Phasenmodulierender Lichtmodulator und Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren

Die Erfindung betrifft einen phasenmodulierenden Lichtmodulator und ein Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren, wobei der phasenmodulierende Lichtmodulator eine optisch aktive Schicht mit mindestens einem optisch aktiven Volumenbereich und mit Begrenzungsflächen enthält, an denen Mittel zur Ausbildung eines stationären Ausrichtungszustandes der optisch aktiven Schicht angebracht sind, wobei der optisch aktiven Schicht Flüssigkristalle mit vororientierten Brechungsindex- Ellipsoiden zugeordnet sind, deren Ausrichtung durch die Mittel zur Ausbildung eines stationären Ausrichtungszustandes der Flüssigkristalle pixelweise steuerbar ist, wobei der optisch aktiven Schicht mindestens ein transparenter Kompensationsvolumenbereich zugeordnet ist, der mindestens ein doppelbrechendes Material mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden enthält.

Lichtmodulatoren (eng!, spatial light modulators - SLM), die z.B. in holografischen Anwendungen eingesetzt werden, sind insbesondere von sichtbarem Licht durch- oder bestrahlbare optische Elemente, deren optische Volumeneigenschaften tem- porär verändert werden können. Die Veränderung der optischen Volumeneigenschaften kann pixelweise vorgenommen werden.

Die optischen Volumeneigenschaften können z.B. durch Anlegen eines elektrischen Feldes temporär verändert werden. Das elektrische Feld kann jeweils in kleinen Flächenbereichen gesondert eingestellt werden, wodurch sich die Möglichkeit einer zwar pixelweisen, jedoch für viele holografische Anwendungen ausreichend feinen Abstimmung der optischen Eigenschaften ergibt. Diese Möglichkeit wird genutzt, um eine einfallende Wellenfront beispielsweise beim Durchgang durch den Lichtmodulator derart zu verändern, zu modulieren, dass sie im Abstand eines Betrachters einer Wellenfront gleicht, die von einem realen Objekt ausgeht. Dadurch wird bei entsprechender Ansteuerung des Lichtmodulators eine holografische Rekonstruktion eines Objektes möglich, ohne das Objekt zum Zeitpunkt der Betrachtung zur Verfügung haben zu müssen.

Die Funktionsweise eines Lichtmodulators beruht auf einer optisch aktiven Schicht, deren optische Volumeneigenschaften von mindestens einem von außen einstellbaren physikalischen Parameter abhängen und durch Variation des Parameters gezielt beeinflusst werden können. Als physikalische Parameter können elektrische Feldstärken vorgesehen sein. Es sind auch andere physikalische Parameter, z. B. Schalldrücke, bereits mit Erfolg für die gezielte änderung der optischen Volumeneigenschaften optisch aktiver Schichten eingesetzt worden.

Transmissive Lichtmodulatoren weisen in der Regel einen Eingangspolarisator und einen Ausgangspolarisator auf, während reflektive Lichtmodulatoren mit einem kombinierten Eingangs- und Ausgangspolarisator ausgestattet sein können.

Die häufigste Funktionsweise eines Lichtmodulators beruht auf der zwischen elektrisch beeinflussbaren Begrenzungsflächen, insbesondere zwischen Deck- gläsern eingebetteten Schicht aus einem doppelbrechenden Material in Form von ausrichtbaren Flüssigkristallen (eng. liquid crystal - LC), wobei die Schicht in Form von im Folgenden als Flüssigkristall-Zellen bezeichneten Volumeneinheiten pixelweise angesteuert werden kann. Die Ansteuerung hat Auswirkungen auf das jeweilige Brechungsindex-Ellipsoid der Flüssigkristalle in den einzelnen Flüssigkristall- Zellen. Eine änderung der Form oder der Ausrichtung des Brechungsindex- Ellipsoids in Bezug auf die Richtung des hindurchtretenden Lichts verändert einerseits die optische Weglänge des Lichts durch die doppelbrechende Schicht und andererseits deren Einfluss auf die Polarisation des hindurchtretenden Lichts. Das Brechungsindex-Ellipsoid ist dabei eine makroskopische Modellgröße, welche die Richtungsabhängigkeit eines effektiven Brechungsindex beschreibt, den ein bestimmtes Volumen einer doppelbrechenden Substanz bei der Wechselwirkung mit Licht in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel des Lichts hat. Die Lage und Form des Brechungsindex-Ellipsoids hängt wesentlich von der Ausrichtung und den Eigenschaften von in dem betrachteten Volumen eingebetteten Flüssigkristallen ab, ist jedoch nicht zwangsläufig mit deren Ausrichtung im Einzelfall identisch. Dennoch wird das Brechungsindex-Ellipsoid des Weiteren zur Charakterisierung eindeutiger, von einer Ausrichtung der Flüssigkristalle in doppelbrechenden Volumina abhängender Zustände benutzt. Die Veränderung einer Wellenfront beim Durchtritt durch

einen Lichtmodulator erfolgt durch eine pixelweise Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation. Da Lichtmodulatoren, die in einem Durchstrahlungswinkelbe- reich beide Modulationsformen vollständig voneinander entkoppelt ausführen können, nicht verfügbar sind, werden die Lichtmodulatoren derart ausgelegt, dass sie zumindest eine Modulationsform möglichst effektiv ausführen können.

Ein Problem besteht darin, dass insbesondere bei phasenmodulierenden Lichtmodulatoren störende Nebeneffekte auftreten, die sich in Abhängigkeit vom Durchstrahlungswinkel in unterschiedlich starker Form bemerkbar machen. Dazu zählt in erster Linie eine Winkelabhängigkeit der Transmission des Lichtmodulators, der bei Verwendung herkömmlicher Lichtmodulatoren bisher ungenügend entgegengewirkt wird. Das führt zu einer unerwünschten winkelabhängigen Amplitudenmodulation eines ansonsten phasenmodulierenden Lichtmodulators.

Amplitudenmodulierende Lichtmodulatoren sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und weit verbreitet zur Anwendung in zweidimensionalen (2D)-Displayein- richtungen. Daher sind sie bereits für einen großen Wellenlängenbereich und für einen großen Betrachtungswinkelbereich ausgelegt. Die Wellenlängenabhängigkeit der Transmission wird durch Kalibration bei unterschiedlichen Wellenlängen (rot R, grün G und blau B) kompensiert. Um eine vorgegebene Transmission bei R, G oder B zu erhalten, muss für R, G und B eine unterschiedliche Spannung an die Flüsstg- kristall-Zelle angelegt werden.

Wenn ein Betrachter schräg auf einen Lichtmodulator innerhalb des Betrachtungswinkelbereiches schaut, entsteht eine Winkelabhängigkeit dadurch, dass der Betrachter nur Licht wahrnimmt, das die Flüssigkristall-Schicht unter einem anderen Winkel durchläuft und somit mit einem anderen Brechungsindex im Brechungsindex-Ellipsoid wechselwirkt. Daher hat das Licht einen anderen Polarisationszustand am Ausgangspolarisator und der Lichtmodulator hat eine andere, winkelabhängige Transmission.

