WO2011042048A1 - Optical component for influencing a light beam - Google Patents

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WO2011042048A1
WO2011042048A1 PCT/EP2009/062951 EP2009062951W WO2011042048A1 WO 2011042048 A1 WO2011042048 A1 WO 2011042048A1 EP 2009062951 W EP2009062951 W EP 2009062951W WO 2011042048 A1 WO2011042048 A1 WO 2011042048A1
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parallel
layer
plane
birefringent
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PCT/EP2009/062951
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Gerald FÜTTERER
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Seereal Technologies Gmbh
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/004Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G02B26/005Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid based on electrowetting
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/30Polarising elements
    • G02B5/3083Birefringent or phase retarding elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical component for influencing a light beam, comprising a cell having an entrance window and an exit window for the light guide; a plurality of layers sequentially disposed in the cell in the direction from the entrance window to the exit window, wherein an interface is formed between each two adjoining layers, at least one of the layers being birefringent, and wherein at least two contiguous layers comprise a first and a second fluid, respectively containing different refractive indices; and an electrowetting device for controlling the orientation of the interface between the two adjacent fluid layers.
  • Such an optical component is known, for example, from WO 2005/093489 A2.
  • the line contains exactly one layer of a birefringent medium.
  • birefringence refers to the fact that in certain liquid, solid or even gaseous media optical properties are not isotropic, ie the same in all spatial directions, but anisotropic, ie depend on the propagation direction of a light beam.
  • Light which propagates through the medium along a preferred direction, the so-called optical axis or main axis always has the same propagation velocity, regardless of its direction of polarization.
  • the propagation speed depends on the polarization direction: wave trains that are polarized orthogonally to this axis propagate at the same speed.
  • the propagation velocity of WelSenvern with the other polarization direction ie polarized parallel to the optical axis or main axis, deviating from this.
  • the birefringent medium thus has different refractive indices.
  • this prior art document discloses optical components in which an unpolarized beam of light first enters through the entrance window into a refractive fluid. Adjacent to this is an immiscible birefringent fluid. The course of the interface between the single refractive and the birefringent fluid can be controlled via an electrowetting device. These are essentially two electrodes arranged on opposite sides of the cell, the voltages of which can be adjusted individually in order to vary the strength and course of the electric field built up between them.
  • the adjoining birefringent layer containing liquid crystal molecules which are aligned by a provided in the region of the exit window transparent alignment layer linear. This direction defines the optical axis or main axis of the birefringent layer.
  • the initially unpolarized light beam is split into two beams, namely the ordinary and extraordinary beams, which propagate in different directions in the birefringent medium.
  • the electrowetting device allows to change the orientation of this interface and thus in particular the angle at which the light beam strikes the interface.
  • the propagation directions of the ordinary and extraordinary beams in the birefringent medium change, which they leave spatially separated by the exit window.
  • WO 2005/093489 A2 proposes various applications of this basic principle, all of which are based on spatial separation of the ordinary and extraordinary beams, for example for a rapidly adjustable beam splitter or for an optical scanning device in which a data carrier with two data storage layers arranged at different depths should be read by the two spatially separated beams.
  • the present invention has a different purpose.
  • Object of the present invention is to develop a generic optical component such that it can serve as a fast phase or amplitude modulator.
  • this object is achieved in a generic optical component in that the row has at least three layers that at least two in the direction of the entrance window to the exit window successively birefringence interfaces between a birefringent and a single-refractive layer to each other are substantially parallel, and that the Electro wetting device is designed to control the orientation of the two birefringence interfaces or aHomonyfelds-Grenzfizze, which is arranged between the birefringence interfaces and the entrance window.
  • birefringence interface refers to an interface between a birefringent and a single-refractive layer, regardless of which of these two layers is a beam of light! into which other one enters.
  • an interface between two single-refractive layers, that is to say layers, each of which has the same refractive index, regardless of the direction of polarization of the incident light, is referred to as the single-refraction boundary surface.
  • the at least two inventively provided, mutually parallel birefringence interfaces thus lead to a splitting of an incident light beam into a regular and an extraordinary beam and, similar to the passage of a light beam through a plane-parallel plate, to a parallel offset of both the ordinary and extraordinary beams, which, unlike the prior art, do not diverge spatially after passing through both double-interference interfaces, but continue to be parallel to run. More specifically, the ordinary and extraordinary beams, after passing through the second birefringence interface, interfere with each other in a generally elliptically polarized beam, which in special cases may be circular or linear polarization in this elliptical polarization.
  • the electrowetting device By means of the design of the electrowetting device likewise provided according to the invention such that it can control the orientation of the two birefringence interfaces or an interface with single refraction, the relative phase of the ordinary and extraordinary beams in this interference and hence the polarization of the resulting overall beam after passage can be determined through both birefringence interfaces.
  • the term "light beam” is also synonymous as a bundle of essentially parallel light beams, the light beam or the bundle of light beams forming a wavefront, thus forming the optical component according to the invention
  • Phase modulator that allows to vary the phase difference between the ordinary and the extraordinary light beam after exiting the cell through the exit window.
  • the orientation of the two birefringence interfaces or an upstream single-refractive interface can be controlled such that the beam emerging through the exit window varies between linear polarization, circular polarization or any other more general case of elliptical polarization, depending on the phase difference between its sub-beams can be switched.
  • the optical component can be further developed into an amplitude modulator by further a arranged behind the exit window optical analyzer for Analysereren the polarization of the light beam comprises.
  • Such an optical analyzer transmits only the projection of the electric field vector of the light beam emerging through the exit window in a preferred direction defined by the optical analyzer.
  • the resulting light beam exiting the optical component is linearly polarized and can be canceled by properly selecting the position of the analyzer, orthogonal to that direction of polarization. If the orientation of the two birefringence boundary surfaces or an upstream single-refractive interface and thus the angle of incidence at which the light beam strikes the birefringent layer are changed by means of the electrowetting device, the polarization of the light beam emerging from the component also changes.
  • the linear polarization of the initial situation can be lost and, for example, in the case of a phase difference between ordinary and extraordinary light beam of ⁇ / 2, a resulting light beam results behind the component, which is circularly polarized and thus can not be completely extinguished by the analyzer.
  • This embodiment of the invention thus represents a rapidly switchable amplitude modulator.
  • the optical component according to the invention can be used in the manner described above for phase or amplitude modulation of an unpolarized light beam, as long as it is ensured that the light source generating it actually emits perfectly unpolarized light.
  • the birefringent layer which contains, for example, linearly oriented liquid crystals, takes over the splitting of the initially unpolarized beam into a normal and an extraordinary one Light beam depending on the orientation of the liquid crystals relative to the propagation direction of the light beam as it were the role of a polarizer.
  • the optical component according to the invention that it further comprises an optical polarizer arranged in front of the entrance window for polarizing the light beam. Similar to the analyzer discussed above, the optical polarizer also transmits only half-waves of a particular linear polarization direction defined by its preferred direction. In this way, it is ensured that defined polarization conditions prevail when the light beam strikes the birefringent layer in the cell.
  • an optical polarizer arranged in front of the entrance window for polarizing the light beam. Similar to the analyzer discussed above, the optical polarizer also transmits only half-waves of a particular linear polarization direction defined by its preferred direction. In this way, it is ensured that defined polarization conditions prevail when the light beam strikes the birefringent layer in the cell.
  • an optical polarizer Similar to the analyzer discussed above, the optical polarizer also transmits only half-waves of a particular linear polarization direction defined by its preferred direction. In this way, it is ensured that defined polarization conditions prevail when the light beam strikes the bi
  • Polarizer and an optical analyzer these can be adjusted relative to each other so that no light is transmitted through the optical analyzer in the de-energized state of the electrical wetting device.
  • By varying the individual voltages at the electrodes of the electrowetting device it is then possible to tilt interfaces in the interior of the line in such a way that the resulting change in the phase difference between the ordinary and extraordinary beams causes a change in the polarization of the light beam leaving the cell through the exit window, corresponding to FIG Formation of a passing through the optical analyzer light component.
  • Suitable fluids which can be used in the cell are gaseous and liquid substances as well as mixtures of liquids or gases with solids. Decisive for the functioning of electrowetting here is always that adjacent fluid layers do not mix or only slightly, that they have different electrical conductivities, and that they have a have sufficient flowability to adapt their contact surfaces on the opposite walls of the cell as the voltages on the electrodes of the electrowetting device change.
  • the first and the second fluid each contain liquids, for example a polar oil or water with salt dissolved therein for adjusting the conductivity.
  • an optical component according to the invention is designed in such a way that a plane-parallel and liquid birefringent layer is provided in the cell, that the layers adjoining the plane-parallel layer are liquid and simply refractive, and that the electrowetting device is designed for orientation to control the interfaces between the plane-parallel layer and the two adjacent layers.
  • the desired phase shift between ordinary and extraordinary beam is changed by tilting the plane-parallel birefringent layer in the cell as it were.
  • the light beam entering the cell through the entrance window strikes the plane-parallel birefringent layer at an angle dependent on the tilt, and is split into the ordinary and extraordinary beams at this first birefringence interface.
