auch eine Beimischung von chiralen Dopanden auf, d.h. die dotierten Flüssigkristallmoleküle besitzen keine Drehspiegelachse. Diese Dopanden induzieren eine Verdrillung des Flüssigkristalls. Die Verdrillung in der TN Zelle wird dann nicht alleine durch die Orientierung an den Ausrichtungsschichten bewirkt, sondern wird auch von der Tendenz der

Flüssigkristalle, ohnehin ein verdrillte Struktur auszubilden, unterstützt.

Bei einem Polarisationsgitter fester Gitterperiode liegt eine periodische Änderung der Orientierung der Ausrichtungsschichten vor. Sind die Ausrichtungsschichten auf beiden Seiten eines solchen Polarisationsgitters bezüglich ihrer Strukturierung lateral gegeneinander verschoben, so kann sich die Ausrichtung entlang der

Flächennormalen der Flüssigkristallschicht ändern, d. h. die Moleküle erfahren entlang der Flächennormalen eine zusätzliche Verdrillung (Twist). Über den Bereich einer Gitterperiode ändert sich die Orientierung auf einer Ausrichtungsschicht um 360°. Beispielsweise entspricht eine 90° Verdrillung von der einen zur anderen Ausrichtungsschicht dann einer lateralen Verschiebung der Orientierung der beiden Ausrichtungsschichten zueinander um ein Viertel einer Gitterperiode.

Da chirale Flüssigkristallmischungen bereits eine Verdrillung aufweisen, kann sich auch eine verdrillte Flüssigkristallschicht einstellen, wenn nur eine

Ausrichtungsschicht vorhanden ist. Dies erlaubt es, Polarisationsgitter fester

Gitterperiode herzustellen, bei denen die Orientierung der Flüssigkeitsmoleküle eine Verdrillung aufweisen und die nur ein Substrat benötigen, wenn die

Flüssigkristallmoleküle beispielsweise in einer Polymermatrix gebunden sind. Der Verdrillungswinkel lässt sich dabei durch die Zusammensetzung des Materials, das heißt des mengenmäßigen Anteils und der Art des chiralen Dopanden, einstellen.

Die internationale Patentanmeldung WO 2008 / 130 555 A1 beschreibt ein

Polarisationsgitter mit Twist. Dort wird ebenfalls die Verwendung chiraler Dopanden beschrieben, um auf einer einzelnen Ausrichtungsschicht ein Polarisationsgitter mit Twist zu erhalten. Es werden auch zweischichtige Polarisationsgitter mit

unterschiedlichen periodischen Ausrichtungsschichten auf einem Substrat und zwischen den beiden passiven Flüssigkristallschichten beschrieben. Die beiden Flüssigkristallschichten weisen beispielsweise einen entgegengesetzten Twist auf und besitzen achromatische Eigenschaften, d. h. sie weisen eine hohe

Beugungseffizienz bei mehreren Wellenlängen auf. Sie besitzen aber nur für einen schmaleren Einfallswinkelbereich eine hohe Beugungseffizienz.

Die Flüssigkristallmoleküle können auch gegenüber der Ebene der

Flüssigkristallschicht eine Kippung (Tilt) aufweisen. Ein solcher Kippwinkel kann z. B. durch ein elektrisches Feld quer zur Ebene der Flüssigkristallschicht eingestellt bzw. gesteuert werden. Ein solches Feld kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein Elektrodenpaar, bei dem sich je eine Elektrode auf einem der beiden

Substratflächen befindet, erzeugt werden.

Polarisationsgitter können so ausgestaltet werden, dass Licht abhängig vom

Polarisationszustand des eintretenden Lichtes vorzugsweise in die +1 . oder -1 .

Beugungsordnung mit annähernd 100% Beugungseffizienz gebeugt wird.

Die Beugungseffizienz für die ±1 . Ordnung η _±1 berechnet sich für ein Gitter der Schichtdicke d und der Doppelbrechung An der flüssigkristallinen Schicht zu:

Wobei S ₃ ' der normalisierte Stockes-Parameter S3/S0 ist. Die Stokes-Parameter S ₀ - S3 beschreiben den Polarisationszustand des einfallenden Lichtes.

Für zirkulär polarisiertes Licht wird demnach eine Beugungseffizienz η _±1 von 100% erreicht, wenn die Doppelbrechung An = h/2d beträgt. Ist beispielsweise das einfallende Licht rechtszirkular polarisiert, so beträgt S ₃ ' = -1 und alles Licht wird in die 1 . Beugungsordnung gebeugt. Bezüglich seiner Dicke entspricht ein solches Polarisationsgitter einer K/2 Platte. Im Gegensatz zu einer K/2 Platte mit fester optischer Achse ändert sich aber bei Polarisationsgittern lokal der Winkel der optischen Achse in der Gitterebene. Dieser Winkel dreht sich innerhalb einer

Gitterperiode um 180°. Beim Durchlaufen der doppelbrechenden

Flüssigkristallschicht erfährt das Licht entsprechend einer K/2 Platte eine relative Phasenänderung, so dass es nach dem Austritt linkszirkular polarisiert ist.

Linkszirkular polarisiertes Licht würde entsprechend S3' = 1 in die -1 .

Beugungsordnung gebeugt und würde das Gitter als rechtszirkular polarisiertes Licht verlassen. Die Beugungseffizienz der 0. Ordnung _η0 berechnet sich zu:

Sie ist unabhängig vom Polarisationszustand des einfallenden Lichtes. Für eine Doppelbrechung An = A/2d wird die 0. Beugungsordnung weitestgehend unterdrückt. Für eine Doppelbrechung die von An = A/2d abweicht ist die 0. Beugungsordnung vorhanden. Bei geeigneter Wahl des Polarisationszustandes des einfallenden Lichtes (zirkulär polarisiert) unterscheidet sich aber der Polarisationszustand der 0. Ordnung von derjenigen der ±1 . Ordnung. Wenn beispielsweise das einfallende Licht linkszirkular polarisiert ist so ist die 0. Ordnung ebenfalls linkszirkular polarisiert, die - 1 . Ordnung aber rechtszirkular und die +1 . Ordnung hat die Intensität nahezu 0. Dies kann vorteilhaft für eine Filterung von Ordnungen verwendet werden. Ein zirkularer Polarisator der dem Polarisationsgitter nachgeordnet ist, kann beispielsweise die 0. Ordnung blockieren und die -I .Ordnung durchlassen.

Die Beugungseffizienz ist also bei vorgegebener Schichtdicke von der Wellenlänge und der Doppelbrechung abhängig.

Eine Effizienz in der +1 . oder -1 . Beugungsordnung von nahe 100 % wird

normalerweise nur für geraden Einfall des Lichtes erzielt. Mit schrägem Winkel nimmt die Effizienz ab, gleichzeitig steigt der meist unerwünschte Anteil des ungebeugten Lichtes der 0. Ordnung.

Polarisationsgitter können auch mehrschichtig hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise das Ausrichtungsmuster der Flüssigkristallmoleküle der einzelnen Schichten voneinander abweichen bzw. gegeneinander verschoben sein. Solche Anordnungen sind beispielsweise ebenfalls in der internationalen Patentanmeldung WO 2006 / 092 758 A2 oder in der internationalen Patentanmeldung WO 2008 / 130 561 A1 beschrieben, um beispielsweise Polarisationsgitter zu erhalten, die für einen breiten Wellenlängenbereich eine hohe Beugungseffizienz besitzen (achromatische Polarisationsgitter).

Ändert sich die Einfallsrichtung des Lichtes, ändert sich zugleich die wirksame Schichtdicke. Dieser Effekt steigt, je größer der Einfallswinkel wird. Allerdings ändert sich auch die effektive Doppelbrechung der Flüssigkristall Schicht (Liquid Crystal Schicht; LC-Schicht) für Licht das schräg zu der Orientierung der Flüssigkristall- Moleküle (LC Moleküle) durch die Zelle hindurch tritt. Sie wird bei schrägem

Durchgang kleiner. In der Regel überwiegt dieser Effekt demjenigen der größeren geometrischen Schichtdicke, so dass die effektive optische Weglänge für schrägen Durchgang kleiner wird. Werden durch ein elektrisches Feld die

Flüssigkristallmoleküle in ihrer Orientierung verändert so kann dies bei einem Pixel mit einheitlicher Flüssigkristallorientierung beispielsweise dazu führen, dass für Licht, das schräg von links einfällt, die effektive Doppelbrechung größer wird und für Licht, das schräg von rechts einfällt, die effektive Doppelbrechung kleiner wird. In einer herkömmlichen Flüssigkristallzelle zur Amplitudenmodulation nutzt man bei einigen Technologien eine Struktur mit mehreren Teilbereichen unterschiedlicher

Flüssigkristallorientierung um diesen Effekt auszugleichen (Multi-Domänenstruktur).