Es ist eine Flüssigkristall-Displayeinrichtung in den Druckschriften EP0793133 und US6141075 beschrieben, in der zur Kompensation der Winkelabhängigkeit Kompensationsfolien mit doppelbrechendem uniaxialem oder biaxialem Material auf

Begrenzungsflächen oder Deckgläsern von amplitudenmodulierenden Lichtmodulatoren angebracht sind. Das doppelbrechende Material ist so ausgerichtet, dass das Brechungsindex-Ellipsoid komplementär zu dem der Flüssigkristall-Schicht liegt. In einem bestimmten Winkelbe reich ergibt sich daher für das Licht ein effekti- ver Brechungsindex, der unabhängig vom Betrachterwinkel ist. Die Winkelabhängigkeiten des Brechungsindex in der Flüssigkristall-Schicht und der Kompensationsfolie gleichen sich weitgehend aus.

Ein Problem besteht darin, dass dies nur für einen bestimmten Winkel der Flüssig- kristalle und somit für eine bestimmte Transmission möglich ist. Einer anderen Transmission ist ein anderer Flüssigkristall-Winkel zugeordnet, an den die Kompensationsfolie nicht angepasst ist. Um einen hohen Kontrast des Lichtmodulators zu erhalten, wird der Lichtmodulator auf einen guten Schwarz-Zustand kompensiert, d.h. auf den Zustand mit einer Transmission gleich Null. Die Winkelabhängigkeit eines Amplituden-Lichtmodulators kann somit zumindest teilweise verringert werden, indem eine Kompensationsfolie oder mehrere Kompensationsfolien z.B. auf einem Deckglas oder beiden Deckgläsern oder unmittelbar angrenzend an die LC-Schicht aufgebracht werden. Die Kompensationsfolie enthält ein uniaxiales oder biaxiales doppelbrechendes Material. Die Brechungsindizes und die Orientierung sind für einen bestimmten Zustand des Amplituden- Lichtmodulators angepasst. Sie sind idealerweise so ausgebildet, dass das Licht unabhängig vom seinem Winkel den gleichen Brechungsindex in Summe aus Flüssigkristall und Kompensationsfolie erfährt. Ist beispielsweise das Brechungsindex-Ellipsoid des Flüssigkristalls zigarrenförmig langgestreckt und mit der Langachse senkrecht zu den Deckgläsern ausgerichtet, muss das Brechungsindex- Ellipsoid der Kompensationsfolie entsprechend abgeplattet pfannkuchenförmig parallel zu den Deckgläsern ausgerichtet sein, wobei die Flächennormale des Lichtmodulators in der Regel eine Symmetrieachse bzw. Hauptachse der Brechungsindex-Ellipsoide der Kompensationsfolie bildet.

üblicherweise wird ein Amplituden-Lichtmodulator auf einen guten Kontrast über einen weiten Winkelbereich festgelegt. Dazu wird die Kompensationsfolie an die Flüssigkristall-Orientierung angepasst, die dem Schwarz-Zustand entspricht. Dabei wird im Wesentlichen darauf geachtet, dass zur Kompensation der Winkelabhängig-

keit eines Amplituden-Lichtmodulators die Kompensationsfolie an einen bestimmten Zustand des Lichtmodulators mit einer bestimmten Orientierung der Flüssigkristalle angepasst wird.

Ein Problem besteht darin, dass das genannte Verfahren für einen breiten Bereich von schnell wechselnden Transmissionswerten nicht anwendbar ist, da es immer nur eine Kompensation eines bestimmten Transmissionswertes ermöglicht.

Es ist auch bekannt, die Wellenlängenabhängigkeit von phasenmodulierenden Lichtmodulatoren durch eine Kalibration bei unterschiedlichen Wellenlängen (R, G oder B) zu kompensieren. Diese Kalibration berücksichtigt jedoch nicht die Winkelabhängigkeit der Transmission eines phasenmodulierenden Lichtmodulators.

Eine Phasenmodulation durchführende Lichtmodulatoren sind z.B. in der Druckschrift Somalingam, S.: Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen, Diss., Technische Universität Darmstadt, 3/2006, S. 20, in Form von Flüssigkristall-Zellen beschrieben. Anhand der Vororientierung der Flüssigkristalle werden die eingesetzten Flüssigkristall-Zellen in Freedericksz-Zellen, DAP (engl, distorted alignment phase)-Zellen und TN (engl, twisted nematic)-Zellen eingeteilt. Allen ist gemeinsam die Möglichkeit, die Phase des einfallenden Lichtes mit elektrischen Feldern zu modulieren.

Bei der Freedericksz-Zelle sind die Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie versehen und damit parallel zu den Elektroden angeordnet, wodurch im feldfreien Fall die maximale Phasenverzögerung zwischen den beiden Polarisations- richtungen erreicht wird.

Bei der DAP-ZeIIe sind die Flüssigkristalle mit negativer dielektrischer Anisotropie versehen und senkrecht zu den Elektroden vororientiert, so dass die maximale Phasenverzögerung bei einer vollständigen Auslenkung erreicht wird. Bei TN-Zellen sind die Flüssigkristalle gegeneinander gedreht angeordnet, insgesamt um 90°, so dass einfallendes, linear polarisiertes Licht eine Drehung der Polarisationsrichtung über die Dicke der Zelle erfährt. Bei angelegtem Feld wird die verdrehte Anordnung der Flüssigkristalle gebrochen, so dass die Polarisationsdrehung nicht aufrechterhalten werden kann.

Dazu ist in Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines eine Phasenmodulation durchführenden und auf pixelbezogenen Freedericksz-Zellen basierenden Lichtmodulators 10 mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel 1 , 2, 3 gezeigt. Der Lichtmodulator 10 umfasst eine doppelbrechende Schicht 8, welche Flüssigkris- talle 9 enthält und durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen Elektroden 4, 5, 6 und 7 in ihren optischen Eigenschaften gesteuert werden können, wobei an die Elektroden 4, 5, 6 die Modulationsspannungen UMI , U _M2I U _M3 und an die Elektrode 7 Massepotential gelegt sind. Der jeweilige Zustand der optischen Eigenschaften, der sich durch die Steuerung mit Hilfe des elektrischen Feldes ein- stellt, kann mit Hilfe von Brechungsindex-Ellipsoiden, die durch ein Achsverhältnis und eine Ausrichtung ihrer Hauptachsen - einer Langachse und zwei senkrecht dazu gegebenen Kurzachsen - charakterisiert sind, beschrieben werden. Die doppelbrechende Schicht 8 wird durch parallel verlaufende Begrenzungsflächen 17, 18 begrenzt, an denen die Elektroden 4, 5, 6 und 7 ausgebildet sein können. Zumindest sind in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen 17,18 der doppelbrechenden Schicht 8 die Elektroden 4, 5, 6 und 7 angeordnet, um die funktionsbedingte Steuerung der Flüssigkristalle 9 pixelweise und möglichst trennscharf vornehmen zu können. In Fig. 1 erfolgt die pixelweise Einstellung des elektrischen Feldes über die pixelweise strukturierten Elektroden 4, 5, 6 auf der Begrenzungs- fläche 17 der doppelbrechenden Schicht 8 durch pixelweises Anlegen der Modulationsspannungen UMI bis U _M 3 gegen ein auf der anderen Begrenzungsfläche 18 der doppelbrechenden Schicht 8 anliegendes gemeinsames Potential an der Elektrode 7. Das gemeinsame Potential ist als gemeinsame Masse G dargestellt. Die Modulationsspannungen UM _I bis UM ₃ weisen unterschiedliche Werte auf, was aufgrund der gemeinsamen Masse G an der Elektrode 7 zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führt. Die unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führen zu einer unterschiedlichen Anordnung der Flüssigkristalle 9 in die Drehpositionen der Flüssigkristall-Moleküle 91 , 92, 93 innerhalb der doppelbrechenden Schicht 8, was zu einer unterschiedlichen Einstellung der Brechungsindex- Ellipsoide in den jeweiligen unterschiedlichen elektrischen Feldstärken ausgesetzten Volumenbereichen (engl, bulk regions) 11 , 12, 13 der doppelbrechenden Schicht 8 führt und durch eine unterschiedliche Ausrichtung bezüglich der Langachsen der Brechungsindex-Ellipsoide verdeutlicht werden kann.