  • This offset can be avoided in a more complex embodiment of the optical component according to the invention by providing a further plane-parallel and liquid birefringent layer in the cell is, wherein the two plane-parallel layers are arranged mirror-symmetrically one behind the other, and that the electrowetting device is adapted to control the orientation of the interfaces between the two plane-parallel layers and the respective adjacent layers such that the mirror symmetry is substantially maintained.
  • the parallel offset of the light at the first plane-parallel birefringent layer is compensated for by an opposite parallel offset at the further, namely second plane-parallel birefringent layer, which is mirror-symmetrical to the first plane-parallel birefringent layer.
  • the birefringence interfaces provided according to the invention are provided by the interfaces of a plane-parallel and liquid birefringent layer.
  • the light beam thus first enters the cell in a simple refractive layer and then traverses the plane-parallel birefringent layer, at the back of which it again passes through an easily refractive layer, finally leaving the cell through the exit window.
  • a plane-parallel and liquid single-refractive layer is provided in the cell, that the layers adjacent to the plane-parallel layer are liquid and birefringent, and that the electrowetting device is designed to determine the orientation of the interfaces between to control the plane-parallel layer and the two adjacent layers.
  • the splitting of the light beam into the ordinary and the extraordinary beam takes place at a birefringence interface at which the light beam leaves the birefringent medium and enters the single-refractive plane-parallel layer.
  • the parallel offset of the beam leaving the cell through the exit window can be compared with that passing through the exit window Incoming window into the cell occurred beam again be avoided by the fact that in the cell another planparalleie and liquid single-refractive layer is provided, the two pianparaiielen layers are mirror symmetrically arranged one behind the other, and that the electrowetting device is adapted to the orientation of the interfaces between the two To control pianparaiielen layers and the respective adjacent layers such that the mirror symmetry is substantially maintained.
  • the angle of incidence of the beam on the solid birefringent plane-parallel layer can thus be controlled, which in turn causes a parallel offset of the light beam and a change in its polarization.
  • the electrowetting device in the cell between the plane-parallel and solid birefringent layer and the exit window at least two further liquid refractive layers are provided, and that the electrowetting device is adapted to the orientation of the interfaces between the at least two further refractive layers Taxes.
  • These more liquid single-refractive layers allow the beam leaving the line through the exit window to be either parallel to the incident beam or oblique, depending on the desired application, for example in the direction of an eye of a user.
  • the optical component according to the invention comprises at least one aperture for trimming the light beam at the entrance window and / or at the exit window.
  • the light beam can be cut both on the input side and on the output side to avoid edge effects.
  • a smaller section can be coupled out of a broad beam of light, which remains unimpaired by the parallel offset of the ordinary and the extraordinary beam discussed above when passing through a plane-parallel layer.
  • a defined sirahilage of the output-side beam and its uniform composition of ordinary and extraordinary light is ensured for all optical applications of the component according to the invention.
  • optical polarizer is arranged on a main axis of the component defined by the center of the entry window and the center of the exit window.
  • a major axis of the birefringent layer is orientable in a predeterminable direction. This could for example, by a suitable control of at least one electrode of the electrical wetting device.
  • the major axis of the birefringent layer is oriented parallel to a birefringence interface.
  • the invention further comprises an optical device comprising a plurality of such optical components, and a display device comprising such an optical device, wherein the optical components are arranged substantially side by side on a screen.
  • Figure 1a is a schematic upper sectional view of a first
  • Figure 1b is a schematic perspective view of
  • Figure 2a is a schematic top sectional view of a second
  • Figure 2b is a schematic representation similar to Figure 2a, but in which the ratio of refractive indices between the plane-parallel layer and the adjacent layers is changed;
  • Figure 3 is a schematic upper sectional view of another
  • Figure 4 is a schematic representation of another embodiment of the optical component according to the invention with a solid, relatively thin plane-parallel layer;
  • Figure 5a is a schematic representation of another embodiment of the optical component according to the invention with a solid, relatively thick plane-parallel layer;
  • FIG. 5b shows a schematic representation of the refractive index ellipsoid of a birefringent medium which can be used in all embodiments of the optical component according to the invention.
  • Figure 6 is a schematic top sectional view of an optical
  • FIG. 1a shows a schematic plan view of a first one
  • Embodiment of an optical component 10 according to the invention for influencing a light beam comprises a cell 12 with an entrance window 14 and an exit window 16 for the light beam, which is shown in the region of the entrance window 14 as a dash-dotted arrow, but should illuminate substantially the entire entrance window 14.
  • the cell 12 contains three layers of liquid, namely a plane-parallel middle layer 18 of birefringent liquid enclosed by two single-refractive liquids 20. The liquids are not miscible with each other, so that in the cell 12 clearly defined interfaces between the in the direction of the entrance window 14 to the exit window 18 successively arranged layers 20, 18, 20 form.
  • the birefringent layer 18 can be formed, for example, of electrolyte (for example water and a dissolved salt) in which LC is dissolved, the thickness of the layer being, for example, 100 ⁇ m.
  • the single-refractive layers 20, for example of the same thickness, may contain non-polar oil, such as, for example, chloro-naphthalene.
  • the birefringent properties of the layer 18 are thus achieved by embedding liquid crystals in this layer 18, which can be aligned, for example, by structuring regions of the lateral surfaces of the cell 12 or by means of an electric field.
  • the orientation of the two birefringence interfaces between the entrance-window-side single-refractive layer 20 and the birefringent plane-parallel layer 18 or between the birefringent plane-parallel layer 18 and the exit-window-side refractive layer 20 takes place in a manner known per se with the aid of an electrowetting device.
  • this comprises four electrodes 22a, b, c, d arranged on the sides of the cell 12, to which respective voltages Ua, Ub, Uc, Ud can be applied by means of a control unit, not shown in the figures.
  • the birefringent layer 18 is oriented substantially "straight" in the cell 12, ie the birefringence interfaces delimiting it are oriented substantially orthogonal to the light beam incident through the entrance window 14.
  • the materials of the layers 18, 20 can achieve the tilting of the birefringent layer 18 shown in FIG. 1a.
  • the aligned in the birefringent layer 18 aligned liquid crystals are indicated in the figures by corresponding lines in the layer 18.
  • the optical phenomena occurring in the cell 12 at the mutually parallel birefringence interfaces depend significantly on the polarization of the light beam passing through the entrance window 14, caused by the polarizer 24, relative to the optical axis of the birefringent layer 18.
  • the optical axis of the birefringent layer 18 is substantially parallel to the birefringence interfaces defining it in the plane of the drawing of FIG. 1a, as indicated by the bars in the layer 18, a beam of light would is polarized by the polarizer 24 orthogonal to the plane, in the layer 18 undergo no birefringence. Rather, he would experience as normal beam when passing through the layer 18 only a parallel offset.
  • the optical polarizer 24 is expediently adjusted in such a way that the linearly polarized light beam transmitted through it has a polarization direction which encloses an angle of approximately 45 ° with the drawing plane of FIG. 1a and which, of course, is necessarily oriented orthogonally to the propagation direction.
  • this light beam Upon entry into the cell 12 in the region of the entrance window 14, this light beam initially strikes substantially orthogonal to the front outer interface of the front single refractive layer 20, with no refraction phenomena occurring.
  • the light beam is split into a normal and an extraordinary light beam.
  • the polarization direction of the ordinary light beam is orthogonal to the main section, the polarization direction of the extraordinary ray is parallel thereto.
  • the ordinary ray is shown dotted in FIG.
  • the extraordinary ray is dashed, and the light beam which has not yet been split before reaching the first birefringence interface 28 is correspondingly dot-dashed. In the example shown in FIG. 1a, therefore, the extraordinary ray is more strongly refracted than the ordinary one.
  • a reverse behavior can be achieved, ie a stronger refraction of the ordinary than the extraordinary beam.
  • the ordinary and extraordinary beams strike another birefringence interface 30, namely the interface between the birefringent layer 18 and the rear single-refractive layer 20 in the cell 12.
  • both beams are refracted at this second birefringence interface 30 so that their directions of propagation are again parallel to the direction of propagation of the light beam transmitted through the polarizer 24 ,
  • optical path length in the birefringent Schtcht 18 now occurs on the phase difference, which depends on Kippwinkei the birefringent layer 18 and thus a function of the Electrodes 22a, b, c, d applied voltages. After the exit window, this leads to a phase shift ⁇ between the two light beams.
  • this phase offset between the ordinary and the extraordinary beam causes the light beam leaving the cell 12 through the exit window 16 substantially orthogonal to the rear outer interface of the rear single-refractive layer 20 to be elliptically polarized, using circular polarization as a special case
  • the elliptically polarized light beam strikes behind the exit window 16 on the optical analyzer 26, which allows only pass that polarization component, which is parallel to its preferred direction.
  • the amplitude or intensity of the light beam which can be measured behind the analyzer 26 can therefore be cut by means of the voltages at the electrodes 22a, b, c, d and the thereby adjustable orientation of the two birefringence interfaces 28, 30! vary.
  • the polarization ratios present in the course of the light propagation through the optical component 10 according to the invention are also shown schematically in FIG. 1 b.
  • a coordinate system is shown in perspective in FIG. 1b below.
  • the z-axis corresponds to the optical main axis of the optical component 10 according to the invention defined by the center of the entry window 14 and the center of the exit window 16, along which the light beam to be influenced is to be irradiated.