In einem Polarisationsgitter mit periodischer Orientierung der LC Moleküle würde aber ein Ankippen der LC Moleküle aus der Ebene der Substrate eine periodisch veränderliche effektive optische Weglänge für das schräg einfallende Licht bewirken. Das Gitter ist dann kein reines Polarisationsgitter mehr, sondern von Anteilen anderer Gittertypen zusätzlich überlagert. In der Regel erreicht man daher nicht nahezu 100 % Beugungseffizienz in einer einzelnen Ordnung.

In Einrichtungen, in denen mehrere fokussierende oder Licht ablenkende

Komponenten in Serie eingesetzt werden, trifft Licht, das von einer vorhergehenden Komponente bereits abgelenkt wurde, unter Umständen jedoch schräg auf die nachfolgenden Elemente. Beispielsweise kann ein holographisches Display mehrere Komponenten nacheinander zur Fokussierung von Licht und zur

Betrachternachführung enthalten. Licht kann beispielsweise erst von einer Feldlinse fokussiert werden und fällt dann schräg auf ein Polarisationsgitter das die Aufgabe hat das Licht weiter abzulenken.

Werden mehrere steuerbare Elemente in Serie eingesetzt, so kann der Winkel, mit dem das Licht auf das letzte Element auftrifft, je nachdem wie die vorhergehenden Elemente angesteuert wurden, variieren. Diese steuerbaren Elemente können beispielsweise ein Stapel von Polarisationsgittern sein in dem der

Gesamtablenkwinkel durch verschiedene Kombination der Ablenkwinkel einzelner Gitter erzeugt wird.

Allgemein kann der Eintritts- bzw. Einfallswinkel des Lichts in ein Polarisationsgitter z.B. durch eine Kombination unterschiedlicher diffraktiver Elemente, wie

Volumengitter, oder refraktiver Elemente, wie Prismen, die im Lichtweg vor dem Polarisationsgitter angeordnet sind, eingestellt oder geändert werden.

Auch kann sich beispielsweise bei solaren Anwendungen der Einfallswinkel mit der Sonnenposition ändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Diffraktives Optisches Element der eingangs genannten Art anzugeben und weiterzubilden, durch welches die

vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll ein hoher

Beugungswirkungsgrad für die ±1 . Ordnung für einen vorgebbaren oder veränderbaren Einfallswinkel in einem weiten Einfallswinkelbereich erzielbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Erfindungsgemäß ist ein Polarisationsgitter zur diffraktiven Lichtablenkung mit mindestens einer Flüssigkristallschicht auf einem Substrat, wobei die Flüssigkristallschicht Flüssigkristallmoleküle mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht in einer oder zwei zueinander orthogonalen Richtungen periodischen Änderung ihrer Orientierung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle so eingestellt oder einstellbar ist, dass Licht einer vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der

Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt.

Das Polarisationsgitter kann ein Polarisationsgitter zur festen oder schalt- oder steuerbaren Lichtablenkung sein, das mindestens eine Flüssigkristallschicht auf einem oder aber auch zwischen mindestens zwei Substraten enthält. Die

Flüssigkristallschicht enthält Flüssigkristallmoleküle, wobei die Flüssigkristallmoleküle zueinander eine periodische Änderung ihrer Orientierung in einer oder in zwei zueinander orthogonalen Richtungen innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht aufweisen. Zudem wird mindestens eine weitere Orientierungsänderung der

Flüssigkristallmoleküle so vorgegeben oder steuerbar eingestellt, dass Licht einer vorgebbaren bzw. vorgegebenen Polarisation mit einem vorgebbaren oder steuerbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine vorgebbare Phasenverzögerung erfährt. Die weitere einzustellende

Orientierungsänderung der Flüssigkristallmoleküle braucht dabei selbst nicht in der Ebene der Flüssigkristallschicht liegen, wie es beispielsweise ein Einstellung oder Änderung der Verkippung der Flüssigkristallmoleküle gegen die Ebene der

Flüssigkristallschicht darstellt. Neben der Einstellung bzw. Steuerung der Verkippung kann alternativ oder gleichzeitig beispielsweise auch die Verdrillung der

Flüssigkristallmoleküle zwischen den beiden Substarten eingestellt bzw. gesteuert werden. Durch die Einstellung bzw. Steuerung der Orientierung der

Flüssigkristallmoleküle kann zugleich auch eine Anpassung der Beugungseffizienz an das eingestrahlte Wellenlängenspektrum erfolgen.

In vorteilhafter Ausführung erfährt im erfindungsgemäßen Polarisationsgitter das Licht beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht eine maximale Beugungseffizienz in der +1 . oder -1 . Beugungsordnung. Hierfür ist vorteilhaft die Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle auf der Stecke in der Flüssigkristallschicht, die jeweils vom Licht durchlaufenen wird, konstant, d.h. die Flüssigkristallmoleküle auf der vom Licht durchlaufenen Strecke sind alle gleichartig orientiert.

Polarisationsgitter können als passive Gitter, als schaltbare Gitter fester Gitterperiode oder als in ihrer Gitterperiode steuerbare Gitter ausgestaltet werden:

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als in seiner Gitterperiode steuerbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht steuerbaren periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als passives Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren fest eingestellten Orientierungsänderung ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarisationsgitters ist dieses als schaltbares Gitter mit einer innerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht festen periodischen Änderung der Orientierung sowie mindestens einer weiteren schaltbar oder steuerbar einstellbaren Orientierungsänderung ausgebildet.

Bei den hier betrachteten Polarisationsgittern ändern sich die die Polarisation beeinflussenden optischen Eigenschaften vornehmlich in einer optisch aktiven Ebene periodisch, die sich auf einem Substrat oder zwischen mindestens zwei Substraten befindet. Im Allgemeinen sind dabei die Substrate parallel zueinander angeordnet. Sie können aber auch einen sich in der Fläche ändernden Abstand aufweisen, um beispielsweise die Stärke der periodischen Änderung der optischen Eigenschaften lokal zu variieren. Weiterhin kann das oder die Substrate auch eine Krümmung aufweisen.

In einem Display mit paralleler aber schräger Beleuchtung unter einem bekannten Winkel kann man durch geeignete Ansteuerung der LC Moleküle folglich den schrägen Einfall ausgleichen. Damit ist eine hohe Beugungseffizienz erreichbar. Vorteilhaft wird das Polarisationsgitter so ausgestaltet dass die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der mindestens einen Flüssigkristallschicht als ein Anteil an der Gesamtonentierung und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle außerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht als ein weiterer Anteil an der

Gesamtorientierung den örtlichen Verlauf der Doppelbrechung der

Flüssigkristallschicht bestimmen. Die Orientierung der Flüssigkristallschicht ändert sich dabei periodisch in ein oder zwei Richtungen der Flüssigkristallebene um ein Polarisationsgitter zu bilden.

Diese Änderung kann beispeisweise auch entlang konzentrischer Kreise erfolgen. Durch das Einstellen bzw. Steuern der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle außerhalb der Ebene der Flüssigkristallschicht, beispielsweise einem

entsprechenden Kippwinkel gegen die Ebene der Flüssigkristallschicht, kann die Doppelbrechung lokal so eingestellt werden, das für die gewünschte Wellenlänge und den gewünschten Eintrittwinkel in die Flüssigkristallschicht das Licht mit möglichst maximaler Effizienz gebeugt wird. Eine Zirkulare Anordnung kann so beispielsweise vorteilhaft in einem optischen System eingesetzt werden, das nicht kollimiert beleuchtet wird, wie es beispielsweise bei optischen Systemen mit einer Mehrfachabbildung der Fall ist.