In den Fig. 2a, 2b, 2c sind Querschnitte durch die Pixel 1 , 2, 3 des phasenmodulierenden Lichtmodulators 10 gezeigt. Zur übersichtlichkeit sind nur die Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 sowie das untere Deckglas 19 und das obere Deckglas 20 dargestellt.

Die Pixel 1 , 2, 3 enthalten doppelbrechende Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 ohne Twist, d.h. ohne Helixstruktur. Abgesehen von den Randgebieten 14, 15 am oberen Deckglas 19 und am unteren Deckglas 20, in denen die Flüssigkristalle 9 parallel zu den Deckgläsern 19, 20 ausgerichtet sind, sind die Flüssigkristalle 91 , 92, 93 in den Volumenbereichen 11 , 12, 13 weitgehend parallel zueinander ausgerichtet. Unter paralleler Ausrichtung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, welche die optischen Eigenschaften der doppelbrechenden Schicht 8 zumindest in einer Weise homogenisiert, die dazu führt, dass die optischen Eigenschaften der Volumenbereiche 11 , 12, 13 mit Abmessungen unterhalb der Pixelgröße durch Brechungsindex-Ellipsoide beschrieben werden können, die bei gleichem Achsverhältnis parallel ausgerichtet sind. Zur Vereinfachung wird im Folgenden nur noch von der Ausrichtung der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 gesprochen.

Zur Phasenmodulation ändert ein elektrisches Feld den Ausrichtungswinke! α - Polarwinkel - zwischen Flüssigkristallen 91 , 92, 93 und Deckglas 19, 20 und somit den effektiven Brechungsindex der doppelbrechenden Schicht 8. Dadurch ändert sich für das durch die doppelbrechende Schicht 8 hindurchtretende Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung die optische Weglänge durch die doppelbrechende Schicht 8. Das führt dazu, dass das aus unterschiedlich angesteuerten Pixeln 1, 2, 3 austretende Licht unterschiedliche Phasenzustände aufweisen kann.

In den Fig. 2a bis 2c sind die Orientierungen der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 und der Brechungsindex-Ellipsoide bei unterschiedlichen elektrischen Feldern zwischen den Elektroden (nicht dargestellt) angegeben, die sich oberhalb und unterhalb der Schicht 8 befinden. Die Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 können durch die eingezeichneten Brechungsindex-Ellipsoide wiedergegeben werden. In Richtung der Langachse 61 (z-Achse des Ellipsoids) gilt der außerordentliche Brechungsindex n _e , senkrecht dazu für die Kurzachsen (x,y-Achsen des Eilipsoids) 62 für einen uniaxialen Flüssigkristall der ordentliche Brechungsindex n ₀ . Für einen biaxialen

Flüssigkristall mit zwei unterschiedlichen Kurzachsen gibt es statt eines ordentlichen Brechungsindex no zwei Werte n _x und n _y bezogen auf die beiden x,y-Achsen 62. Im Fall eines uniaxialen Flüssigkristalls mit n _e > n ₀ hat das Brechungsindex- Ellipsoid die gleiche Orientierung wie der Flüssigkristall 9, 91 , 92, 93.

Die Fig. 2a zeigt das Pixel 1 ohne angelegtes elektrisches Feld bei U _M i= G. Die Flüssigkristalie 9, 91 sind unter einem Ausrichtungswinkel Ct ₁ = 90° bezogen auf die Flächennormale 16 der Deckgläser 19, 20 parallel zum oberen Deckglas 19 und zum unteren Deckglas 20 ausgerichtet.

Die Fig. 2b zeigt das Pixel 2 mit maximalem elektrischem Feld, bei dem die Flüs- sigkristalle 92 senkrecht zu den Deckgläsern 19, 20 unter einem Ausrichtungswinkel α ₂ mit nahezu 0° ausgerichtet sind, abgesehen von den Randbereichen 14, 15, in denen es durch Grenzflächeneffekte an den Deckgläsern 19, 20 zu einer nahezu feldunabhängigen Anordnung der Flüssigkristalle 9 weitgehend parallel ausgerichtet zu den Deckgläsern 19, 20 kommt. Die Randgebiete 14, 15 mit der Parallelanordnung der Flüssigkristalle 9 entlang der Deckgläser 19, 20 sind jedoch außerordentlich dünn und können bei der Betrachtung der optischen Eigenschaften des Lichtmodulators 10 vorerst vernachlässigt werden.

Fig. 2c zeigt das Pixel 3 mit einem mittleren elektrischen Feld, bei dem die Flüssigkristalie 93 schräg zu den Deckgläsern 19, 20 unter einem Ausrichtungswinkel α ₃ mit ca. 45° ausgerichtet sind.

Die in den Fig. 2a bis 2c eingezeichneten Pfeile verdeutlichen die Auswirkung, wenn ein Betrachter Licht sieht, das den Lichtmodulator 10 schräg durchläuft. Der Pfeil S stellt senkrecht durchlaufendes Licht dar, die Pfeile L und R links bzw. rechts schräg durchlaufendes Licht. Da das Licht den Lichtmodulator 10 unter unter- schiedlichen Winkeln und somit unterschiedlichen Orientierungen zum Bre- chungsindex-Ellipsoid durchläuft, erfährt das Licht eine unterschiedliche Verzögerung und änderung des Polarisationszustands.

Der schräge Durchlauf L, R des Lichts führt im Allgemeinen dazu, dass Licht, das am Eingang des Lichtmodulators 10 nach Durchgang durch einen Eingangspolari- sator linear polarisiert ist, am Ausgang nicht mehr linear polarisiert ist. Wird ein

Ausgangspolarisator verwendet, macht sich dieser nichtlineare Polarisationszustand in einer Amplitudenmodulation bemerkbar, die bei dem phasenmodulierenden Lichtmodulator 10 stört.

In Fig. 2c ist das Pixel 3 mit mittlerem angelegtem Feld und schräg stehenden Flüssigkristallen 93 dargestellt. Hier werden die größten änderungen des Polarisationszustandes und somit die größten Amplitudenmodulationen auftreten, wenn der Betrachter das unter dem Durchstrahlungswinkelbereich bzw. Betrachtungswinkelbereich L-S-R durchlaufende Licht wahrnimmt. Die relative Orientierung des Lichts zu den Flüssigkristallen 93 ändert sich mehr als bei den in den Fig. 2a und 2b gezeigten Orientierungen der Flüssigkristalle 91 , 92.

Die in den Fig. 2a bis 2c angegebenen Orientierungen der Flüssigkristalle 91 , 92, 93 und der Brechungsindex-Ellipsoide sind nur ein Beispiel für mögliche Orientierungen in dem phasenmodulierenden Lichtmodulator 10.