  • the x-axis is orthogonal to this in the drawing plane, the y-axis corresponding orthogonal to the x-axis and to the z-axis perpendicular to the plane.
  • the light beam After passing through the optical polarizer 24, the preferred direction of which is schematically represented in FIG. 1b by the lower hatched area, the light beam is initially linear and polarized parallel to this preferred direction.
  • the rear birefringence interface 30, ie after the ordinary and the extraordinary ray are superimposed again (spatial and / or temporal coherence of the ordinary and the temporal coherence) provided with an extraordinary light beam) the light beam is elliptically polarized, and the optical analyzer 28 fades out of this light beam that polarization component which oscillates parallel to its preferred direction.
  • Analyzer 26 should represent the corresponding orthogonal orientation of the respective preferred directions to each other.
  • the optical component according to the invention is therefore equipped with diaphragms 32 for trimming the light beam at the entrance window 14 and at the exit window 16. They make it possible to decouple an inner region from the cross section of the light beam, a plurality of light beams or the wavefront, so that the inevitably occurring parallel offset during passage through the cell 12 does not lead to fluctuations in intensity in the region of the analyzer 26.
  • the entire wavefront of the extraordinary ray in FIG. 1a is opposite that of the ordinary ray moved to the right.
  • These two wavefronts are shown dotted or dashed in the exit window side single-refractive layer 20 schematically.
  • the aperture 32 can be left in Figure 1a area of the light beam, which only the ordinary beam In the same way as the right-hand area in FIG. 1a, which contains only the extraordinary ray, respectively cut away, in other words the apertures 32 in the area of the exit window only pass that part of the light ray which contains the ordinary and the extraordinary ray.
  • FIG. 2a An alternative embodiment of the optical component 10 according to the invention is shown in FIG. 2a.
  • the cell 12 contains a central, single-refractive-index layer 20 adjoining two birefringent layers 18.
  • the voltages applied to the electrodes 22a, b, c, d are adjusted in such a way that two birefringence interfaces 28, 30 parallel to one another are formed.
  • both partial beams at the front birefringence interface 28 are broken away from the solder on the interface 28, corresponding to a refractive index of the central refractive layer 20 which is smaller than that of the front birefringent layer 18. This ratio of refractive indices between refractive indexes
  • Layer 20 and birefringent layers 18 is not mandatory. Alternatively, materials with a different refractive index ratio can also be selected for the layers 18, 20. This is shown schematically in the alternative embodiment of Figure 2b, in which the central single refractive layer 20 is optically more dense than the front birefringent layer 18 for both partial beams. Both the ordinary and extraordinary beams are therefore at the front birefringence interface 28 for Lot down Broken. It is thus understood that by appropriate dimensioning of the distance between the two inventively provided birefringence interfaces 28, 30 and by the choice of refractive indices of the provided in the line layers 18, 20, the degree of parallel displacement of the light beam when passing through the entire cell 12 is set can be.
  • FIG. 2 b the polarization states of the light beam at the respective location in the cell 12 are schematically indicated again below the cell 12.
  • FIG. 3 schematically shows a cell 12 of a further embodiment of the component 10 according to the invention.
  • the tent 12 contains two plane-parallel layers, which are arranged mirror-symmetrically with respect to an imaginary xy-plane in the center of the tents 12.
  • single-refractive and birefringent layers can be reversed, so that alternatively two plane-parallel and mirror-symmetrically arranged single-refractive layers and a total of three birefringent layers can be provided in the cell.
  • the Paraüelverficient on the rear plane-parallel birefringent layer 18 compensates for those on the front plane-parallel birefringent layer 18, so that the light beam leaving the cell 12 through the exit window 16 no offset from that through the materialsfensfer 14th having incident light beam.
  • the distribution of the electrodes by means of the distribution of the electrodes
  • two voltages U1 and U2 can be used on a total of six electrodes 22a-f to rotate the plane-parallel surfaces by equal angles about mutually parallel axes and to set ⁇ (U1, U2). This is shown in FIG.
  • liquids were used in each case as a special case of fluid layers, in particular also for the at least one birefringent layer 18.
  • the use of liquid layers can be associated with disadvantages. For example, filling the cell 12 with a sequence of liquids is expensive.
  • liquids which are made birefringent by the addition of liquid crystals may occasionally segregate over time, so that the optical properties of the layer change, so that the long-term stability of the optical component 10 is no longer guaranteed.
  • a solid birefringent layer 18 is provided.
  • this front birefringence interface 28 can no longer be changed in its orientation. The angle of incidence of the light beam on the Therefore, the front birefringence interface 28 must be altered in another way by means of the electrowetting device.
  • both the front single-junction interface 34, which the light beam passes through before reaching the solid birefringent layer 18, and the rear single-junction interface 36, with which the resulting elliptically polarized light beam is adjusted in its propagation again parallel to the z-axis, can be controlled in their orientation.
  • the structure and mode of operation of the embodiment of the optical component 10 shown in FIG. 4 with a solid double-barrier layer 18 correspond to the previously described embodiments with a corresponding liquid layer.
  • FIG. 5a shows a further development of the embodiment from FIG.
  • This embodiment makes it possible to use as the birefringent layer 18 a solid, sufficiently transparent substrate, for example made of glass, which acts as a carrier for the entire optical component 10.
  • the increase in the thickness of the birefringent layer 18 also offers the advantage that due to the increased optical path length in the birefringent layer 18, even at small angles between the Spreading directions of the ordinary and the extraordinary Strahis can achieve a predetermined phase difference ⁇ (U1, U2). Little hints! can be set faster than large angles, resulting in faster modulation.
  • the lateral offset of the light beam ie the parallel offset in the plane of the figure 5a, when passing through the optical component 10.
  • aperture 32 expediently provided at the exit window 16 to hide those edge portions of the light beam, in whom he contains only the ordinary or the extraordinary ray.
  • the ordinary ray is dotted in Figure 5a and the extraordinary ray is shown in phantom
  • the entire wavefront of the ordinary ray in Figure 5a is opposite that of the extraordinary ray moved up.
  • These two wavefronts are shown schematically in dashed lines in the exit-window-side, simply refractive layer 20 '.
  • the aperture 32 With the help of the aperture 32, the upper portion of the light beam, which contains only the ordinary beam in FIG.
  • the apertures 32 in the area of the exit window allow only that part of the light beam which contains the ordinary and the extraordinary beam to pass through, as indicated by the dot-dash wavefront in the region of the apertures 32.
  • the relevant boundary surfaces ie the front birefringence interface 28 and the rear birefringence interface 30 in the embodiments with a liquid birefringent layer 18 as well as the front single-junction interface 34 and in the embodiments having a solid birefringent layer 18, the rear single-refractive interface 36 is tilted by the electrowetting device exclusively such that the respective interface normal remains in the plane of the drawing. It goes without saying for example, when viewing FIG.
  • all of the discussed embodiments may be further developed by adding additional electrodes to cell 12 in front of and behind the plane of the figures, respectively.
  • the electrowetting effect triggered by these additional electrodes permits additional tilting of the respectively relevant boundary surfaces in such a way that the interface normal receives a component out of the plane of the drawing or into the plane of the drawing.
  • not only a propagation component in the x-direction but also a further propagation component in the y-direction can be imparted to the ordinary and the extraordinary light beam with the aid of such additional electrodes.
  • Figure 5b shows a plot of the refractive index of a birefringent medium for the ordinary and for the extraordinary ray.
  • the medium for the ordinary ray always has the same refractive index n, irrespective of its propagation direction in the xy plane.
  • the calculation index curve in the n x -n y representation of FIG. 5 b for the ordinary ray is therefore a circle line. It is shown dotted in Figure 5b.
  • the refractive index n x is greater when propagated in the x direction than for the ordinary ray. This is the basis for the birefringence phenomena detailed above.
  • the medium for the extraordinary ray when propagated in the y-direction, ie in the drawing plane of the figures, the medium for the extraordinary ray has the same refractive index as for the ordinary ray.
  • the refractive index curve for the extraordinary ray in the n x -n y plane according to FIG. 5 b is thus an ellipse which touches the refractive index circle for the ordinary ray at the n y -axis,
  • the front single-refraction interface 34 is set in such a way that the light beam incident on the front birefringence interface 28 is produced by means of an extended electrowetting device, which also has electrodes in front of and behind the plane of the drawing In addition to its z-particle component, not only has a propagation component in the x-direction, but also a further propagation component in the y-direction, this also leads to such y in the ordinary and extraordinary ray propagating in the birefringent layer 18 Thus, the optical path length that both partial beams cover in the birefringent layer 18 increases.
  • phase shift makes it possible to give the light beam of a screen pixel to which the optical component 10 according to the invention is assigned a different phase position than the neighboring pixel.
  • a phase distribution inscribed in a field of phase shifting cells can be used, for example, as a diffractive lens (comparable to a binary lens) Fresnel zone phase plate) and in front of the display a real object point in the create the expected depth z, or, if a divergent white front is generated in the display plane, create an imaginary object point behind the display.
  • the eye can focus on imaginary and real object points that are at different depths.
  • the diffractive lens functions written into the display can be superimposed linearly to represent 3D scenes.