Allgemein erfährt zirkulär polarisiertes Licht eine Phasenänderung beim Durchlaufen einer doppelbrechenden Schicht, die proportional zum Drehwinkel der optischen Achse dieser doppelbrechenden Schicht ist. Bei einem Polarisationsgitter ändert sich dieser Drehwinkel periodisch entlang der doppelbrechenden Schicht kontinuierlich, so dass Lichtstrahlen eine periodische Phasenänderung gegenüber lateral versetzter Lichtstrahlen aufweisen. Eine solche periodische Phasenänderung führt zur Beugung und damit zur Ablenkung des Lichtes. Läuft ein Lichtstrahl jedoch schräg durch ein herkömmliches Polarisationsgitter ohne Verdrillung, so trifft der Lichtstrahl in verschiedenen Tiefen in der Flüssigkristallschicht auf unterschiedliche Orientierungen der Flüssigkristalle also unterschiedliche Phasen. Dies führt zu einer Art Glättung oder Verschmierung des Verlaufs der Phasenmodulation, der dann von einem Prisma abweicht und so die Beugungseffizienz verringert. Erfindungsgemäß wird durch die Einführung einer zusätzlichen Verdrillung ein Zustand eingestellt, bei dem ein schräg verlaufender Lichtstrahl in der

Flüssigkristallschicht in jeder Tiefe auf die gleiche Orientierung der Flüssigkristalle trifft. Damit wird eine Verschmierung des Verlaufs der Phasenmodulation verhindert.

Das Polarisationsgitter kann demnach so ausgestaltet sein, dass die

Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der Flüssigkristallschicht mindestens in eine Richtung periodisch gegeneinander verdreht sind und zusätzlich senkrecht zur Flüssigkristallschicht eine Verdrillung aufweisen, wobei Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschicht so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen. Ändert sich der Einfallswinkel, so wird die Verdrillung und/oder die Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle in der Tiefe der

Flüssigkristallschicht so angepasst, dass jeder Lichtstrahl jeweils nur auf

Flüssigkristallmoleküle gleichen Drehwinkels treffen, wobei sich die Drehwinkel selbst in der Ebene periodisch ändern um das Polarisationsgitter zu formen.

Licht, das unter einem Winkel α auf ein Polarisationsgitter mit einer

Flüssigkristallschicht der Dicke d auftrifft, tritt um die Strecke L = d ^* tan(a') lateral versetzt aus der Flüssigkristallschicht aus. Dabei ist a' der Winkel, unter dem sich der Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel α in der Flüssigkristallschicht auf Grund der

Brechzahlen der beteiligten Schichten, insbesondere des Substrates auf der

Einfallseite und der Flüssigkristallschicht selbst, entsprechend des

Brechungsgesetzes fortpflanzt. Die Flüssigkristallorientierung wird bei einem solchen Polarisationsgitter vorteilhaft so eingestellt, dass sie am unteren Substrat in der lateralen Position 0 und am oberen Substrat in der lateralen Position L = d ^* tan(a') den selben Wert aufweist, wobei sich diese Orientierung in lateraler Richtung innerhalb einer Gitterperiode Λ um 180° dreht. Der Verdrillwinkel τ zwischen oberen und unteren Substrat wird also vorteilhaft auf den Wert τ = 180° ^* d ^* tan(a') / Λ eingestellt.

Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein passives Polarisationsgitter, welches auf einen festen Einfallswinkel α und einen festen Ablenkwinkel ß für Licht der Wellenlänge λ optimiert wird, wobei die Verdrillung über die Konzentration und Art eines chiralen Dopanden, der der Flüssigkristallschicht beigemischt ist, eingestellt wird. Die Flüssigkristallmoleküle können dabei in einem polymerisierbaren Monomer eingebettet sein. Bei der Herstellung des Polarisationsgitters kann nach Auftragen des polymerisierbaren Monomers auf einem Substrat mit einer Ausrichtungsschicht das Monomer nach Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle an der

Ausrichtungsschicht auspolymerisiert werden. Der chirale Dopand und seine

Konzentration in der Flüssigkristallschicht wird dabei so ausgewählt, dass sich über die Schichtdicke d der Flüssigkristallschicht der Verdrillungswinkel τ = 180° ^* d ^* tan(a') / Λ einstellt. Hierbei steht die Gitterperiode Λ in Bezug zu den Ablenkwinkeln als A = A / (sin(a) + sin(ß)).

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein passives

Polarisationsgitter, das ebenfalls auf einen festen Einfallswinkel α und einen festen Ablenkwinkel ß optimiert wird. Dabei wird eine Flüssigkristallschicht zwischen 2 Substrate mit jeweils einer Ausrichtungsschicht orientiert. Die Ausrichtungsschichten auf beiden Seiten der Flüssigkristallzelle sind bezüglich ihrer Strukturierung lateral gegeneinander verschoben, vorzugsweise um den Betrag I = d ^* tan(a'). Die

Flüssigkeitsmoleküle sind beispielsweise in ein polymerisierbares Monomer eingebettet, das nach ihrer Ausrichtung auspolymerisiert wird.

Die Dicke der Flüssigkristallschicht eines Polarisationsgitters kann vorteilhaft so an einen bevorzugten Einfallswinkel und eine bevorzugte Wellenlänge angepasst werden, dass die Phasenänderung des Lichtes zwischen ordentlichen und

außerordentlichen Strahl bei diesem Einfallswinkel und dieser Wellenlänge

weitestgehend einer halben Wellenlänge entspricht.

In einer besonderen Variante einer der oben genannten Ausführungsformen wird der laterale Versatz gleicher Drehwinkel der Verdrillung zwischen Ober- und Unterseite der Flüssigkristallschicht weitestgehend auf eine halben Gitterperiode eingestellt. Die Verdrillung ist also 90°. In diesem Fall ist das Polarisationsgitter gleichermaßen für den Einfall unter einem Winkel α wie auch -a optimiert. Damit kann es zum Beispiel vorteilhaft in einem Polarisationsgitterstapel eingesetzt werden in dem ein erstes Gitter für senkrechten Einfall ausgelegt ist und je nach einfallender Polarisation um den Winkel ßi =C(2 oder ßi =-C(2 ablenkt. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, ein zweites Gitter zur weiteren Lichtablenkung auf diesen schrägen Einfall zu optimieren.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist ein schaltbares

Polarisationsgitter, welches mit mindestens einer optisch wieder beschreibbaren Ausrichtungsschicht ausgestaltet ist. Bei sich änderndem Einfallswinkel α wird durch eine geeignete Belichtung in der photoempfindlichen Ausrichtungsschicht deren Ausrichtungsmuster lateral um d ^* tan(a) gegenüber der zweiten festen oder änderbaren Ausrichtungsschicht verschoben. Entsprechend stellt sich eine geänderte Orientierung der Flüssigkristallschicht ein. Die Belichtung kann beispielsweise mit einem Interferenzmuster durch UV Licht erfolgen. Sind beide Schichten optisch änderbar, kann zusätzlich auch die Gitterperiode einstellbar ausgestaltet werden. Dazu können beide Ausrichtungsschichten über eine unterschiedliche spektrale Sensibilisierung verfügen. Die Belichtungseinheiten für die Veränderung der

Ausrichtungsschichten können auch so ausgestaltet werden, dass auf beide

Schichten separat fokussiert wird und das nicht auf eine Schicht fokussierte Licht unterhalb der Sensibilisierungsschwelle dieser Ausrichtungsschicht bleibt. Es ist auch möglich, eine optisch wieder beschreibbare Ausrichtungsschicht mit einer

Flüssigkristallschicht zu kombinieren, die eine Elektrodenstruktur zum Einstellen der Gitterperiode enthält, wobei die optischen Einschreibmuster für die

photoempfindliche Ausrichtungsschicht an die aktuelle Gitterperiode angepasst werden.