Die Winkelabhängigkeit der Amplitudenmodulation eines phasenmodulierenden Lichtmodulators muss insbesondere dann kompensiert werden, wenn zur Durchstrahlung benutzte Lichtquellen verschoben oder mehrere Lichtquellen gleichzeitig verwendet werden sollen. Verschiebbare Lichtquellen sind beispielsweise in einem holografischen Display erforderlich, wenn dem Betrachter ein Betrachterfenster im Betrachtungswinkelbereich L-S-R nachgeführt werden soll. Ein Betrachterfenster ist in diesem Zusammenhang ein virtuelles Fenster in der Betrachterebene, durch welches der Betrachter die holografische Rekonstruktion eines Objektes sieht. Unter diesen Umständen durchläuft das Licht den phasenmodulierenden Lichtmodulator schräg und in unterschiedlichen Winkeln, und der Polarisationszustand des Lichts ändert sich nur durch änderung des Durchstrahlungswinkels im Betrachtungswinkelbereich L-S-R. Wird ein Polarisationsfilter zum Abblocken unerwünschter PoIa- risationszustände verwendet, äußert sich die änderung des Polarisationszustands in einer zusätzlichen Amplitudenmodulation, die zu einer schlechteren und winkelabhängigen Rekonstruktionsqualität führt.

Kompensationsfolien und Kompensationsvolumenbereiche für amlitudenmodulie- rende Lichtmodulatoren in Verbindung mit optisch aktiven Schichten sind in den Druckschriften

1) De Bougrenet de Ia Tocnaye et al.: Complex amplitude modulation by use of liquid-crystal spatial light modulators, Appl. Optics 36, No. 8, 1997, pp.1730,

2) Lueder, Ernst: Liquid crystal displays, Chichester (u.a.): Wiley, 2001 (Repr. 2005) (Wiley-SiD series in display technology), ISBN: 0-471 -49029-6,

3) US 2004/0155997 A1 und

4) DE 689 17 914 T2 beschrieben.

Ein Problem besteht darin, dass mit den angegebenen Kompensationsfolien und Kompensationsvolumenbereichen in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren in einem großen Betrachtungswinkelbereich L-S-R die Winkelabhängigkeit der Transmission oder Reflexion und somit der Amplitudenmodulation nicht wesentlich verringert werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen phasenmodulierenden Lichtmodulator und ein Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine reduzierte Winkelabhängigkeit der Transmission oder der Reflexion im Betrachtungswinkelbereich erreicht wird, wobei die Winkelabhängigkeit der Transmission oder der Reflexion eine änderung des Polarisationszustandes des durch den Lichtmodulator hindurchtretenden Lichtes durch änderung des Durchstrahlungswinkels in dem vorgegebenen Betrachterwinkelbe- reich darstellt. Dadurch soll beispielsweise bei der Verwendung in holografischen Displayeinrichtungen die Rekonstruktionsqualität bei der Rekonstruktion farbiger Szenen unter großen Betrachterwinkeln verbessert werden. Das soll insbesondere bei der Realisierung kleiner Betrachterfenster gewährleistet werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst.

Der phasenmodulierende Lichtmodulator für holografische Displayeinrichtungen enthält eine optisch aktive Schicht mit mindestens einem optisch aktiven Volumenbereich und mit Begrenzungsflächen, an denen Mittel zur Ausbildung eines statio-

nären Ausrichtungszustandes der optisch aktiven Schicht angebracht sind, wobei der optisch aktiven Schicht Flüssigkristalle mit vororientierten Brechungsindex- Ellipsoiden zugeordnet sind, deren Ausrichtung durch die Mittel zur Ausbildung eines stationären Ausrichtungszustandes der Flüssigkristalle pixelweise steuerbar ist, wobei der optisch aktiven Schicht mindestens ein transparenter Kompensationsvolumenbereich zugeordnet ist, der mindestens ein doppelbrechendes Material mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden enthält, und weist einen eingangsseitig angeordneten Polarisator auf, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 die Brechungsindex-Ellipsoide des Kompensationsvolumenbereiches gegenüber den Brechungsindex-Ellipsoiden der optisch aktiven Schicht in Abhängigkeit von der Orientierungsausrichtung der jeweils steuerbaren Brechungsindex-Ellipsoide der optisch aktiven Schicht im vorgesehenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R derart ausgerichtet abgestimmt sind, dass im vorgesehenen Betrachtungswinkel- bereich L-S-R eine gemittelte Amplitudenmodulation minimiert ausgebildet ist.

Der Kompensationsvolumenbereich kann eine transparente doppelbrechende Kompensationsfolie darstellen, die zur optischen aktiven Schicht unmittelbar benachbart an einer der Begrenzungsflächen oder benachbart zu einem der Deck- gläser angebracht ist.

Die Kompensationsvolumenbereiche können zwei transparente doppelbrechende Kompensationsfolien darstellen, die jeweils an einer Seite der optisch aktiven Schicht an deren Begrenzungsflächen angebracht sind.

Die doppelbrechenden Kompensationsfolien können fixierte Flüssigkristalle enthalten. Die beiden Kompensationsfolien können eine Ausrichtung mit einem jeweils gleichgerichteten Kompensationswinkel θi der fixierten Flüssigkristalle aufweisen, wobei deren Kompensationswinkel θi entgegengesetzt dem Orientierungswinkel α ₃ der Flüssigkristalle in der optisch aktiven Schicht ist.

Die beiden Kompensationsfolien können aber auch zueinander sich kreuzende Ausrichtungen mit einem fixierten negativen Kompensationswinkel θi und einem fixierten positiven Kompensationswinkel Q ₂ der Flüssigkristalle aufweisen.

Die optisch aktive Schicht kann auch mit in ihrer Ausrichtung fixierten Flüssigkristallen versehen sein, in die eine transparente doppelbrechende Matrix mit eigenständigen raumabgeschlossenen und pixelbezogenen Gebieten mit darin befindlichen steuerbaren orientierbaren Flüssigkristallen eingebettet ist, die innerhalb der Gebiete mittels der Mittel zur Ausbildung eines stationären Zustandes der Flüssig- kristalle ausrichtungssteuerbar sind.

Als Mittel zur Ausbildung eines stationären Zustandes der Flüssigkristalle sind im Allgemeinen Elektroden, die den Pixeln der optisch aktiven Schicht zugeordnet sind, vorgesehen.

Der phasenmodulierende Lichtmodulator kann mit Freedericksz-Zellen und/oder DAP-Zellen und/oder TN~Zellen ausgelegt sein.

Die fixiert ausgerichteten Flüssigkristalle im transparenten Kompensationsvolumenbereich sind derart angeordnet, dass die gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators minimiert ausgebildet ist, wenn für einen gegebenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R die Mittelung über alle Orientierungen der Brechungsin- dex-Ellipsoide der optisch aktiven Schicht, die sich bei einer gesteuerten Phasenmodulation des Lichtmodulators ergeben, und des Kompensationsvolumenbereiches erfolgt.