  • the phase distribution of the individual lens functions defines the z distance of individual object points.
  • the amplitude distribution of the individual lens functions defines the intensity of the individual object functions.
  • Cells that can represent complex values, ie phase and amplitude, are advantageous for use with holographic display devices.
  • the light beam is offset in parallel due to the passage through the plane-parallel layer. Strictly speaking, however, this requires that the two adjacent layers adjacent to the plane-parallel layer have the same refractive index.
  • the entrance window-side refractive layer 20 has a refractive index different from the exit window side refractive layer 20, the ordinary and extraordinary beams at the rear birefringence interface 30 are not exactly refracted in the z-direction, but also possess after passing through the rear birefringence interface 30 in its direction of propagation still an x-component.
  • the elliptically polarized light beam after passing through the birefringent layer 18 has a fringe pattern in the far field, rendering it unsuitable for use in holographic displays, but not interfering with many other technical applications.
  • the two layers in the cell 12 adjacent to the birefringence interfaces 28, 30 provided according to the invention adjacent to a central plane-parallel layer do not necessarily have the same refractive index or even have to be formed from the same material .
  • essentially the parallel orientation of the two birefringence interfaces 28, 30 provided according to the invention is mandatory.
  • the light beam can also be elliptically polarized with such a component with a small lateral offset ⁇ , whereby a fringe pattern can be observed in the far field.
  • the rear single-junction interface 38 can be tilted differently than the front single-junction interface 34 by appropriate selection of the electrode voltages.
  • the rear single-refractive layer 20 further single-plane refractive index layers could be formed. Boundaries are provided, with the aid of the emerging light beam is given a desired direction of propagation.
  • the optical analyzer 28 can take over the function of a simple refractive layer 20, 20 'behind the plane-parallel solid birefringent layer 18 according to FIG. 5a.
  • the analyzer 26 can be located at the rear birefringence Boundary surface 30 adjacent to the birefringent solid layer 18, and behind the analyzer 26 may be provided further liquid single refractive layers 20 in the cell, which allow the adjustment of the propagation direction of the exiting light beam by means of the electrowetting device.
  • Such films have, for example, a thickness of 50 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • a structured layer of electrically conductive strips of a period smaller than 200 nm, ie wire grid polarizers, are less as a layer than 300 nm thick.
  • birefringent materials such as quartz as well as birefringent plastics can be used that are inexpensive to manufacture.
  • the degree of birefringence, in particular the refractive index difference ⁇ between the ordinary and the extraordinary ray, and the position of the major axis of the refractive index ellipsoid can be adjusted in a targeted manner during production. Glasses with embedded metallic nano-ellipsoids are known as polarizer 24 and analyzer 26 with high transmission and are commercially available.
  • the concentration of the metallic nano-ellipsoids is reduced by one order of magnitude, for example, a birefringent material is obtained in which the refractive-index difference ⁇ between ordinary and extraordinary ray and the position of the main axis of the refractive-index ellipsoid can be adjusted in a targeted manner during production.
  • a birefringent material is obtained in which the refractive-index difference ⁇ between ordinary and extraordinary ray and the position of the main axis of the refractive-index ellipsoid can be adjusted in a targeted manner during production.
  • large flat birefringent glass paste which, unlike quartz, is non-crystalline, and which, unlike birefringent plastics, can also undergo manufacturing processes at very high temperatures, for example above 150 ° C.
  • the present invention is not limited to the embodiments explained above purely by way of example.
  • optical and light is by no means to be understood as a restriction in that only electromagnetic radiation in the visible range can be influenced.
  • the present invention can also be applied to electromagnetic radiation outside the visible range, for example infrared radiation, THz radiation, X-ray radiation, or in principle also to particle radiation, such as, for example, radiation. Neutrons, apply.

Abstract

The invention relates to an optical component (10) for influencing a light beam, comprising a cell (12) having an inlet window (14) and an outlet window (16) for the light beam; a plurality of layers arranged one behind the other in the cell (12) in the direction from the inlet window (14) to the outlet window (16), wherein a boundary is formed between every two layers adjacent to each other, wherein at least one of the layers (18) is birefringent, and wherein at least two layers adjacent to each other contain a first or a second fluid, respectively, which have different indices of refraction; and an electrowetting apparatus (22a, b, c, d) for controlling the orientation of the boundary between the two fluid layers adjacent to each other. The cell (12) has at least three layers, at least two birefringent boundaries between a birefringent (18) and a monorefringent (20, 20') layer, one following behind the other in the direction from the inlet window (14) to the outlet window (16), said layers being parallel to each other, and the electrowetting apparatus (22a, b, c, d) is designed to control the orientation of the two birefringent boundaries or of a monorefringent boundary that is arranged between the birefringent boundaries and the inlet window (14).

Description

Optisches Bauteil zur Beeinflussung eines Lichtstrahls  Optical component for influencing a light beam
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauteil zur Beeinflussung eines Lichtstrahls, umfassend eine Zelle mit einem Eintrittsfenster und einem Austrittsfenster für den Lichtsirahl; eine Mehrzahl von in der Zelle in Richtung vom Eintrittsfenster zum Austrittsfenster hintereinander angeordneten Schichten, wobei zwischen jeweils zwei aneinander angrenzenden Schichten eine Grenzfläche gebildet ist, wobei wenigstens eine der Schichten doppelbrechend ist, und wobei wenigstens zwei aneinander angrenzende Schichten ein erstes bzw. ein zweites Fluid enthalten, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen; und eine Elektrobenetzungseinrichtung zum Steuern der Orientierung der Grenzfläche zwischen den zwei aneinander angrenzenden Fluid-Schichten. The present invention relates to an optical component for influencing a light beam, comprising a cell having an entrance window and an exit window for the light guide; a plurality of layers sequentially disposed in the cell in the direction from the entrance window to the exit window, wherein an interface is formed between each two adjoining layers, at least one of the layers being birefringent, and wherein at least two contiguous layers comprise a first and a second fluid, respectively containing different refractive indices; and an electrowetting device for controlling the orientation of the interface between the two adjacent fluid layers.
Ein derartiges optisches Bauteil ist beispielsweise aus der WO 2005/093489 A2 bekannt. Bei dem dort vorgestellten optischen Bauteil enthält die Zeile genau eine Schicht aus einem doppelbrechenden Medium. Bekanntlich bezeichnet der Begriff "Doppelbrechung" die Tatsache, dass bei bestimmten flüssigen, festen oder auch gasförmigen Medien optische Eigenschaften nicht isotrop, d.h. in allen Raumrichtungen gleich, sondern anisotrop sind, d.h. von der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls abhängen. Licht, welches sich entlang einer Vorzugsrichtung, der sogenannten optischen Achse oder Hauptachse, durch das Medium ausbreitet, besitzt unabhängig von seiner Polarisationsrichtung stets die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Breitet sich ein Lichtstrahl hingegen orthogonal zur optischen Achse bzw. Hauptachse in dem Medium aus, so hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Polarisationsrichtung ab: Wellenzüge, die orthogonal zu dieser Achse polarisiert sind, breiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Hingegen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von WelSenzügen mit der anderen Polarisationsrichtung, d.h. parallel zur optischen Achse bzw. Hauptachse polarisiert, hiervon abweichend. Für den erstgenannten ordentlichen Strahl und den letztgenannten außerordentlichen Strahl besitzt das doppelbrechende Medium also unterschiedliche Brechungsindizes. Dies wird bei dem in der WO 2005/093489 A2 offenbarten optischen Bauteil dazu genutzt, einen zunächst unpolarisierten Lichtstrahl in zwei orthogonal zueinander polarisierte Lichtstrahlen aufzuspalten, die sich im doppelbrechenden Medium in unterschiedlichen Richtungen ausbreiten und somit leicht voneinander getrennt werden können. Beispielsweise offenbart dieses Dokument des Stands der Technik optische Bauteile, bei denen ein unpolarisierter Lichtstrahl zunächst durch das Eintrittsfenster in ein einfachbrechendes Fluid eintritt. An dieses grenzt ein hiermit nicht mischbares doppelbrechendes Fluid an. Der Verlauf der Grenzfläche zwischen dem einfachbrechenden und dem doppelbrechenden Fluid kann über eine Elektrobenetzungseinrichtung gesteuert werden. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um zwei an gegenüberliegenden Seiten der Zelle angeordnete Elektroden, deren Spannungen individuell eingestellt werden können, um Stärke und Verlauf des zwischen Ihnen aufgebauten elektrischen Felds zu variieren. Während die vom unpolarisierten Lichtstrahl zunächst durchquerte einfachbrechende Schicht aus einem hydrophoben Medium wie beispielsweise einem Silikonöl besteht, enthält die hieran angrenzende doppelbrechende Schicht Flüssigkristallmoleküle, die durch eine im Bereich des Austrittsfensters vorgesehene transparente Ausrichtungsschicht linear ausgerichtet werden. Diese Richtung definiert die optische Achse bzw. Hauptachse der doppelbrechenden Schicht. Such an optical component is known, for example, from WO 2005/093489 A2. In the optical component presented there, the line contains exactly one layer of a birefringent medium. As is known, the term "birefringence" refers to the fact that in certain liquid, solid or even gaseous media optical properties are not isotropic, ie the same in all spatial directions, but anisotropic, ie depend on the propagation direction of a light beam. Light which propagates through the medium along a preferred direction, the so-called optical axis or main axis, always has the same propagation velocity, regardless of its direction of polarization. On the other hand, if a light beam propagates orthogonally to the optical axis or main axis in the medium, the propagation speed depends on the polarization direction: wave trains that are polarized orthogonally to this axis propagate at the same speed. On the other hand, the propagation velocity of WelSenzügen with the other polarization direction, ie polarized parallel to the optical axis or main axis, deviating from this. For the former ordinary ray and the latter extraordinary ray, the birefringent medium thus has different refractive indices. This is used in the optical component disclosed in WO 2005/093489 A2 to split an initially unpolarized light beam into two orthogonally polarized light beams which propagate in birefringent medium in different directions and thus can be easily separated from one another. For example, this prior art document discloses optical components in which an unpolarized beam of light first enters through the entrance window into a refractive fluid. Adjacent to this is an immiscible birefringent fluid. The course of the interface between the single refractive and the birefringent fluid can be controlled via an electrowetting device. These are essentially two electrodes arranged on opposite sides of the cell, the voltages of which can be adjusted individually in order to vary the strength and course of the electric field built up between them. While the non-polarized light beam initially traversed by the single-refractive layer of a hydrophobic medium such as a silicone oil, the adjoining birefringent layer containing liquid crystal molecules, which are aligned by a provided in the region of the exit window transparent alignment layer linear. This direction defines the optical axis or main axis of the birefringent layer.