Mit Hilfe eine geeigneter Elektrodenstrukturen, welche sich auf einem oder auf beiden Substraten befindet können, lassen sich Polarisationsgitter schaltbar ausgestalten. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenstruktur kann dabei die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle so geändert werden, dass in

Strahlrichtung keine Doppelbrechung auftritt bzw. die Beugungseffizienz beeinflusst wird. Ein solche Polarisationsgitter lässt sich auch als Lichtmodulator einsetzen, wenn geeignete Maßnahmen zur Unterdrückung der unerwünschten

Beugungsordnung, wie Polarisationsfilter und/oder Blenden, getroffen werden. Ein solcher Lichtmodulator lässt sich auch in ein oder zwei Richtungen in einzelne Modulatorzellen unterteilen.

Eine mögliche Ausgestaltung eines solchen schaltbaren Polarisationsgitters mit fester Gitterperiode, das auf einen variablen Einfallswinkel α und einen festen

Ablenkwinkel ß optimiert ist, kann auf einem Substrat über eine Ausrichtungsschicht mit einer festen Strukturierung und auf dem zweiten Substrat über eine kammartige Elektrodenstruktur zur Verdrillung der Flüssigkeitsmoleküle relativ zu dieser

Ausrichtungsschicht verfügen, um jeweils eine hohe Beugungseffienz in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α zu ermöglichen.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Polarisationsgitters mit variabel einstellbarer Gitterperiode also variablem Ablenkwinkel ß, das auf einen variablen Einfallswinkel α ausgelegt ist. Die in der internationalen Patentanmeldung WO 201 1 / 067 265 A1 der Anmelderin beschrieben Gitter mit hybridem Alignment ermöglichen zwar das Einstellen einer variablen Gitterperiode, allerdings weisen die dort beschriebenen Flüssigkristallschichten eine senkrechte Ausrichtung der

Flüssigkristallmoleküle auf einer Ausrichtungsschicht auf. Das Einstellen einer variablen Gitterperiode durch ein elektrisches Feld ist bei dieser Ausrichtung nur nahe dem Substrat mit der planaren (waagerechten) Orientierung der Flüssigkristalle möglich. Daher ist in der dort beschriebenen Anordnung die Einstellung einer

Verdrillung nicht möglich. Erfindungsgemäß weisen die Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht des Polarisationsgitters daher eine gebogene Struktur (Bend) auf. Dabei sind die Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht an beiden

Ausrichtungsschichten nahezu horizontal und in der Mitte der Flüssigkristallschicht aber ungefähr senkrecht orientiert. Diese Ausrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie die in der Anmeldung WO 201 1 / 067265 A1 beschriebene Anordnung. Durch Elektrodenpaare, die sich jeweils auf beiden Substraten befinden, kann zusätzlich eine variable Verdrillung eingestellt werden, indem die anliegenden Spannungen an den Elektroden auf dem unteren und oberen Substrat entsprechend des

Einfallwinkels lateral zueinander verschoben werden.

Die Einstellung bzw. Steuerung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle und damit der wirksamen Doppelbrechung für das die Flüssigkristallschicht unter dem gewünschten Einfallswinkel durchlaufende Licht erfolgt dabei so, dass die ordentlichen und außerordentlichen Anteile der Lichtstrahlen eine solche

Phasendifferenz erhalten, dass die Beugung des Lichts in die gewünschte Richtung mit möglichst optimaler Effektivität erfolgt. Die dazu notwendigen Einstellwerte können experimentell ermittelt werden oder durch Simulationsrechnungen gewonnen werden. Erfolgt eine steuerbare Änderung der Orientierung, können die dazu notwendigen Steuerparameter auch durch optische Sensoren ermittelt werden, die dazu zumindest in einen Teilbereich des gebeugten Lichtes angeordnet werden können, um die maximale Helligkeit des gebeugten Lichtes zu erfassen. Die

Einstellung der notwendigen Steuerparameter kann beispielsweise durch eine Systemsteuerung erfolgen, die in dem System, in welcher das Polarisationsgitter enthalten ist, vorhanden ist. Diese Systemsteuerung kann z. B. auch den

gewünschten Beugungswinkel einschalten oder steuern.

Die Steuerparameter werden vorzugsweise für die Schwerpunktwellenlänge des Lichtwellenspektrums, welches im Polarisationsgitter gebeugt werde soll, bestimmt. Wird das Polarisationsgitter in einem Zeitmultiplexverfahren mit unterschiedlichen Lichtspektren betrieben, beispielsweise bei Anwendungen in einem Farbdisplay, ist es vorteilhaft, die Einstellparameter für jedes Wellenlängenspektrum separat zu ermitteln und entsprechend der zeitlichen Abfolge der Spektren das

Polarisationsgitter mit dem zugehörigen Einstellparameter anzusteuern.

Bei Gittern mit einer festen Gitterperiode ist die Verdrillung in der Regel für unterschiedliche Wellenlängen gleich. Es könnte sich beispielsweise aber die Verkippung der Flüssigkristalle ändern. Bei Gittern mit einer variablen Periode kann beispielsweise die Gitterperiode jeweils auf die Wellenlänge angepasst werden um einen festen Ablenkwinkel zu erhalten. Damit ändert sich auch die Verdrillung.

Bei Polarisationsgittern, deren Beugungswinkel in einer oder zwei Richtungen variiert, beispielsweise um eine fokussierende Funktion zu implementieren, ist es vorteilhaft, die Einstellparameter für den jeweiligen Eintrittsort separat zu bestimmen bzw. einzustellen. Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann mit einer festen Gitterperiode ausgestaltet sein. Feste Gitterperiode bedeutet dabei, dass der lokale Verlauf der Gitterperiode nicht änderbar ist und bei einer vorgegebenen Wellenlänge und einem vorgegebenen Einfallswinkel des Lichtes den lokalen Beugungswinkel festlegt. Die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle kann dabei so eingestellt werden, dass die Beugung des Lichtes in die gewünschte Richtung mit möglichst maximaler Effektivität erfolgt. Vorteilhaft wird das Gitter so ausgestaltet, das die Orientierung der

Flüssigkristalle steuerbar ist, so dass die effektive Doppelbrechung der

Flüssigkristallschicht an einen vorgegebenen Einfallswinkel so angepasst werden kann, dass das Licht mit maximal möglicher Effektivität gebeugt, d. h. abgelenkt wird. Das Steuern der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle erfolgt vorteilhaft durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine geeignete Elektrodenstruktur. Die Elektrodenstruktur hängt dabei von den Strukturierungen der Ausrichtungsschichten und der benötigten Beeinflussung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle ab. Die Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle kann dabei durch ein elektrisches Feld in der Ebene der Flüssigkristallschicht geändert werden, wie es durch Anlegen einer Spannung an Elektrodenpaaren erreicht werden kann, die sich auf einem

gemeinsamen Substrat befinden. Das Feld muss dabei so angelegt werden, dass die Moleküle aus der durch die Ausrichtungsschicht vorgegebenen Orientierung herausgedreht werden. Ein zur Flüssigkristallschicht senkrechter Feldverlauf lässt sich durch Anlegen einer Spannung an Elektroden zwischen den beiden Substraten erreichen. Damit kann der Kippwinkel der Flüssigkristallmoleküle zur

Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Im Allgemeinen ist dieser Kippwinkel auch bei einer angelegten Spannung über der Tiefe der Flüssigkristallschicht nicht einheitlich, da die beiden begrenzenden Substratflächen als Störstellen eine

Orientierung vorgeben. Es wird damit ein mittlerer oder effektiver Kippwinkel wirksam, der die Doppelbrechung festlegt. Bei einem schrägen Durchgang des Lichts durch das Polarisationsgitter sollte die Spannung an die Elektroden zum Abschalten des Gitters so gelegt werden, dass die kristalloptische Achse in Lichtrichtung zeigt, d.h. keine Doppelbrechung wirksam wird. Im eingeschalteten Zustand ist die

Spannung so zu wählen, dass die erforderliche Doppelbrechung für eine maximale Beugungseffizienz eingestellt wird. Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann aus mehreren hintereinander liegenden Flüssigkristallschichten zwischen den beiden Substraten bestehen, wobei gleiche Drehwinkel der Verdrillung entlang der Flüssigkristallschichten so verschoben sind, dass Lichtstrahlen mit einem vorgebbaren Einfallswinkel beim Durchlaufen der Flüssigkristallschichten auf Positionen gleicher Drehwinkel treffen. Die

Ausrichtungsschichten, die bei der Herstellung der Polarisationsgitter zwischen die einzelnen Flüssigkristallschichten angeordnet werden, werden dafür so strukturiert, das die gewünschte Verschiebung der Verdrillung zwischen den einzelnen

Flüssigkristallschichten eingestellt und damit an den lokal fest vorgegebenen

Einfallswinkel des Lichtes angepasst wird.