Des Weiteren können die fixiert ausgerichteten Flüssigkristalle im transparenten Kompensationsvolumenbereich derart angeordnet sein, dass die gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators minimiert ausgebildet ist, wenn für einen gegebenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R die Mittelung über alle Orientie- rungen der Brechungsindex-Ellipsoide der optisch aktiven Schicht, die sich bei einer gesteuerten Phasenmodulation des Lichtmodulators ergeben, und des Kompensationsvolumenbereiches mit einer vorgegebenen Wichtung erfolgt.

Das Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren, die mindestens einen transparenten optisch aktiven Volumenbereich, dessen Brechungsindex-Ellipsoid pixelweise gezielt beeinflusst werden kann, und mindestens einen transparenten optisch aktiven Kompensationsvolumenbereich umfassen, der mindestens ein doppelbrechendes Material mit den fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden enthält, wobei der transparente optisch aktive Volumenbereich und der transparente optisch aktive Kompensationsvolumenbereich so angeordnet sind, dass das den Betrachter erreichende Licht beide Volumenbereiche passiert, ist für die vorgenannten Lichtmodulatoren vorgesehen, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 12, das doppelbrechende Material mit den fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden im transparenten Kompensationsvolumenbereich so ausgerichtet ausgewählt wird, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators in einem Betrachtungswinkelbereich L-S-R minimiert ausgebildet wird, wenn für den gegebenen Betrach- tungswinkelbereich L-S-R die Mittelung über alle sich bei einer gesteuerten Phasenmodulation des Lichtmodulators ergebenden Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide des optisch aktiven Volumenbereiches einschließlich der transparenten Kompensationsvolumenbereiche vorgenommen wird.

Mit dem Verfahren werden im Detail folgende Schritte durchgeführt:

- Festlegung eines Betrachtungswinkelbereiches L-S-R, für den eine minimierte gemittelte Amplitudenmodulation vorgesehen ist,

- Festlegung eines Variationsbereiches, in der ein von außen an den Lichtmodulator anlegbarer Parameter UMI, U _M 2, UM3, der das Brechungsindex- Ellipsoid der optisch aktiven Schicht beeinflusst, während der Modulation variiert wird,

- Festlegung einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden im transparenten Kompensationsvolumenbereich, - Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation durch numerische Simulation der Transmission oder Reflexion des Lichtmodulators und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission oder Reflexion bei einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden im

transparenten Kompensationsvolumenbereich unter Variation des Betrachtungswinkels über den gesamten Betrachtungswinkelbereich L-S-R und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator anlegbaren Parameters U _M i, UM2, U _M 3 über den gesamten Variationsbereich, - Festlegung einer weiteren Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden im transparenten Kompensationsvolumenbereich und Wiederholung der numerischen Simulation, bis eine Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden im transparenten Kompensationsvolumenbereich gefunden ist, bei welcher die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission oder Reflexion ein Minimum aufweist und

- Auswahl und Festlegung eines Kompensationsvolumenbereiches mit einer Anordnung des doppelbrechenden Materials in einer Ausrichtung der fixierten Brechungsindex-Ellipsoide, bei der die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission oder Reflexion ein Minimum aufweist.

Die durch die numerische Simulation ermittelte Transmission oder Reflexion des Lichtmodulators kann bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln L, S, R mit unterschiedlicher Wichtung in die Bestimmung des Minimums der Amplitudenmodula- tion einfließen.

Die Anordnung des doppelbrechenden Materials mit den fixierten Brechungsindex- Ellipsoiden im transparenten Kompensationsvolumenbereich kann in der Ausrichtung, bei der die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission oder Reflexion ein Minimum aufweist, durch die Anordnung mindestens einer doppelbrechenden transparenten Kompensationsfolie erfolgen, in der Flüssigkristalle mit den fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden in der entsprechenden Ausrichtung eingebettet sind.

In die Ermittlung des Minimums der gemittelten Amplitudenmodulation kann der Betrachtungswinkelbereich L-S-R in Form eines Durchstrahlungswinkelbereiches beim transmissiven phasenmodulierenden Lichtmodulator und in Form eines Reflexionswinkelbereiches beim reflektiven phasenmodulierenden Lichtmodulator einbezogen werden.

Der Lichtmodulator für holografische Displayeinrichtungen kann mindestens eine doppelbrechende Schicht aus Flüssigkristallen enthalten, deren Brechungsindex- Ellipsoid pixelweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes steuerbar ist, in dem mindestens ein bezüglich der Flächennormalen der doppelbrechenden Schicht asymmetrischer Kompensationsvolumenbereich vorhanden ist, der mindestens einem Wellenlängen ^» und/oder winkelabhängigen optischen Effekt der doppelbrechenden Schicht entgegenwirkt.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, einen phasenmodulierenden Lichtmodulator anzugeben, bei dem außerhalb der doppelbrechenden Schicht mindestens eine Kompensationsfolie mit fixierten doppelbrechenden Flüssigkristallen angeordnet ist. Es kann außerhalb der doppelbrechenden Schicht beidseits jeweils mindestens eine Kompensationsfolie mit fixierten doppelbrechenden Flüssigkristallen angeordnet sein. In beiden Fällen sind die fixierten doppelbrechenden Flüssigkristalle in den Kompensationsvolumenbereichen so angeordnet, dass ihre Brechungsindex-Ellipsoide in jedem Ansteuerzustand des Lichtmodulators eine andere Ausrichtung aufweisen können als die Brechungsindex-Ellipsoide der ausrichtbaren Flüssigkristalle innerhalb der doppelbrechenden Schicht des Lichtmodulators. Dadurch ergibt sich zwangsläufig, dass die Flächennormale der doppelbrechenden Schicht des Lichtmodulators keine Symmetrieachse der Brechungs- index-Ellipsoide der Flüssigkristalle in der doppelbrechenden Schicht bildet. Somit wird die Winkelabhängigkeit der Amplitudenmodulation eines phasenmodulierenden Lichtmodulators zumindest teilweise kompensiert, indem am Lichtmodulator mindestens eine doppelbrechende Kompensationsfolie mit einem uniaxialen oder biaxialen doppelbrechenden Material angeordnet wird. Das uniaxiale oder biaxiale doppelbrechende Material dieser Kompensationsfolie ist so ausgerichtet und hat solche Brechungsindizes, dass eine winkelabhängige Amplitudenmodulation des vom Lichtmodulator transmittierten oder reflektierten Lichtes über einen großen Betrachtungswinkelbereich L-S-R des Lichtes weitgehend vermieden wird.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Pixeln in verschiedenen Ansteuerzuständen nach Fig. 1 , wobei

Fig. 2a ein Pixel ohne angelegtes elektrisches Feld und mit parallel zu den Elektroden ausgerichteten, vororientierten Flüssigkristallen, Fig. 2b ein Pixel mit angelegtem maximalem elektrischem Feld und mit nahezu senkrecht zu den Elektroden ausgerichteten Flüssigkristallen, Fig. 2c ein Pixel mit angelegtem mittlerem elektrischem Feld und mit schräg zu den Elektroden ausgerichteten Flüssigkristallen gemäß dem Stand der Technik darstellen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel mit einer Kompensationsfolie,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Pixels eines Lichtmodulators mit an den Begrenzungsflächen angeordneten Kompensationsfolien, wobei

Fig. 4a die beiden Kompensationsfolien mit bezüglich der Langachsen sich kreuzende Brechungsindex-Ellipsoide und

Fig. 4b die beiden Kompensationsfolien mit bezüglich der Langachsen parallel gerichtete Brechungsindex-Ellipsoide aufweisen.