An der Grenzfläche zwischen der einfachbrechenden und der doppelbrechenden Schicht wird der zunächst unpolarisierte Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, nämlich den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl, die sich im doppelbrechenden Medium in unterschiedlichen Richtungen ausbreiten. Durch Veränderung der an die Elektroden angelegten Spannungen erlaubt die Elektrobenetzungseinrichtung, die Orientierung dieser Grenzfläche und somit insbesondere den Winkel zu verändern, unter dem der Lichtstrahl auf die Grenzfläche trifft. Hierdurch wiederum verändern sich die Ausbreitungsrichtungen des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls im doppelbrechenden Medium, welches sie durch das Austrittsfenster räumlich getrennt verlassen. Die WO 2005/093489 A2 schlägt verschiedene Anwendungen dieses Grundprinzips vor, die alle auf einer räumlichen Trennung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls basieren, beispielsweise für einen schnell einstellbaren Strahlteiler oder für eine optische Scanvorrichtung, bei dem ein Datenträger mit zwei in unterschiedlichen Tiefen angeordneten Datenspeicherschichten durch die beiden räumlich getrennten Strahlen ausgelesen werden soll. At the interface between the birefringent and birefringent layers, the initially unpolarized light beam is split into two beams, namely the ordinary and extraordinary beams, which propagate in different directions in the birefringent medium. By changing the voltages applied to the electrodes, the electrowetting device allows to change the orientation of this interface and thus in particular the angle at which the light beam strikes the interface. As a result, the propagation directions of the ordinary and extraordinary beams in the birefringent medium change, which they leave spatially separated by the exit window. WO 2005/093489 A2 proposes various applications of this basic principle, all of which are based on spatial separation of the ordinary and extraordinary beams, for example for a rapidly adjustable beam splitter or for an optical scanning device in which a data carrier with two data storage layers arranged at different depths should be read by the two spatially separated beams.
Die vorliegende Erfindung verfolgt einen anderen Zweck. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes optisches Bauteil derart weiterzuentwickeln, dass es als schneller Phasen- bzw. Amplitudenmodulator dienen kann. The present invention has a different purpose. Object of the present invention is to develop a generic optical component such that it can serve as a fast phase or amplitude modulator.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen optischen Bauteil dadurch gelöst, dass die Zeile wenigstens drei Schichten aufweist, dass wenigstens zwei in Richtung vom Eintrittsfenster zum Austrittsfenster hintereinander folgende Doppelbrechungs-Grenzflächen zwischen einer doppelbrechenden und einer einfachbrechenden Schicht zueinander im Wesentlichen parallel sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der zwei Doppelbrechungs-Grenzflächen oder einer Einfachbrechungs-Grenzfiäche zu steuern, die zwischen den Doppelbrechungs- Grenzflächen und dem Eintrittsfenster angeordnet ist. According to the invention, this object is achieved in a generic optical component in that the row has at least three layers that at least two in the direction of the entrance window to the exit window successively birefringence interfaces between a birefringent and a single-refractive layer to each other are substantially parallel, and that the Electro wetting device is designed to control the orientation of the two birefringence interfaces or a Einfachbrechungs-Grenzfiäche, which is arranged between the birefringence interfaces and the entrance window.
Hierbei wird mit dem Begriff "Doppelbrechungs-Grenzfläche" eine Grenzfläche zwischen einer doppelbrechenden und einer einfachbrechenden Schicht bezeichnet, und zwar unabhängig davon, von welcher dieser beiden Schichten ein Lichtstrah! in welche andere eintritt. Hingegen wird eine Grenzfläche zwischen zwei einfachbrechenden Schichten, also Schichten, von denen jede unabhängig von der Polarisationsrichtung einfallenden Lichts stets den gleichen Brechungsindex aufweist, als Einfachbrechungs-Grenzfiäche bezeichnet. Die wenigstens zwei erfindungsgemäß vorgesehenen, zueinander parallelen Doppelbrechungs-Grenzflächen führen somit zu einer Aufspaltung eines einfallenden Lichtstrahls in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl sowie, ähnlich wie beim Durchgang eines Lichtstrahls durch eine planparallele Platte, zu einem Parallelversatz sowohl des ordentlichen als auch des außerordentlichen Strahls, die jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik nach dem Durchgang durch beide Doppeibrechungs-Grenzflächen nicht etwa räumlich divergieren, sondern vielmehr weiterhin parallel laufen. Genauer gesagt interferieren der ordentliche und der außerordentliche Strahl nach dem Durchgang durch die zweite Doppelbrechungs-Grenzfläche miteinander zu einem im allgemeinen Fall elliptisch polarisierten Strahl, wobei es sich bei dieser elliptischen Polarisation in Sonderfällen um eine zirkuläre oder eine lineare Polarisation handein kann. Durch die erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene Gestaitung der Elektrobenetzungseinrichtung derart, dass sie die Orientierung der zwei Doppelbrechungs-Grenzflächen oder einer Einfachbrechungs-Grenzfläche steuern kann, läßt sich die relative Phasenlage des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls bei dieser Interferenz und somit die Polarisation des resultierenden Gesamtstrahls nach Durchgang durch beide Doppelbrechungs-Grenzflächen steuern. Der Begriff „Lichtstrahl" ist synonym auch als ein Bündel von im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlen aufzufassen, wobei der Lichtstrahl bzw. das Bündel von Lichtstrahlen eine Wellenfront bildet. Das erfindungsgemäße optische Bauteil bildet somit einenHere, the term "birefringence interface" refers to an interface between a birefringent and a single-refractive layer, regardless of which of these two layers is a beam of light! into which other one enters. On the other hand, an interface between two single-refractive layers, that is to say layers, each of which has the same refractive index, regardless of the direction of polarization of the incident light, is referred to as the single-refraction boundary surface. The at least two inventively provided, mutually parallel birefringence interfaces thus lead to a splitting of an incident light beam into a regular and an extraordinary beam and, similar to the passage of a light beam through a plane-parallel plate, to a parallel offset of both the ordinary and extraordinary beams, which, unlike the prior art, do not diverge spatially after passing through both double-interference interfaces, but continue to be parallel to run. More specifically, the ordinary and extraordinary beams, after passing through the second birefringence interface, interfere with each other in a generally elliptically polarized beam, which in special cases may be circular or linear polarization in this elliptical polarization. By means of the design of the electrowetting device likewise provided according to the invention such that it can control the orientation of the two birefringence interfaces or an interface with single refraction, the relative phase of the ordinary and extraordinary beams in this interference and hence the polarization of the resulting overall beam after passage can be determined through both birefringence interfaces. The term "light beam" is also synonymous as a bundle of essentially parallel light beams, the light beam or the bundle of light beams forming a wavefront, thus forming the optical component according to the invention