Erfindungsgemäß kann das Polarisationsgitter so ausgestaltet werden, dass mindestens eine zweite Flüssigkristallschicht vorhanden ist, deren Vorzeichen der Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle sich von der ersten Flüssigkristallschicht unterscheidet, wobei beide Flüssigkristallschichten die gleiche Gitterperiode aufweisen. Die beiden Polarisationsgitterschichten sind vorteilhaft so zueinander verschoben, dass lokal die optischen Achsen um 90 Grad zueinander gedreht sind. Die Dicke der beiden Flüssigkristallschichten di bzw. d ₂ werden vorteilhaft so gewählt, dass der Betrag der Differenz der beiden optischen Weglängen für eine Designwellenlänge λ einer Halbwellenplatte entspricht (|Δηι di - Δη ₂ d ₂ | = λ/2).

Gleichzeitig sollte die Bedingung ai ^* Ani ^* di + a ₂ ^* An ₂ ^* d ₂ = 0 eingehalten werden. Dabei sind ai und a ₂ zwei Konstanten ai = (noi+nei)/(2 ^* n ₀ i ^2* n _e i) und a ₂ =

(no ₂ +ne ₂ )/(2 ^* n _o2 ^2* n _e2 ). Die Schichtdicken d1 und d2 errechnen sich damit zu di = (a ₂ / (ai + a ₂ )) ^* λ/(2 ^* Δηι) und d ₂ = I (ai + a ₂ )) ^* λ/(2 ^* Δη ₂ ). Vorteilhaft ist, dass bei dieser Anordnung die Beugungseffizienz für einen breiten Winkelbereich optimiert ist. Die genannte Bedingung a1 ^* An1 ^* d1 + a2 ^* An2 ^* d2 = 0 sorgt dafür, dass sich winkelabhängige Änderungen des optischen Weges in der ersten und der zweiten Schicht teilweise gegenseitig kompensieren und so die gesamte Winkelabhängigkeit der zweischichtigen Anordnung verringert wird.

Im Falle eines dreischichtigen Systems, bei dem sich das Vorzeichen der

Doppelbrechung zweier Schichten mit der Dicke di und d ₂ gegenüber dem Vorzeichen der dritten Schichten der Dicke d3 unterscheidet, sollte beispielsweise die Bedingungen

(|Δηι di - Δη ₂ d ₂ - Δη ₃ d ₃ | = h/2),

Ani*di / (n ₀ i*n _e i ) + Ani*d ₂ / (n ₀ i ² ) + An ₃ *d ₃ / (n _o3 ² ) = 0 und Δηι* di / (n ₀ i ² ) + Ani*d ₂ / (n ₀ i * n _e i ) + An ₃ *d ₃ / (n _o3 * n _e3 ) = 0 eingehalten werden, wobei die Flüssigkristallmaterialien so gewählt werden, dass die Bedingung n _e i * n _e3 > n ₀ i * n _o3 möglichst erfüllt ist.

Ähnlich wie bei einem zweischichtigen System ist ein solches dreischichtiges System für einen breiten Einfallswinkelbereich ausgelegt, da sich durch die beiden

Bedingungen

Ani*di / (n ₀ i*n _e i ) + Ani*d ₂ / (n ₀ i ² ) + An ₃ *d ₃ / (n _o3 ² ) = 0 und

Δηι* di / (n ₀ i ² ) + Ani*d ₂ / (n ₀ i * n _e i ) + An ₃ *d ₃ / (n _o3 * n _e3 ) = 0 winkelabhängige Änderungen des optischen Weges in den 3 einzelnen Schichten gegenseitig kompensieren.

Positionen gleicher Drehwinkel der Verdrillung entlang der Durchlaufrichtung des Lichts durch eine oder der mehrere Flüssigkristallschichten mit einem vorgebbaren variablen Einfallswinkel werden in einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine feingliedrige Elektrodenstruktur individuell ansteuerbarer Elektroden, welche sich auf mindestens einem Substrat befindet, eingestellt. Die Elektrodenstruktur kann dabei so ausgestaltet werden, dass der Drehwinkel der Verdrillung entlang einer oder zwei Richtungen der

Substratebene gesteuert werden kann, wobei die Substratebene parallel zur Ebene der Flüssigkristallschicht liegt. Ist nur eine Steuerung in eine Richtung notwendig, kann es sich um ausgedehnte parallel zueinander verlaufende feingliedrige individuell ansteuerbare streifenförmige Elektroden handeln, die senkrecht zur Steuerrichtung über die Substratfläche verlaufen. Soll die Anpassung Drehwinkel der Verdrillung in zwei Richtungen erfolgen, werden die Elektroden vorzugsweise als kurze individuell ansteuerbare Elektrodenstreifen zellenförmig ausgestaltet, wie es der Anordnung von Elektroden in einem Flüssigkristalldisplay zum Schalten der Flüssigkristallmoleküle in der Displayebene (In-Plane-Switching, IPS) entspricht. Vorzugsweise tragen beide Substrate jeweils eine eigene Elektrodenstruktur. Der Verlauf der Elektrodenstreifen ist dabei vorzugsweise quer zur jeweiligen Ausrichtung der Flüssigkristalle an der zugeordneten Substratseite im spannungslosen Zustand benachbarter Elektrodenstreifen zueinander, wobei diese Ausrichtung durch die dem jeweiligen Substrat zugeordnete Ausrichtungsschicht festgelegt wird. Die

Ausrichtungsmuster beider Substrate können dabei jeweils an zugeordneten

Positionen gegeneinander verdreht sein, um eine gewünschte Verdrillung der

Flüssigkeitsmoleküle im spannungslosen Zustand vorzugeben. Entsprechend können die jeweiligen Elektrodenstreifenmuster der beiden Substrate ebenfalls

gegeneinander gedreht sein. Bei einem Polarisationsgitter mit einer festen

Gitterperiode, welches durch eine periodische Strukturierung einer oder mehrerer Ausrichtungsschichten vorgegeben wird, kann der lokale Verlauf benachbarter Elektrodenpaare auch jeweils paarweise an den Verlauf der Ausrichtungsschicht des zugeordneten Substrates und damit auch die zugehörige Zellenstruktur angepasst werden, d. h. benachbarte Elektrodenpaare sind in ein oder zwei Richtungen gegeneinander gedreht, wobei sie zusätzlich auch gegenüber dem zweiten Substrat gedreht sein können. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an die

Elektrodenpaare richten sich die kristalloptischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle entlang den Feldlinien aus. Die Winkeldifferenz der Drehung zwischen den beiden Substratseiten stellt dabei die Verdrillung ein. Durch Ändern der Spannungsdifferenz zwischen dem jeweiligen unteren und oberen Elektrodenpaar kann zusätzlich eine Verkippung der kristalloptischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle aus der Ebene der Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Trägt nur ein Substrat eine feingliedrige Elektrodenstruktur und das zweite Substrat eine großflächige gemeinsame Elektrode, wird die Verkippung durch Ändern der Spannungsdifferenz zwischen der

gemeinsamen Elektrode und der mittleren Spannungsdifferenz am jeweiligen

Elektrodenpaar eingestellt. Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Polarisationsgitter als Gitter mit variabler, d. h. steuerbarer Gitterperiode ausgestaltet. Dazu wird die periodische Änderung der die Polarisation des Lichtes beeinflussenden Ausrichtung der

Flüssigkristalle durch Anlegen eines periodischen Spannungsprofils an die

feingliedrige Elektrodenstruktur, die sich mindestens auf einer Substratseite befindet, eingestellt. Das Spannungsprofil bestimmt dabei den Verlauf der

Polarisationsänderung. Die Höhe des lokalen Spannungswertes zu einem

Bezugspotential legt dabei fest, wie stark sich die Lage der kristalloptischen Achse gegenüber der Lage, die durch die zugehörige Ausrichtungsschicht festgelegt wird, ändert. Die Periode des Spannungsprofils, bestimmt dabei die Gitterperiode des Phasengitters und damit auch den Beugungswinkel bei einem vorgegebenen

Einfallswinkel. Die Ausrichtungsschichten werden in der Regel über die gesamte Substratfläche einheitlich in eine Richtung strukturiert, wobei die

Ausrichtungsschichten der beiden Substrate gegeneinander gedreht sein können, z. B. orthogonal zueinander. Ohne ein entsprechendes Spannungsprofil an den feingliedrigen Elektrodenstrukturen bildet sich somit kein Polarisationsgitter aus und das Licht verlässt die Schicht unabgelenkt. Die Ausrichtungsschichten und die Elektrodenstruktur kann z. B. auch zirkulär zueinander ausgerichtet werden, um beispielsweise eine steuerbare Beugungslinse zu bilden.

Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann so ausgestaltet werden, dass die Periode der Änderung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle sich in ein oder zwei Richtungen entlang der Substratebene örtlich fest oder variabel ändert. Durch die örtliche Änderung der Gitterperiode wird eine örtliche Anpassung des

Beugungswinkels bei einem vorgegebenen Einfallswinkel des Lichts erreicht, um beispielsweise sammelnde oder streuende Eigenschaften des Polarisationsgitters zu realisieren. Die Variation der Gitterperiode jedoch kann dabei in unterschiedliche Richtungen auch unterschiedliche Werte aufweisen, um beispielsweise

Zylinderlinsentherme zu realisieren. Wird das Polarisationsgitter kreisförmig ausgebildet, kann sich beispielsweise die Periode in Richtung des Radius vorgebbar leicht ändert, um den Beugungswinkel zu variieren und so eine sammelnde oder streuende Funktion zu erhalten. Eine feste Änderung der Periode lässt sich beispielsweise durch eine örtliche

Variation der Ausrichtungsschichten erreichen. Bei Polarisationsgittern, bei denen die Gitterperiode über ein periodisches Spannungsprofil an einer feingliedrigen

Elektrodenstruktur einstellbar ist, kann die Periode des Spannungsprofils örtlich geändert werden. Durch örtliches Ändern der Periode des feingliedrigen

Elektrodenrasters kann zudem der erzielbare Beugungswinkelbereich bzw. die örtliche Winkelauflösung variiert werden. Dadurch kann z. B. der Ablenkbereich bzw. dessen Winkelspektrum örtlich nahezu konstant gehalten werden, wenn in das Polarisationsgitter zusätzlich eine Feldlinsenfunktion implementiert ist.

Das erfindungsgemäße Polarisationsgitter kann vorteilhaft auch so ausgestaltet werden, dass die Einstellung der mindestens einen weiteren Orientierung der Flüssigkristallmoleküle sich in ein oder zwei Richtungen entlang der Substratebene bzw. in der Ebene der Flüssigkristallschicht örtlich fest oder variable ändert. Durch diese örtliche Variation der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle kann die

Beugungseffizienz an einen örtlich variierenden Einfallswinkel des Lichtes in die Flüssigkristallschicht angepasst werden.

Bei festen Gittern lässt sich dies z. B. durch eine örtliche Variation der

Ausrichtungsrichtungen der Ausrichtungsschichten zueinander vorgeben, so dass Lichtstrahlen mit örtlich unterschiedlichen fest vorgegeben Einfallswinkeln beim Durchlaufen der Flüssigkristallschicht z. B. auf jeweils gleiche, dem Einfallswinkel zugeordnete, Drehwinkel der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle treffen. Ist die aktive Schicht aus mehreren hintereinander angeordneten Flüssigkristallschichten angeordnet, können auch die sich zwischen diesen Schichten befindlichen

Ausrichtungsschichten lokal so angepasst werden, dass Lichtstrahlen mit örtlich unterschiedlichen fest vorgegeben Einfallswinkeln beim Durchlaufen der

Flüssigkristallschichten auf jeweils gleiche, dem Einfallswinkel zugeordnete,

Drehwinkel der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle treffen.

Bei schalt- oder steuerbaren Gittern kann dies durch örtliche Variation der für die zusätzliche Orientierung verantwortlichen Ansteuerspannung erfolgen. Durch

Änderung der mittleren Spannungsdifferenz zwischen zugeordneten Elektrodenpaaren beider Substrate kann beispielsweise der Kippwinkel der

Flüssigkristallmoleküle zur Flüssigkristallschicht örtlich eingestellt werden. Durch örtliche Variation der Spannungsdifferenzen an den Elektrodenpaaren mindestens einer Substratseite kann der Drehwinkel der Verdrillung örtlich eingestellt werden.

In Anordnungen zur ein- oder zweidimensionalen festen oder variablen

Lichtablenkung, kann vorteilhaft mit mindestens einem der erfindungsgemäß beschriebenen Polarisationsgitter enthalten sein, insbesondere, wenn der Lichteintritt nicht senkrecht zur Lichteintrittsfläche der Lichtablenkanordnung erfolgen soll bzw. sich der Einfallswinkel örtlich oder zeitlich ändert. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Lichtablenkanordnung mehrstufig ausgebildet ist und/oder eine zusätzliche abbildende Funktion aufweist.

Eine solche erfindungsgemäße Lichtablenkanordnung ist z. B. vorteilhaft in einem Gerät zum rekonstruieren holographisch kodierter räumlicher Szenen enthalten, um mindestens einen kleinen Sichtbarkeitsbereich der holographischen Rekonstruktion den Bewegungen der Augen eines oder mehrerer Betrachter nachzuführen, um einen größeren Betrachterbereich zu ermöglichen. Dazu besitzt ein solches Gerät vorteilhaft ein Erkennungssystem, welches die Bewegungen des Kopfes bzw. der Augen des bzw. der Betrachter erfasst und über eine Systemsteuerung das mindestens eine Polarisationsgitter und gegebenenfalls weitere

Lichtablenkkomponenten so steuert, dass sich das Zentrum des

Sichtbarkeitsbereiches mit der Lage der zugeordneten Augenpupille weitestgehend deckt.

Mindestens ein erfindungsgemäßes Polarisationsgitter kann auch vorteilhaft in einer Anordnung zum Richten von Licht, insbesondere Sonnenlicht, auf eine

photoempfindliche Fläche enthalten sein, um das Licht wechselnden

Einstrahlrichtungen und/oder Lichtverteilungen der photoempfindliche Fläche anzupassen.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die

Anwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Polarisationsgitters zur vollständigen oder teilweisen ein- oder zweidimensionalen Lichtablenkung mit einem festen oder variablen Ablenkwinkel gelöst. Ein solches Verfahren kann

beispielsweise zur Nachführung eines kleinen Sichtbarkeitsfensters eines Displays zur Rekonstruktion holographisch kodierter dreidimensionaler Szenen auf die Bewegung des Betrachters bzw. dessen Augen angewendet werden. Dazu können mehrere passive und/oder schaltbare und oder steuerbare Polarisationsgitter hintereinandergeschaltet werden oder mit anderen Mitteln zur Lichtablenkung kombiniert werden, um einen großen Nachführbereich zu realisieren. Das Verfahren lässt sich auch zum Sammeln von Solarstrahlung oder deren Nachführung auf eine Photovoltaikzelle anwenden. Weitere Anwendungsgebiete bestehen beispielsweise in der optischen Speichertechnik, der Beleuchtungstechnik, insbesondere bei variablen Beleuchtungen, dem Schalten optischer Verbindungen in optischen Netzwerken oder der optischen Rechentechnik.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden und/oder die oben

beschriebenen Ausführungsformen - soweit möglich - miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten

Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In

Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In den Zeichnungen zeigen schematisch

Fig. 1 a ein herkömmliches Polarisationsgitter bei senkrechten Lichteinfall und

Fig. 1 b das herkömmliche Polarisationsgitter bei schrägem Lichteinfall,

Fig. 2 die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .

Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem herkömmlichen

Polarisationsgitter,

Fig. 3 ein Polarisationsgitter, das einen Stapel aus Flüssigkristallschichten enthält, die lateral gegeneinander verschoben sind und deren Flüssigkristallmoleküle jeweils von Schicht zu Schicht um einen Winkel gegeneinander verdreht sind, die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .

Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 3, ein Polarisationsgitter mit einer ersten Flüssigkristallschicht mit positiver und einer zweiten Flüssigkristallschicht mit negativer Doppelbrechung, ein dreischichtiges Polarisationsgitter mit zwei Flüssigkristallschichten gleichen Vorzeichens der Doppelbrechung und einer Flüssigkristallschicht mit entgegengesetzten Vorzeichen der Doppelbrechung, ein Polarisationsgitter ohne Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, das Polarisationsgitter nach Fig. 7a mit zusätzlicher Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht, das Polarisationsgitter nach Fig. 7b mit dargestellten Substraten und tatsächlichen Strahlverlauf, die Simulation der Abhängigkeit der Beugungseffizienz in einer 1 .

Beugungsordnung vom Einfallswinkel bei einem erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 7b, ein Polarisationsgitter mit Verkippung und ohne Verdrillung der

Flüssigkristallmoleküle, das Polarisationsgitter nach Fig. 9a mit Verkippung und zusätzlicher Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, ein Polarisationsgitter mit örtlich variierender Stärke der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht, Fig. 1 1 ein Ausschnitt aus einem Polansationsgitter mit hybrider Ausrichtung,

Fig. 12 ein Ausschnitt aus einem Polarisationsgitter mit gebogener Ausrichtung und

Fig. 13 ein Ausschnitt aus dem Polarisationsgitter nach Fig. 1 1 mit gebogener und verdrillter Ausrichtung.

In Fig. 1 sind die Intensitätsverhältnisse bei einem Polarisationsgitter 100 nach dem Stand der Technik dargestellt. Wie in Fig. 1 a gezeigt, wird zirkulär polarisiertes Licht, welches senkrecht auf das Polarisationsgitter 100 fällt, abhängig vom Drehsinn der zirkulären Polarisation fast vollständig in eine erste Beugungsordnung abgelenkt. Es tritt kaum unabgelenktes Licht durch das Polarisationsgitter 100 in einer 0.

Beugungsordnung.

In Fig. 1 b sind die Verhältnisse für einen schrägen Lichtdurchtritt durch das

Polarisationsgitter 100 dargestellt. Dabei wird nur ein Teil der Intensität in eine 1 .

Beugungsordnung abgelenkt. Ein erheblicher Teil tritt hingegen unabgelenkt durch das Polarisationsgitter.

Fig. 2 verdeutlicht die Abhängigkeit der Intensität in einer 1 . Beugungsordnung vom Einfallswinkel beim Durchgang von zirkulär polarisiertem Licht durch ein

Polarisationsgitter nach dem Stand der Technik. Gezeigt werden

Simulationsergebnisse für ein Polarisationsgitter, welches in einer Flüssigkristallschicht ausgebildet wurde und 2μηη Gitterperiode bei einer Schichtdicke von ca. 1 ,5μηη aufweist. Die Flüssigkristallmoleküle besitzen keine spiralförmige Verdrehung entlang der Achse senkrecht zur Flüssigkristallschicht. Ein solches Gitter hat im grünen

Spektralbereich bei senkrechtem Lichteinfall einen Ablenkwinkel von ca. 15°. Bis etwa 10° Grad Einfallswinkel treten noch sehr hohe Beugungseffizienzen nahe 100%

Prozent in der +1 . oder -1 . Ordnung auf. Bei höheren Einfallswinkeln nimmt die

Effizienz ab. Ab Einfallswinkeln von ca. 45° Grad fällt die Effizienz in der +1 oder -1 . Ordnung unter 50%.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Polarisationsgitters, welches für schrägen Lichteinfall optimiert wurde. Drei Flüssigkristallschichten 21 1 , 212 und 213 befinden sich zwischen zwei nicht dargestellten Substraten. Die Schichtdicke der ersten Flüssigkristallschicht 21 1 und der dritten Flüssigkristallschicht 213 werden so ausgelegt dass die Schichtdicke jeweils einer λ/4 Platte entspricht (Δη d = K/4). Die zweite

Flüssigkristallschicht 212 wird als K/2 Platte ausgestaltet (Δη d = K/2). Alle drei

Schichten bestehen aus dem gleichen flüssigkristallinen Material. Die drei

Flüssigkristallschichten 21 1 , 212 und 213 werden lateral so gegeneinander verschoben angeordnet, dass die Drehwinkel der doppelbrechenden Achsen der

Flüssigkristallmoleküle von Schicht zu Schicht um jeweils 45° zueinander verdreht sind. Solche Gitter können vorrangig als passive Polarisationsgitter ausgestaltet werden. Mit geeigneten Elektrodenstrukturen auf den Substraten lassen sie sich auch schaltbar ausgestalten.

In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Intensität in einer 1 . Beugungsordnung vom

Einfallswinkel beim Durchgang von zirkulär polarisiertem Licht durch ein

erfindungsgemäßes Polarisationsgitter nach Fig. 3 dargestellt. Gegenüber Fig. 2 wird eine deutlich höhere Beugungseffizienz in der 1 . Ordnung in einem breiten

Einfallswinkelbereich erzielt.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Polarisationsgitter mit einer ersten Flüssigkristallschicht 221 mit positiver Doppelbrechung und einer zweiten Flüssigkristallschicht 222 mit negativer Doppelbrechung. Die beiden

Flüssigkristallschichten 221 , 222 werden nacheinander auf einem hier nicht

dargestellten ersten Substrat abgeschieden. Beide Flüssigkristallgitterschichten 221 und 222 sind so gegeneinander verschoben, dass lokal die optischen Achsen um 90° zueinander gedreht sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in der Zeichnung die Substrate, die die beiden übereinander gestapelten Flüssigkristallschichten 221 und 222 einschließen, nicht mit dargestellt. Das betrifft auch etwaige Elektrodenstrukturen, die sich auf diesen Substraten befinden können und mit denen solche Anordnungen eines Polarisationsgitters, welches für einen schrägen Lichtdurchtritt optimierte sind, schaltbar ausgestaltet werden können.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein dreischichtiges Polarisationsgitter so ausgestaltet, dass zwei Flüssigkristallschichten ein gleiches Vorzeichen der Doppelbrechung und eine weitere Flüssigkristallschicht ein entgegen gesetztes

Vorzeichen der Doppelbrechung aufweisen. Rein beispielhaft weisen die beiden

Flüssigkristallschichten 231 und 232 in Fig. 6 positive Doppelbrechung auf, wobei der Gitterverlauf der optischen Achsen bei diesen beiden Flüssigkristallschichten lokal um 90° zueinander gedreht sind. Flüssigkristallschicht 233 besitzt dagegen negative

Doppelbrechung. Sein Gitterverlauf der optischen Achse kann zur ersten

Flüssigkristallschicht 231 oder zur zweiten Flüssigkristallschicht 232 parallel verlaufen. In Fig. 6 ist ein paralleler Verlauf zur Flüssigkristallschicht 232 dargestellt.

In Fig. 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das vorteilhaft nur eine

Flüssigkristallschicht 240 benötigt. Zum Vergleich ist in Fig. 7a eine Polarisationsgitter ohne zusätzliche Verdrillung der Flüssigkeitsmoleküle senkrecht zur

Flüssigkristallschicht 240 dargestellt, das für einen senkrechten Lichteintritt optimiert wurde bzw. bei dem über eine nicht dargestellte Elektrodenstruktur so eine Spannung angelegt wird, dass die Flüssigkristallmoleküle keine Verdrillung erfahren. Die

Lichtstrahlen treffen dabei jeweils auf Flüssigkristallmoleküle gleichen Drehwinkels der doppelbrechenden Achse. In lateraler Richtung ändert sich der Drehwinkel periodisch, was zu der gewünschten periodischen Phasenänderung führt. Lichtstrahlen, die schräg auf die Flüssigkristallschicht 240 auftreffen, würden auf ihrem Weg durch die

Flüssigkristallschicht 240 auf Moleküle mit unterschiedlichem Drehwinkel treffen. Im ungünstigsten Fall würden dadurch alle Lichtstrahlen die gleiche Phasenverzögerung erfahren, so dass kein Licht in eine 1 . Beugungsordnung gebeugt würde.