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Lichtmodulators mit innerhalb der als Kompensationsschicht vorgesehenen optisch aktiven Schicht eingebrachten Gebieten mit ausrichtungssteuerbaren Flüssigkristallen.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines phasenmodulierenden Lichtmodulators 30 mit einem Ausschnitt von der Größe dreier Pixel 1 , 2, 3 gezeigt, dessen optisch aktive Schicht 8 weitgehend der im Stand der Technik angegebenen optischen Schicht 8 entspricht. Der Lichtmodulator 30 umfasst somit die dop- pelbrechende Schicht 8, die die Flüssigkristalle 9, 91 ,92, 93 enthält, deren Ausrichtungszustand durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden 4, 5, 6 und 7 steuerbar ist, wobei an die Elektroden 4, 5, 6 die Modulationsspannungen UM-I , UM2, UM3 und an die Elektrode 7 das Massepotential G gelegt sind, sowie ausgangsseitig einen Polarisator (nicht eingezeichnet).

Der jeweilige Zustand der optischen Eigenschaften, der sich durch Steuerung mit Hilfe des elektrischen Feldes einstellt, kann mit Hilfe von Brechungsindex-Ellipsoi- den 61 , die durch ein Achsverhältnis und eine Ausrichtung ihrer Hauptachsen - eine Langachse 62 und zwei Kurzachsen 63, wie in Fig. 2c gezeigt ist, - charakte- risiert sind, beschrieben werden. Die doppelbrechende Schicht 8 wird durch parallel verlaufende Begrenzungsflächen 17, 18 begrenzt, an denen die Elektroden 4, 5, 6 und 7 ausgebildet sein können. Zumindest sind in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen 17, 18 der doppelbrechenden Schicht 8 die Elektroden 4, 5, 6 und 7 angeordnet, um die funktionsbedingte Drehung der Flüssigkristalle 91 , 92, 93 pixelweise und möglichst trennscharf vornehmen zu können. In Fig. 3 erfolgt die pixelweise Einstellung des elektrischen Feldes über die pixelweise strukturierten Elektroden 7, 8, 9 auf der Begrenzungsfläche 17 der doppelbrechenden Schicht 8 durch pixelweises Anlegen von Modulationsspannungen U _M i bis UM ₃ gegen ein auf der anderen Begrenzungsfläche 18 der doppelbrechenden Schicht 8 anliegendes gemeinsames Potential an der Elektrode 7. Das gemeinsame Potential ist als gemeinsame Masse G dargestellt. Die Modulationsspannungen UMI bis U _M3 weisen unterschiedliche Werte auf, was aufgrund der gemeinsamen Masse G an der Elektrode 7 zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führt. Die unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führen zu einer unterschiedlichen Ausrich- tung der Flüssigkristalle 91 , 92, 93 innerhalb der doppelbrechenden Schicht 8, was zu einer unterschiedlichen Einstellung der optischen Eigenschaften in den jeweiligen unterschiedlichen elektrischen Feldstärken ausgesetzten Volumenbereichen 11 , 12, 13 der doppelbrechenden Schicht 8 führt und durch eine unterschiedliche

Ausrichtung der Hauptachsen, insbesondere der Langachsen 61 der Brechungsin- dex-Ellipsoide verdeutlicht werden kann.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ändert zur Phasenmodulation ein elektrisches Feld den Orientierungswinkel cti, α ₂ , α ₃ zwischen den Flüssigkristallen 91 , 92, 93 und den Deckgläsern 19, 20 und somit den effektiven Brechungsindex der doppelbrechenden Schicht 8. Dadurch ändert sich für das durch die doppelbrechende Schicht 8 hindurchtretende Licht die optische Weglänge durch die doppelbrechende Schicht 8. Das führt dazu, dass aus unterschiedlich angesteuerten Pixeln 1 , 2, 3 austretendes Licht unterschiedliche Phasenzustände aufweisen kann.

In Fig. 3 ist eine Kompensationsfolie 24 zwischen der Begrenzungsfläche 18 und der Elektrode 7 mit dem Massepotential G angeordnet. Die Ausrichtung der fixierten Flüssigkristalle 94 der Kompensationsfolie 21 kreuzt die Ausrichtung der Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93 in einem negativen Kompensationswinkel θi in Bezug auf die Flächennormale 16 der Begrenzungsflächen 17, 18.

Erfindungsgemäß sind die Brechungsindex-Ellipsoide 94 des Kompensationsvolumenbereiches 24 gegenüber den Brechungsindex-Ellipsoiden 9, 91 , 92, 93 der optisch aktiven Schicht 8 in Abhängigkeit von der Orientierungsausrichtung der jeweils steuerbaren Brechungsindex-Ellipsoide 9, 91 , 92, 93 der optisch aktiven Schicht 8 im vorgesehenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R, wie in Fig. 2 dargestellt ist, des transmittierten oder reflektierten Lichtes derart ausgerichtet abgestimmt, dass im vorgesehenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R eine gemittelte Amplitudenmodulation minimiert ausgebildet ist.

Mit dem Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren wird erreicht, dass über alle Orientie- rungszustände der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93, 94 eine möglichst geringe Amplitudenmodulation erzeugt wird. Es werden deshalb bei der Mittelung alle Orientie- rungszustände der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93, 94 berücksichtigt. Erfindungsgemäß wird daher eine gemittelte Amplitudenmodulation des phasen- modulierenden Lichtmodulators 30 minimiert. Die Mittelung erfolgt über einen gegebenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R und über alle Orientierungen der

Flüssigkristalle 9, 91, 92, 93, 94, die für die Phasenmodulation des Lichtmodulators 30 erforderlich sind. Die Minimierung der Amplitudenmodulation wird erreicht, indem die Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide und deren Brechungsindizes einer doppelbrechenden Kompensationsfolie 24, wie in Fig.3 gezeigt ist, oder mehrerer doppelbrechenden Kompensationsfolien 21 , 22, wie in Fig. 4a gezeigt ist, oder 221 , 222, wie in Fig. 4b gezeigt ist, in ihrer Ausrichtung aufeinander abgestimmt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von zu berücksichtigenden Parametern über die Ausrichtung der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93, 94 enthaltenden programmtechnischen Mitteln in einer Steuereinrichtung (nicht gezeichnet) durch- geführt werden, wobei die Steuereinrichtung mit den Elektroden 4, 5, 6, 7 signaltechnisch und versorgungstechnisch in Verbindung steht.

Bei der Mittelung ist es auch möglich, die Winkel L ₁ S ₁ R des transmittierten oder reflektierten Lichtes bzw. die Orientierungen der Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93, 94 unterschiedlich zu wichten. Beispielsweise kann ein zentraler Bereich in den VoIu- menbereichen 11 , 12, 13 stärker gewichtet werden, um dort eine möglichst geringe verbleibende Amplitudenmodulation zu haben.