Phasenmodulator, der es erlaubt, die Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Lichtstrahl nach dem Verlassen der Zelle durch das Austrittsfenster zu variieren. Beispielsweise kann mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung die Orientierung der zwei Doppelbrechungs- Grenzflächen oder einer vorgeschalteten Einfachbrechungs-Grenzfläche so gesteuert werden, dass der durch das Austrittsfenster austretende Strahl je nach Phasendifferenz zwischen seinen Teilstrahlen zwischen linearer Polarisation, zirkularer Polarisation oder jedem anderen allgemeineren Fall einer elliptischen Polarisation umgeschaltet werden kann. Phase modulator that allows to vary the phase difference between the ordinary and the extraordinary light beam after exiting the cell through the exit window. For example, with the aid of the electrowetting device, the orientation of the two birefringence interfaces or an upstream single-refractive interface can be controlled such that the beam emerging through the exit window varies between linear polarization, circular polarization or any other more general case of elliptical polarization, depending on the phase difference between its sub-beams can be switched.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das optische Bauteil zu einem Amplitudenmodulator weiterentwickelt werden, indem es ferner einen hinter dem Austrittsfenster angeordneten optischen Analysator zum Analysseren der Polarisation des Lichtstrahls umfaßt. Ein derartiger optischer Analysator transmittiert nur die Projektion des elektrischen Feldvektors des durch das Austrittsfenster austretenden Lichtstrahls auf eine vom optischen Analysator definierte Vorzugsrichtung. Betrachtet man beispielsweise eine Ausgangssituation, bei der die hintereinander folgenden Doppelbrechungs-Grenzfiächen so orientiert sind, dass der ordentliche und der außerordentliche Strahl beim Verlassen der Zelle eine Phasendifferenz von π aufweisen (entsprechend einem Versatz der jeweiligen Weilenzüge relativ zueinander um λ/2, wobei λ die Wellenlänge des Lichtstrahls ist), so ist der resultierende Lichtstrahl, der das optische Bauteil verläßt, linear polarisiert, und kann durch geeignete Wahl der Stellung des Analysators, nämlich orthogonal zu dieser Polarisationsrichtung, ausgelöscht werden. Verändert man nun mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung die Orientierung der zwei Doppelbrechungs-Grenzfiächen oder einer vorgeschalteten Einfachbrechungs- Grenzfläche und somit den Einfallswinkel, unter dem der Lichtstrahl auf die doppelbrechende Schicht trifft, so verändert sich auch die Polarisation des aus dem Bauteil austretenden Lichtstrahls. Beispielsweise kann die lineare Polarisation der Ausgangssituation verloren gehen und sich etwa im Fall einer Phasendifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl von π/2 ein resultierender Lichtstrahl hinter dem Bauteil ergeben, der zirkular polarisiert ist und somit vom Analysator nicht mehr vollständig ausgelöscht werden kann. Diese Ausführungsform der Erfindung stellt somit einen schnell schaltbaren Amplitudenmodulator dar. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße optische Bauteil in der oben beschriebenen Weise zur Phasen- oder Amplitudenmodulation eines unpolarisierten Lichtstrahls eingesetzt werden, solange sichergestellt ist, dass die ihn erzeugende Lichtquelle tatsächlich perfekt unpolarisiertes Licht emittiert. In diesem Fall übernimmt die doppelbrechende Schicht, die beispielsweise linear orientierte Flüssigkristalle enthält, durch die Aufspaltung des zunächst unpolarisierten Strahls in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Lichtstrahl je nach Orientierung der Flüssigkristalle relativ zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls gleichsam die Rolle eines Polarisators. In a preferred embodiment of the invention, the optical component can be further developed into an amplitude modulator by further a arranged behind the exit window optical analyzer for Analysereren the polarization of the light beam comprises. Such an optical analyzer transmits only the projection of the electric field vector of the light beam emerging through the exit window in a preferred direction defined by the optical analyzer. Consider, for example, an initial situation in which the successive birefringence boundary surfaces are oriented such that the ordinary and extraordinary beams have a phase difference of π when leaving the cell (corresponding to an offset of the respective seesets relative to each other by λ / 2, where λ is the wavelength of the light beam), the resulting light beam exiting the optical component is linearly polarized and can be canceled by properly selecting the position of the analyzer, orthogonal to that direction of polarization. If the orientation of the two birefringence boundary surfaces or an upstream single-refractive interface and thus the angle of incidence at which the light beam strikes the birefringent layer are changed by means of the electrowetting device, the polarization of the light beam emerging from the component also changes. For example, the linear polarization of the initial situation can be lost and, for example, in the case of a phase difference between ordinary and extraordinary light beam of π / 2, a resulting light beam results behind the component, which is circularly polarized and thus can not be completely extinguished by the analyzer. This embodiment of the invention thus represents a rapidly switchable amplitude modulator. In principle, the optical component according to the invention can be used in the manner described above for phase or amplitude modulation of an unpolarized light beam, as long as it is ensured that the light source generating it actually emits perfectly unpolarized light. In this case, the birefringent layer, which contains, for example, linearly oriented liquid crystals, takes over the splitting of the initially unpolarized beam into a normal and an extraordinary one Light beam depending on the orientation of the liquid crystals relative to the propagation direction of the light beam as it were the role of a polarizer.
Das Licht zahlreicher Quellen ist jedoch nicht perfekt unpolarisieri sondern weist Vorzugsrichtungen auf. Um hieraus resultierende Ungenauigkeiten zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils vorgesehen, dass es ferner einen vor dem Eintrittsfenster angeordneten optischen Polarisator zum Polarisieren des Lichtstrahls umfaßt. Ähnlich dem oben besprochenen Analysator transmittiert auch der optische Polarisator nur Weilenzüge einer bestimmten linearen Polarisationsrichtung, die durch seine Vorzugsrichtung definiert ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beim Auftreffen des Lichtstrahls auf die doppelbrechende Schicht in der Zelle definierte Polarisationsverhältnisse herrschen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem optischenHowever, the light of many sources is not perfect unpolarisieri but has preferential directions. In order to avoid resulting inaccuracies, it is provided in a preferred embodiment of the optical component according to the invention that it further comprises an optical polarizer arranged in front of the entrance window for polarizing the light beam. Similar to the analyzer discussed above, the optical polarizer also transmits only half-waves of a particular linear polarization direction defined by its preferred direction. In this way, it is ensured that defined polarization conditions prevail when the light beam strikes the birefringent layer in the cell. In a particularly preferred embodiment with an optical
Polarisator und einem optischen Analysator können diese relativ zueinander so eingestellt werden, dass im spannungslosen Zustand der Elektrobenetzungseinrichtung kein Licht durch den optischen Analysator transmittiert wird. Durch Verändern der individuellen Spannungen an den Elektroden der Elektrobenetzungseinrichtung lassen sich dann Grenzflächen im Inneren der Zeile derart verkippen, dass die resultierende Veränderung der Phasendifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl eine Veränderung der Polarisation des Lichtstrahls bewirkt, der die Zelle durch das Austrittsfenster verläßt, entsprechend der Entstehung einer durch den optischen Analysator hindurchgelangenden Lichtkomponente. Polarizer and an optical analyzer, these can be adjusted relative to each other so that no light is transmitted through the optical analyzer in the de-energized state of the electrical wetting device. By varying the individual voltages at the electrodes of the electrowetting device, it is then possible to tilt interfaces in the interior of the line in such a way that the resulting change in the phase difference between the ordinary and extraordinary beams causes a change in the polarization of the light beam leaving the cell through the exit window, corresponding to FIG Formation of a passing through the optical analyzer light component.
Als Fluide, die in der Zelle zum Einsatz kommen können, eignen sich gasförmige und flüssige Substanzen ebenso wie Mischungen von Flüssigkeiten oder Gasen mit festen Stoffen. Maßgeblich für das Funktionieren der Elektrobenetzung (electrowetting) ist hierbei stets, dass aneinandergrenzende Fluidschichten sich nicht oder nur unwesentlich vermischen, dass sie unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, und dass sie eine hinreichende Fließfähigkeit aufweisen, um bei Veränderung der Spannungen an den Elektroden der Elektrobenetzungseinrichtung ihre Kontaktflächen an den gegenüberliegenden Wänden der Zelle anzupassen. Vorzugsweise ist beim erfindungsgemäßen optischen Bauteil hierbei vorgesehen, dass das erste und das zweite Fluid jeweils Flüssigkeiten enthalten, beispielsweise ein polares Öl oder Wasser mit darin gelöstem Salz zur Einstellung der Leitfähigkeit. Suitable fluids which can be used in the cell are gaseous and liquid substances as well as mixtures of liquids or gases with solids. Decisive for the functioning of electrowetting here is always that adjacent fluid layers do not mix or only slightly, that they have different electrical conductivities, and that they have a have sufficient flowability to adapt their contact surfaces on the opposite walls of the cell as the voltages on the electrodes of the electrowetting device change. Preferably, it is provided in the case of the optical component according to the invention that the first and the second fluid each contain liquids, for example a polar oil or water with salt dissolved therein for adjusting the conductivity.