Beim erfindungsgemäßen Polarisationsgitter nach Fig. 7b weisen die

Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 240 eine zusätzliche Verdrillung senkrecht zur Flüssigkristallschicht auf. Die Stärke der Verdrillung ist dabei an den gewünschten Einfallswinkel angepasst, so dass die Lichtstrahlen auf ihrem Weg durch die Flüssigkristallschicht 240 auf Moleküle gleichen Drehwinkels treffen. Der Drehwinkel ändert sich damit sowohl in horizontaler Richtung als auch senkrecht zur

Flüssigkristallschicht.

Die Flüssigkristallschicht 240 befindet in bekannter Weise zwischen zwei auch hier nicht dargestellten Substraten. Wird das obere und untere Substrat mit geeigneten Elektrodenstrukturen ausgestaltet, kann durch Anlegen eines Spannungsprofils die Stärke der Verdrillung beeinflusst werden, so dass steuerbar eine Anpassung des Polarisationsgitters an den Einfallswinkel erfolgen kann.

In den meisten Figuren ist der Lichtverlauf rein schematisch dargestellt. Tatsächlich erfahren die Strahlen beim Eintritt in die Zelle jedoch bereits eine Lichtablenkung, die von der Größe des Brechzahlunterschiedes abhängt. Meist erfolgt der Übergang von Luft in Glas. Dies wird in Fig. 7c demonstriert. Die Flüssigkristallschicht 240 entspricht weitestgehend Fig. 7b. Sie wurde jedoch für einen geringeren Einfallswinkel optimiert bzw. der durch Anlegen einer Spannung an eine nicht dargestellte Elektrodenstruktur eingestellte Verdrillungswinkel ist geringer. Beim Eindringen des Lichtes in das Substrat 310 erfährt das Licht bereits eine Ablenkung. Unterscheidet sich die Brechzahl der Flüssigkristallschicht von der des Substrates, erfolgt an der Grenzfläche zwischen Substrat 310 und Flüssigkristallschicht 240 eine weitere Lichtablenkung. Beim

Übergang von der Flüssigkristallschicht 240 in das zweite Substrat 320 kann eine weitere Ablenkung erfolgen. Beim Austritt des Lichts aus dem zweiten Substrat 320, erfährt das Licht eine weitere Ablenkung entsprechend des Brechungsgesetzes. Dieser Austritt erfolgt meist von Glas in Luft. Da das durch das Polarisationsgitter hindurch tretende Licht eine periodische Phasenänderung an den Flüssigkristallmolekülen erfahren, interferieren sie miteinander und werden in die gewünschte Richtung gebeugt.

Fig. 8 demonstriert Simulationsergebnisse für die Beugungseffizienz in einer 1 .

Beugungsordnung in Abhängigkeit vom Eingangswinkel für ein Polarisationsgitter gemäß Figur 7b. Das Polarisationsgitter ist für einen Einfallswinkel von ca. 37,5° in Luft optimiert. In diesem Bereich wird eine maximale Beugungseffizienz erreicht. Die

Gitterperiode beträgt wie in Fig. 2 ebenfalls Λ = 2μηη. und für die Dicke der

Flüssigkristallschicht wurden d = 1 ,5μηη gewählt. Der mittlere Brechungsindex der Flüssigkristallschicht beträgt 1 ,5. Dies entspricht einem Winkel a' in der

Flüssigkristallschicht von 24 Grad. Der Drehwinkel der Verdrillung beträgt ca. τ = 60° und berechnet sich nach der Formel τ = d ^* tan(a') ^* 180° / Λ. Aus den

Simulationsergebnissen ist zu sehen, dass eine maximale Beugungseffizienz bei ca. 35° - 40° Einfallswinkel erreicht wird. Bei senkrechtem Lichteinfall ist die Beugungseffizienz deutlich geringer. Neben der Stärke der Verdrillung sollte bei der Optimierung eines Polarisationsgitters für einen schrägen Lichteinfall auch die Dicke der Flüssigkristallschicht und/oder die Stärke der Doppelbrechung des

flüssigkristallienen Materials entsprechend der gewünschten Arbeitswellenlänge so eingestellt werden, das die optische Weglängenänderung innerhalb es

Polarisationsgitters möglichst einer halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes entspricht.

Fig. 9a und 9b demonstrieren eine Flüssigkristallschicht 250, bei der die

Flüssigkristallmoleküle eine zusätzliche Verkippung aufweisen. Fig. 9a Zeigt ein

Polarisationsgitter für senkrechten Lichtdurchtritt. In Fig. 9b ist das Polarisationsgitter für einen schrägen Lichtdurchtritt optimiert. Damit besteht eine weitere Möglichkeit, die optische Doppelbrechung entlang des Lichtweges so einzustellen, dass eine hohe Beugungseffizienz in einer ersten Ordnung erreicht wird. Auch ein solches Gitter kann mit geeigneten Elektrodenstrukturen, die auch gerastert ausgeführt werden können, ausgestattet werden, um den Kippwinkel steuerbar zu beeinflussen.

Es ist auch möglich, Verdrillung und Verkippung der Flüssigkristallmoleküle zu kombinieren.

Fig. 10 zeigt schematisch eine Anordnung, bei dem sich die Stärke der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Flüssigkristallschicht 260 in Abhängigkeit von der Position innerhalb der Fläche der Flüssigkristallschicht 260 ändert. Auf diese Weise kann das Polarisationsgitter auf einen örtlich variierenden Eintritts- bzw. Einfallswinkel, wie er beispielsweise hinter einer Feldlinse vorliegen kann, angepasst werden. Im Allgemeinen wird das Polarisationsgitter so ausgestaltet, dass sich die Stärke der Verdrillung über Abstände ändert, die groß gegen die Gitterperiode sind. Werden die hier nicht dargestellten Substrate mit einer geeignet gerasterten Elektrodenstruktur ausgestaltet, kann das Polarisationsgitter auch steuerbar an zeitlich variierende

Eingangswinkelverteilungen angepasst werden.

Die Fig. 1 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Flüssigkristallschicht 270 eines einstellbaren Polarisationsgitters mit einer hybriden Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle Moleküle nach dem Stand der Technik. Mit individuell ansteuerbaren streifenförmigen Elektroden 410 auf dem unteren Substrat 310 lässt sich die Orientierung der Flüssigkristalle durch Anlegen eines periodischen

Spannungsprofils an diesen Elektroden 410 so einstellen, dass die gewünschte

Gitterperiode und damit die gewünschte Ablenkrichtung entsprechend der

Arbeitswellenlänge erhalten wird. Da sich die Flüssigkristallmoleküle an der nicht dargestellten oberen Orientierungsschicht, welche sich auf der den Flüssigkristallen zugewandten Seite des oberen Substrates 320 befindet, senkrecht ausrichten, ist es nicht möglich, durch streifenförmige Elektroden auf diesem Substrat eine zusätzliche Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle zur Optimierung der Beugungseffizienz für einen schrägen Lichteinfall in der Flüssigkristallschicht einzustellen.

Die Fig. 12 zeigt stattdessen einen Ausschnitt aus einer Flüssigkristallschicht 280 eines Ausführungsbeispiels eines steuerbaren Polarisationsgitters, das auf einer gebogenen Struktur der Flüssigkristallorientierung (Bend) beruht. Hier sind die

Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 280 durch nicht dargestellte

Ausrichtungsschichten parallel zu den beiden Substraten 310 und 320 angeordnet. Durch Anlegen eines variablen Spannungsprofils an eine zusätzliche Elektrodenstruktur 430 auf dem oberen Substrat 320 lässt sich eine zusätzliche Verdrillung der

Flüssigkristallmoleküle einstellen, wie es in Fig. 13 schematisch dargestellt ist. Dadurch kann das Gitter bei veränderbarem Einfallswinkel nicht nur in seiner Ablenkrichtung eingestellt werden, sondern auch die Beugungseffizienz dieses abgelenkten Lichtes in Abhängigkeit vom Einfallswinkel steuerbar optimiert werden. Durch Anlegen geeigneter periodischer Spannungsmuster an die untere und obere gerasterte Elektrodenstruktur 420, 430 kann bei einem solchen Polarisationsgitter auch die Gitterperiode und damit der Ablenkwinkel veränderbar eingestellt werden.

Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Insbesondere könnten die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.