Der wesentliche Unterschied zur Ausrichtungssteuerung für einen amplitudenmodulierenden Lichtmodulator ist, dass bei dem phasenmodulierenden Lichtmodulator 30 eine Ausrichtungssteuerung über alle erforderlichen Flüssigkristall-Orientierungszu- stände erfolgt. Das hat im Allgemeinen zur Folge, dass die Brechungsindex- Ellipsoide der doppelbrechenden Kompensationsfolien 24, 21, 22, 221 , 222 nicht parallel oder senkrecht zu den Deckgläsern 19, 20 der Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 ausgerichtet sind und die Flächennormale 16 der Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 keine Symmetrieachse bildet. Derartige doppelbrechende Kompensationsfolien 24, 21 , 22, 221, 222 bilden asymmetrische Kompensationselemente, die jedoch im Zusammenspiel mit der Asymmetrie der eigentlichen doppelbrechenden ansteuerbaren Schicht 8 in mittleren Ansteuerzuständen eine gute Kompensationswirkung erzielen, da sich die Asymmetrien in diesen mittleren winkelpositiven Ansteuerzu- ständen der Flüssigkristalle 93 bei entsprechender winkelnegativer Auslegung der Kompensationsfolien 24, 21 , 22, 221, 222 oder umgekehrt zumindest teilweise ausgleichen.

Ein Ergebnis einer solchen gemittelten und minimierten Amplitudenmodulation ist in den Fig. 3 und 4b für das Pixel 3 dargestellt. Das Brechungsindex-Ellipsoid der Kompensationsfolien 24 und 221 hat einen negativen Kompensationswinkel G ₁ zur Flächennormalen 16, die Kompensationsfolie 222 einen negativen Kompensati- onswinkel O ₂ zur Flächennormalen der Deckgläser 19, 20 und steht ungefähr senkrecht zu einem mittleren Orientierungswinkel α ₃ der Flüssigkristalle 93 bei dem mittleren elektrischen Feld. Eine Kompensation ist sowohl mit nur einer Kompensationsfolie 24, wie in Fig. 3 gezeigt ist, am oberen Deckglas 19 oder unteren Deckglas 20 als auch mit zwei Kompensationsfolien 221 , 222, wie in der Fig. 4b gezeigt ist, am oberen Deckglas 19 und unteren Deckglas 20 möglich.

In der Fig. 4a sind an den Elektroden 6 und 7 des Lichtmodulators 40 jeweils eine Kompensationsfolie 21 und 22 angebracht, in denen die fixierten Flüssigkristalle 94, 95 unterschiedliche Kompensationswinkel θi (negativ) und θ ₂ (positiv) haben, so dass sich die zugehörigen Ausrichtungszustände bzw. die zugehörigen Langachsen in den Kompensationsfolien 21 und 22 kreuzen.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren erfindungsgemäßen Lichtmodulator 50. In diesem Falle umfasst die pixelweise ansteuerbare doppelbrechende Schicht 81 eine transparente Kompensationsmatrix 82, vorzugsweise aus Polymermaterial mit fixierten Flüssigkristallen 99, in der sich abgeschlossene Ge- biete 231 , 232, 233 befinden, in denen doppelbrechende Flüssigkristalle 96, 97, 98 weitgehend beweglich eingeschlossen sind. Außerhalb der abgeschlossenen Gebiete 231 , 232, 233 sind doppelbrechende Materialien 99 fest in die transparente Schicht 81 eingebettet und in mindestens einer Orientierungsrichtung ausgerichtet. Der Einschluss der beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 erfolgt in einer Weise, dass die Flüssigkristalle 96, 97, 98 beim Anlegen eines elektrischen Feldes in einem Winkelbe reich auslenkbar sind, der für eine Modulationswirkung im Sinne eines phasenmodulierenden Lichtmodulators 50 erforderlich ist. Die nicht steuerbare Einbettung der unbeweglichen doppelbrechenden Materialien 99 in die transparente Kompensationsmatrix 82 erfolgt in einer Weise, in der die Orientierungsrichtung, in welcher die doppelbrechenden Materialien 99 ausgerichtet sind, außerhalb der möglichen Richtungen liegt, in denen die beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 ausgerichtet werden können.

Auf diese Weise lässt sich eine Kompensationswirkung der mit fest eingebetteten doppelbrechenden Materialien 99 versehenen transparenten Kompensationsmatrix 82 erzielen, die der der bereits beschriebenen Kompensationsfolien 24, 21 , 22, 221 , 222 ähnelt oder gleicht. Bei einer Konfigurierung gemäß einer gemittelten Amplitudenmodulation mit minimaler Variationsbreite einschließlich der abgeschlossenen Gebiete 231 , 232, 233 zur Festlegung und Aufnahme der beweglichen doppelbrechenden Flüssigkristalle 96, 97, 98 lässt sich eine die jeweilige Elektrodenstruktur außerhalb der doppelbrechenden Kompensationsmatrix 82 unterstützende, besonders trennscharfe Ansteuerung des Lichtmodulators 50 er- zielen.

Als fest in die doppelbrechende Schicht 8, 81 eingebettete Gebiete 231 , 232, 233 können Volumina mit Vororientierungszuständen derjenigen Flüssigkristalle eingesetzt sein, wie sie in Freedericksz-Zellen, in DAP-Zellen und/oder in TN-Zellen enthalten sind.

Die Ausrichtungssteuerung der Flüssigkristalle zur weitgehenden Kompensation der Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit wird in den Ausführungsbeispielen anhand der transmissiven phasenmodulierenden Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 beschrieben. Die Erfindung lässt sich analog auch auf reflektive phasenmodulierende Lichtmodulatoren anwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Ausrichtungssteuerung der phasenmodulierenden Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 angewendet. In einer besonderen Ausführung können die Lichtmodulatoren 30, 40, 50 oder 60 als Freedericksz- Zellen aufgebaut sein, d.h. die Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93 haben keinen Twist und werden senkrecht zu den Deckgläsern 19, 20 gedreht. Damit erfährt das Licht eine reine Phasenmodulation ohne änderung des Polarisationszustands und ohne Amplitudenmodulation, wenn das Licht den Lichtmodulator 30, 40, 50 oder 60 und somit den eingangsseitig vorhandenen Polarisator (nicht eingezeichnet) senkrecht und mit linearer Polarisation parallel zu den Flüssigkristallen 91 , 92, 93 durchläuft.

Für die Freedericksz-Zellen wird zur Ausrichtungssteuerung bei minimaler Ampli- tudenmodulation für den Betrachter und somit für das den Lichtmodulator 30, 40,

50 oder 60 durchlaufende Licht ein Ausrichtungswinkel α - Polarwinkel - von 20°

und ein beliebiger Azimutwinkel verwendet. Ein Polarwinkel α von 20° bedeutet, dass das Licht einen Winkel von 20° zur Flächennormalen 16 der Deckgläser 19, 20 hat. Die Flüssigkristalle 91 , 92, 93 haben einen Azimutwinkel von 0° und einen Polarwinkel α, der sich mit dem angelegten einstellbaren elektrischen Feld von 0° bis 90° ändert. Die Dicke der Flüssigkristall-Schicht 8 ist 4,3 μm.

Beispielsweise ist, wie in Fig. 4b gezeigt ist, der Lichtmodulator 60 mit der Kompensationsfolie 221 auf dem oberen Deckglas 19 und mit einer weiteren Kompensationsfolie 222 auf dem unteren Deckglas 20 versehen. Jede der Kompensationsfolien 221 , 222 ist etwa 2,15 μm dick und besteht aus doppelbrechendem Material mit den Parametern des Flüssigkristalls, d.h. n _e = 1 ,6727 und n ₀ = 1 ,501. Als vorteilhafte Ausrichtung werden ein Polarwinke] 0: ₃ von 20° und ein Azimutwinkel von 180° ermittelt. Im Querschnitt des Lichtmodulators 60, wie in Fig. 4b dargestellt ist, entspricht das einem negativen Kompensationswinkel G ₁ = 20°.

Der Effekt derartiger erfindungsgemäß ausrichtungsbezogener auswählbarer und abgestimmter Kompensationsfolien 24, 21 , 22, 221 , 222 zeigt sich im Vergleich mit einem unkompensierten Lichtmodulator und einem Lichtmodulator, der analog zu einem Amplituden-Lichtmodulator kompensiert wird.

Bei einem Azimutwinkel von beispielsweise 60° ergeben sich folgende verbleibende störende Amplitudenmodulationen, wenn die Flüssigkristalle 9, 91 , 92, 93; 96, 97, 98 durch Anlegen eines elektrischen Feldes bis zu einem maximalen Polarwinkel von 90° gedreht werden:

• Ohne Kompensation: Amplitudenmodulation um 25%,

• Kompensation wie bei Amplituden-Lichtmodulator: Amplitudenmodulation um 15%, • Erfindungsgemäße Kompensation: Amplitudenmodulation um 4%.

Das Verfahren zur Gewährleistung einer minimalen Amplitudenmodulation in phasenmodulierenden Lichtmodulatoren, die mindestens einen transparenten optisch aktiven Volumenbereich 11 , 12, 13, dessen Brechungsindex-EHipsoid pixelweise gezielt beeinflusst werden kann, und mindestens einen transparenten optisch aktiven Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 umfassen, der

mindestens ein doppelbrechendes Material mit den fixierten Brechungsindex- Eliipsoiden 94, 95, 99 enthält, wobei der transparente optisch aktive Volumenbereich 11 , 12, 13 und der transparente optisch aktive Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 so angeordnet sind, dass durch den Lichtmodulator 30, 4O ₁ 50, 60 hindurchtretendes Licht beide Volumenbereiche 11 , 12, 13; 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 passiert, ist im Wesentlichen zur Auswahl und Festlegung der Kompensationsvolumenbereiche 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 für die Lichtmodulatoren 30, 40, 50, 60 vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird dabei das doppelbrechende Material mit den fixierten Bre- chungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 so ausgerichtet ausgewählt, dass eine gemittelte Amplitudenmodulation des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 minimiert ausgebildet wird, wenn die Mittelung über einen gegebenen Betrachtungswinkelbereich L-S-R und über alle Orientierungen der Brechungsindex-Ellipsoide des optisch aktiven Volumenbereiches 11 , 12, 13 einschließlich der transparenten Kompensationsvolumenbereiche 24, 21 , 22, 221 , 222, 82, die sich bei einer gesteuerten Modulation des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 ergeben, vorgenommen wird.

In dem Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt:

- Festlegung eines Betrachtungswinkelbereiches L-S-R, für den eine Minimierung der Amplitudenmodulation durchgeführt wird,

- Festlegung eines Variationsbereiches, in dem ein von außen an den Lichtmodulator 30, 40, 50, 60 anlegbarer Parameter, die Spannungen UM _I , UM2, UM ₃ , die das Brechungsindex-Ellipsoid der optisch aktiven Schicht 8,81 beeinflussen, während der Modulation variiert wird,

- Festlegung einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82, - Berechnung einer gemittelten Amplitudenmodulation durch numerische Simulation der Transmission des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 und Ermittlung der Variationsbreite der Transmission bei einer ersten Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im trans-

parenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 unter Variation des Durchstrahlungswinkels über den gesamten Betrachtungswinkelbereich L-S-R und unter Variation des von außen an den Lichtmodulator 30, 40, 50, 60 anlegbaren Parameters U _M i, U _M 2, U _M3 über den gesamten Variationsbe- reich,

- Festlegung einer weiteren Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 und Wiederholung der numerischen Simulation, bis eine Ausrichtung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 gefunden ist, bei welcher die ge- mittelte Amplitudenmodulation der Transmission ein Minimum aufweist und

- Auswahl und Festlegung des Kompensationsvolumenbereiches 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 mit einer Anordnung des doppelbrechenden Materials mit fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 in einer Ausrichtung der fixierten Bre- chungsindex-EIHpsoide 94, 95, 99, bei der die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission ein Minimum aufweist.

Dabei kann die durch die numerische Simulation ermittelte Transmission des Lichtmodulators 30, 40, 50, 60 bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln bzw. - richtungen L, S, R mit unterschiedlicher Wichtung in die Bestimmung des Minimums der Amplitudenmodulation einfließen

Die Anordnung des doppelbrechenden Materials mit den fixierten Brechungsindex- Ellipsoiden 94, 95, 99 im transparenten Kompensationsvolumenbereich 24, 21 , 22, 221 , 222, 82 erfolgt in der Ausrichtung, bei der die gemittelte Amplitudenmodulation der Transmission ein Minimum aufweiset, durch die Anordnung mindestens einer doppelbrechenden transparenten Folie, in der doppelbrechende Flüssigkris- tafle mit den fixierten Brechungsindex-Ellipsoiden 94, 95, 99 in der entsprechenden Ausrichtung eingebettet sind.

In die Ermittlung des Minimums der gemittelten Amplitudenmodulation kann der Betrachtungswinkelbereich (L-S-R) in Form eines Durchstrahlungswinkelbereiches beim transmissiven phasenmodulierenden Lichtmodulator und in Form eines Reflexionswinkelbereiches beim reflektiven phasenmodulierenden Lichtmodulator einbezogen werden.

Bezugszeichenliste

1 Erstes Pixel

2 Zweites Pixel

3 Drittes Pixel

4 Erste Elektrode

5 Zweite Elektrode

6 Dritte Elektrode

7 Massepotential-Elektrode

8 Schicht

81 Schicht

82 Kompensationsmatrix

9 Flüssigkristall

91 Flüssigkristall

92 Flüssigkristall

93 Flüssigkristall

94 Flüssigkristall

95 Flüssigkristall

96 Flüssigkristall

97 Flüssigkristall

98 Flüssigkristall

99 Flüssigkristall

10 Erster Lichtmodulator

11 Erster Volumenbereich

12 Zweiter Volumenbereich

13 Dritter Volumenbereich

14 Erstes Randgebiet

15 Zweites Randgebiet

16 Flächennormale

17 Erste Begrenzungsfläche

18 Zweite Begrenzungsfläche

19 Erstes Deckglas

20 Zweites Deckglas 1 Erste Kompensationsfolie

22 Zweite Kompensationsfolie

221 Kompensationsfolie

222 Kompensationsfolie 231 Erstes Gebiet 232 Zweites Gebiet 233 Drittes Gebiet 24 Dritte Kompensationsfolie 30 Dritter Lichtmodulator 40 Vierter Lichtmodulator 50 Fünfter Lichtmodulator

60 Sechster Lichtmodulator

61 Brechungs-Ellipsoid

62 Langachse

63 Kurzachsen UMI erste Modulationsspannung

UM2 zweite Modulationsspannung

UM3 dritte Modulationsspannung

G Massepotential

S senkrecht gerichtetes Licht R rechts schräg gerichtetes Licht

L links schräg gerichtetes Licht θ-i, 0 ₂ Kompensationswinkel αi,α ₂ ,c< ₃ Orientierungswinkel

L-S-R Betrachtungswinkelbereich