In einer speziellen Ausführungsform ist ein optisches Bauteil gemäß der Erfindung derart gestaltet, dass in der Zelle eine planparallele und flüssige doppelbrechende Schicht vorgesehen ist, dass die an die planparallele Schicht angrenzenden Schichten flüssig und einfachbrechend sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen der planparallelen Schicht und den beiden angrenzenden Schichten zu steuern. Bei dieser Gestaltung wird die gewünschte Phasenverschiebung zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl dadurch verändert, dass die planparallele doppelbrechende Schicht in der Zelle gleichsam gekippt wird. Der durch das Eintrittsfenster in die Zelle eingetretene Lichtstrahl trifft unter einem von der Verkippung abhängigen Winkel auf die planparallele doppelbrechende Schicht, und wird an dieser ersten Doppelbrechungs-Grenzfläche in den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl aufgespalten. Diese werden beim Durchgang durch die Zelle jeweils parallel versetzt und interferieren nach dem Durchgang durch die zweite Doppelbrechungs-Grenzfläche, die die planparallele Schicht begrenzt, zu dem bereits besprochenen elliptisch polarisierten Lichtstrahl, der die Zelle durch das Austrittsfenster verläßt. Der Parallelversatz der beiden Teilsfrahlen beim Durchgang durch die planparallele doppelbrechende Platte führt dazu, dass der Lichtstrahl, der die Zelle durch das Austrittsfenster verläßt, gegenüber dem durch das Eintrittsfenster einfallenden Lichtstrahl seitlich versetzt ist. Dieser Versatz kann in einer aufwendigeren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils dadurch vermieden werden, dass in der Zelle eine weitere planparallele und flüssige doppelbrechende Schicht vorgesehen ist, wobei die beiden planparallelen Schichten spiegelsymmetrisch hintereinander angeordnet sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den beiden planparallelen Schichten und den jeweils angrenzenden Schichten derart zu steuern, dass die Spiegelsymmetrie im wesentlichen erhalten bleibt. In dieser Ausführungsform wird der Parallelversatz des Lichts an der ersten planparalleien doppelbrechenden Schicht durch einen gegenläufigen Parallelversatz an der weiteren, nämlich zweiten planparallelen doppelbrechenden Schicht kompensiert, die zur ersten planparalleien doppelbrechenden Schicht spiegelsymmetrisch ist. In a specific embodiment, an optical component according to the invention is designed in such a way that a plane-parallel and liquid birefringent layer is provided in the cell, that the layers adjoining the plane-parallel layer are liquid and simply refractive, and that the electrowetting device is designed for orientation to control the interfaces between the plane-parallel layer and the two adjacent layers. In this design, the desired phase shift between ordinary and extraordinary beam is changed by tilting the plane-parallel birefringent layer in the cell as it were. The light beam entering the cell through the entrance window strikes the plane-parallel birefringent layer at an angle dependent on the tilt, and is split into the ordinary and extraordinary beams at this first birefringence interface. These are offset in parallel as they pass through the cell and, after passing through the second birefringence interface defining the plane-parallel layer, interfere with the already discussed elliptically polarized light beam exiting the cell through the exit window. The parallel offset of the two sub-beams when passing through the plane-parallel birefringent plate causes the light beam, which leaves the cell through the exit window, is laterally offset from the light beam incident through the entrance window. This offset can be avoided in a more complex embodiment of the optical component according to the invention by providing a further plane-parallel and liquid birefringent layer in the cell is, wherein the two plane-parallel layers are arranged mirror-symmetrically one behind the other, and that the electrowetting device is adapted to control the orientation of the interfaces between the two plane-parallel layers and the respective adjacent layers such that the mirror symmetry is substantially maintained. In this embodiment, the parallel offset of the light at the first plane-parallel birefringent layer is compensated for by an opposite parallel offset at the further, namely second plane-parallel birefringent layer, which is mirror-symmetrical to the first plane-parallel birefringent layer.
Bei diesen zuletzt genannten Ausführungsformen werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Doppelbrechungs-Grenzflächen durch die Grenzflächen einer planparalleien und flüssigen doppelbrechenden Schicht bereitgestellt. Der Lichtstrahl tritt also zunächst in der Zelle in eine einfachbrechende Schicht ein und durchquert dann die planparallele doppelbrechende Schicht, an deren Rückseite er wiederum eine einfachbrechende Schicht durchläuft, um schließlich die Zelle durch das Austrittsfenster zu verlassen. In these last-mentioned embodiments, the birefringence interfaces provided according to the invention are provided by the interfaces of a plane-parallel and liquid birefringent layer. The light beam thus first enters the cell in a simple refractive layer and then traverses the plane-parallel birefringent layer, at the back of which it again passes through an easily refractive layer, finally leaving the cell through the exit window.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann jedoch vorgesehen sein, dass in der Zelle eine planparallele und flüssige einfachbrechende Schicht vorgesehen ist, dass die an die planparallele Schicht angrenzenden Schichten flüssig und doppelbrechend sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen der planparallelen Schicht und den beiden angrenzenden Schichten zu steuern. Hierbei erfolgt die Aufspaltung des Lichtstrahls in den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl an einer Doppelbrechungs- Grenzfläche, an der der Lichtstrahl das doppelbrechende Medium verläßt und in die einfachbrechende planparallele Schicht eintritt. Auch bei einer derartigen alternativen Ausführungsform mit einer einfachbrechenden planparallelen Schicht kann der Parallelversatz des die Zelle durch das Austrittsfenster verlassenden Strahls gegenüber dem durch das Eintrittsfenster in die Zelle eingetretenen Strahl wiederum dadurch vermieden werden, dass in der Zelle eine weitere planparalleie und flüssige einfachbrechende Schicht vorgesehen ist, wobei die beiden pianparaiielen Schichten spiegeisymmetrisch hintereinander angeordnet sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den beiden pianparaiielen Schichten und den jeweils angrenzenden Schichten derart zu steuern, dass die Spiegelsymmetrie im wesentlichen erhalten bleibt. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die doppelbrechendeIn an alternative embodiment of the invention, however, it may be provided that a plane-parallel and liquid single-refractive layer is provided in the cell, that the layers adjacent to the plane-parallel layer are liquid and birefringent, and that the electrowetting device is designed to determine the orientation of the interfaces between to control the plane-parallel layer and the two adjacent layers. In this case, the splitting of the light beam into the ordinary and the extraordinary beam takes place at a birefringence interface at which the light beam leaves the birefringent medium and enters the single-refractive plane-parallel layer. Even with such an alternative embodiment with a simple-refractive plane-parallel layer, the parallel offset of the beam leaving the cell through the exit window can be compared with that passing through the exit window Incoming window into the cell occurred beam again be avoided by the fact that in the cell another planparalleie and liquid single-refractive layer is provided, the two pianparaiielen layers are mirror symmetrically arranged one behind the other, and that the electrowetting device is adapted to the orientation of the interfaces between the two To control pianparaiielen layers and the respective adjacent layers such that the mirror symmetry is substantially maintained. In a further alternative embodiment, the birefringent
Schicht nicht aus einer Flüssigkeit, sondern vielmehr aus einem festen Medium gebildet. Da sich die Grenzflächen eines festen Mediums nicht durch Elektrobenetzung beeinflussen lassen, muß der Einfallswinkel, unter dem der Lichtstrahl auf das doppelbrechende Medium trifft, mittels einer vorher zu durchlaufenden Grenzfläche variiert werden. Daher ist bei dieser alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils vorgesehen, dass in der Zelle eine planparallele und feste doppelbrechende Schicht vorgesehen ist, dass zwischen dem Eintrittsfenster und der planparallelen Schicht zwei flüssige einfachbrechende Schichten vorgesehen sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung einer Grenzfläche zwischen den zwei einfachbrechenden Schichten zu steuern. Durch Variation der Orientierung der Grenzfläche zwischen den zwei einfachbrechenden Schichten läßt sich somit der Einfallswinkel des Strahls auf die feste doppelbrechende planparallele Schicht steuern, die wiederum einen Parallelversatz des Lichtstrahls und eine Änderung seiner Polarisation bewirkt. Layer not formed from a liquid, but rather from a solid medium. Since the interfaces of a solid medium can not be influenced by electrowetting, the angle of incidence, at which the light beam strikes the birefringent medium, must be varied by means of a previously to be passed interface. Therefore, in this alternative embodiment of the optical component according to the invention, it is provided that a plane-parallel and solid birefringent layer is provided in the cell, that two liquid single-refractive layers are provided between the entrance window and the plane-parallel layer, and that the electrowetting device is designed for orientation to control an interface between the two simple refractive layers. By varying the orientation of the interface between the two single-refractive layers, the angle of incidence of the beam on the solid birefringent plane-parallel layer can thus be controlled, which in turn causes a parallel offset of the light beam and a change in its polarization.
Zweckmäßigerweise ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass in der Zelle zwischen der planparallelen und festen doppelbrechende Schicht und dem Austrittsfenster wenigstens zwei weitere flüssige einfachbrechende Schichten vorgesehen sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den wenigstens zwei weiteren einfachbrechenden Schichten zu steuern. Diese weiteren flüssigen einfachbrechenden Schichten erlauben es, den die Zeile durch das Austrittsfenster verlassenden Strahl je nach gewünschter Anwendung entweder parallel zum einfallenden Strahl oder schräg hierzu verlaufen zu lassen, beispielsweise gezielt in Richtung eines Auges eines Benutzers. Conveniently, it is provided in this embodiment that in the cell between the plane-parallel and solid birefringent layer and the exit window at least two further liquid refractive layers are provided, and that the electrowetting device is adapted to the orientation of the interfaces between the at least two further refractive layers Taxes. These more liquid single-refractive layers allow the beam leaving the line through the exit window to be either parallel to the incident beam or oblique, depending on the desired application, for example in the direction of an eye of a user.
Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass es wenigstens eine Blende zum Beschneiden des Lichtstrahls am Eintrittsfenster und/oder am Austrittsfenster umfaßt. Auf diese Weise läßt sich der Lichtstrahl sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig zur Vermeidung von Randeffekten beschneiden. Insbesondere kann aus einem breiten Lichtstrahl ein kleinerer Ausschnitt ausgekoppelt werden, der vom oben besprochenen Parallelversatz des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls beim Durchgang durch eine planparallele Schicht unbeeinträchtigt bleibt. Somit ist für alle optischen Anwendungen des erfindungsgemäßen Bauteils eine definierte Sirahilage des ausgangsseitigen Strahls und seine gleichmäßige Zusammensetzung aus ordentlichem und außerordentlichem Licht gewährleistet. In all embodiments of the optical component according to the invention is expediently provided that it comprises at least one aperture for trimming the light beam at the entrance window and / or at the exit window. In this way, the light beam can be cut both on the input side and on the output side to avoid edge effects. In particular, a smaller section can be coupled out of a broad beam of light, which remains unimpaired by the parallel offset of the ordinary and the extraordinary beam discussed above when passing through a plane-parallel layer. Thus, a defined sirahilage of the output-side beam and its uniform composition of ordinary and extraordinary light is ensured for all optical applications of the component according to the invention.
Zweckmäßigerweise ist in all denjenigen Ausführungsformen, die einen optischen Polarisator enthalten, vorgesehen, dass der optische Polarisator auf einer durch das Zentrum des Eintrittsfensters und das Zentrum des Austrittsfensters definierten Hauptachse des Bauteils angeordnet ist. It is expediently provided in all those embodiments which comprise an optical polarizer that the optical polarizer is arranged on a main axis of the component defined by the center of the entry window and the center of the exit window.
Aufgrund des erwähnten Paralleiversatzes des Strahls beim Durchgang durch eine planparallele Platte kann es hingegen in all denjenigen Ausführungsformen, die einen optischen Analysator enthalten, zweckmäßig sein, dass der optische Analysator von einer durch das Zentrum des Eintrittsfensters und das Zentrum des Austrittsfensters definierten Hauptachse des Bauteils versetzt angeordnet ist. On the other hand, due to the mentioned parallelism of the beam passing through a plane-parallel plate, it may be appropriate in all those embodiments incorporating an optical analyzer that the optical analyzer is displaced from a major axis of the component defined by the center of the entrance window and the center of the exit window is arranged.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Hauptachse der doppelbrechenden Schicht in eine vorgebbare Richtung orientierbar. Dies könnte beispielsweise durch eine geeignete Ansteuerung mindestens einer Elektrode der Elektrobenetzungseinrichtung erfolgen. Vorzugsweise wird die Hauptachse der doppelbrechenden Schicht parallel zu einer Doppelbrechungs-Grenzfläche orientiert. According to a preferred embodiment, a major axis of the birefringent layer is orientable in a predeterminable direction. this could for example, by a suitable control of at least one electrode of the electrical wetting device. Preferably, the major axis of the birefringent layer is oriented parallel to a birefringence interface.
Die Erfindung umfaßt ferner eine optische Vorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von derartigen optischen Bauteilen, sowie eine Anzeigevorrichtung, die eine derartige optische Vorrichtung umfaßt, wobei die optischen Bauteile im wesentlichen nebeneinander an einem Bildschirm angeordnet sind. The invention further comprises an optical device comprising a plurality of such optical components, and a display device comprising such an optical device, wherein the optical components are arranged substantially side by side on a screen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der nicht beschränkenden Figuren erläutert werden. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention will be explained below with reference to the non-limiting figures. Show it:
Figur 1a eine schematische obere Schnittansicht auf eine erste Figure 1a is a schematic upper sectional view of a first
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit einer planparallelen doppelbrechenden Flüssigkeitsschicht, die zwischen zwei einfachbrechenden Flüssigkeitsschichten eingeschlossen ist;  Embodiment of an optical device according to the invention with a plane-parallel birefringent liquid layer, which is enclosed between two simple-refractive liquid layers;
Figur 1b eine schematische perspektivische Darstellung der Figure 1b is a schematic perspective view of
Polarisationsbedingungen bei einem Lichtstrahl, der das optische Bauteil aus Figur 1a durchläuft;  Polarization conditions in a light beam passing through the optical component of Figure 1a;
Figur 2a eine schematische obere Schnittansicht auf eine zweite Figure 2a is a schematic top sectional view of a second
Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit einer planparallelen einfachbrechenden Flüssigkeitsschicht, die zwischen zwei doppelbrechenden Flüssigkeitsschichten eingeschlossen ist;  Embodiment of the optical component according to the invention with a plane-parallel simple-refractive liquid layer, which is enclosed between two birefringent liquid layers;
Figur 2b eine schematische Darstellung ähnlich Figur 2a, bei der jedoch das Verhältnis der Brechungsindizes zwischen der planparallelen Schicht und den angrenzenden Schichten verändert ist; Figure 2b is a schematic representation similar to Figure 2a, but in which the ratio of refractive indices between the plane-parallel layer and the adjacent layers is changed;
Figur 3 eine schematische obere Schnittansicht auf eine weitere Figure 3 is a schematic upper sectional view of another
Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten planparallelen Schichten;  Embodiment of the optical component according to the invention with two mirror-symmetrical arranged plane-parallel layers;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit einer festen, verhältnismäßig dünnen planparallelen Schicht; Figure 4 is a schematic representation of another embodiment of the optical component according to the invention with a solid, relatively thin plane-parallel layer;
Figur 5a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit einer festen, verhältnismäßig dicken planparallelen Schicht; Figure 5a is a schematic representation of another embodiment of the optical component according to the invention with a solid, relatively thick plane-parallel layer;
Figur 5b eine schematische Darstellung des Brechungsindexellipsoids eines doppelbrechenden Mediums, das in allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils verwendet werden kann; und FIG. 5b shows a schematic representation of the refractive index ellipsoid of a birefringent medium which can be used in all embodiments of the optical component according to the invention; and
Figur 6 eine schematische obere Schnittansicht auf ein optisches Figure 6 is a schematic top sectional view of an optical
Bauteii ohne p!anparallele Schicht. Figur 1a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste Component without parallel layer. FIG. 1a shows a schematic plan view of a first one
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10 zur Beeinflussung eines Lichtstrahls. Das optische Bauteil 10 umfaßt eine Zelle 12 mit einem Eintrittsfenster 14 und einem Austrittsfenster 16 für den Lichtstrahl, der im Bereich des Eintrittsfensters 14 als strichpunktierter Pfeil dargestellt ist, jedoch im wesentlichen das gesamte Eintrittsfenster 14 ausleuchten soll. In dieser Ausführungsforrn enthält die Zelle 12 drei Flüssigkeitsschichten, nämlich eine planparallele mittlere Schicht 18 aus einer doppelbrechenden Flüssigkeit, die von zwei einfachbrechenden Flüssigkeiten 20 eingeschlossen ist. Die Flüssigkeiten sind nicht miteinander mischbar, so dass sich in der Zelle 12 klar definierte Grenzflächen zwischen den in Richtung vom Eintrittsfenster 14 zum Austrittsfenster 18 hintereinander angeordneten Schichten 20, 18, 20 bilden. Die doppelbrechende Schicht 18 kann beispielsweise aus Elektrolyt (beispielsweise Wasser und ein gelöstes Salz) gebildet sein, in dem LC gelöst ist, wobei die Dicke der Schicht beispielweise 100 pm beträgt. Die einfachbrechenden Schichten 20, beispielsweise gleicher Dicke, können nicht polares öl, wie beispielsweise Chlor-Naphtalen, enthalten. Die doppelbrechenden Eigenschaften der Schicht 18 werden also durch Einbettung von Flüssigkristallen in diese Schicht 18 erreicht, die beispielsweise durch eine Strukturierung von Bereichen der seitlichen Oberflächen der Zelle 12 oder mittels eines elektrischen Feldes ausgerichtet werden können. Embodiment of an optical component 10 according to the invention for influencing a light beam. The optical component 10 comprises a cell 12 with an entrance window 14 and an exit window 16 for the light beam, which is shown in the region of the entrance window 14 as a dash-dotted arrow, but should illuminate substantially the entire entrance window 14. In this embodiment, the cell 12 contains three layers of liquid, namely a plane-parallel middle layer 18 of birefringent liquid enclosed by two single-refractive liquids 20. The liquids are not miscible with each other, so that in the cell 12 clearly defined interfaces between the in the direction of the entrance window 14 to the exit window 18 successively arranged layers 20, 18, 20 form. The birefringent layer 18 can be formed, for example, of electrolyte (for example water and a dissolved salt) in which LC is dissolved, the thickness of the layer being, for example, 100 μm. The single-refractive layers 20, for example of the same thickness, may contain non-polar oil, such as, for example, chloro-naphthalene. The birefringent properties of the layer 18 are thus achieved by embedding liquid crystals in this layer 18, which can be aligned, for example, by structuring regions of the lateral surfaces of the cell 12 or by means of an electric field.
Die Orientierung der beiden Doppeibrechungs-Grenzflächen zwischen der eintrittsfensterseitigen einfachbrechenden Schicht 20 und der doppelbrechenden planparallelen Schicht 18 bzw. zwischen der doppelbrechenden planparallelen Schicht 18 und der austrittsfensterseitigen einfachbrechenden Schicht 20 erfolgt in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Elektrobenetzungseinrichtung. Diese umfaßt bei der in Figur 1a gezeigten Ausführungsform vier an den Seiten der Zelle 12 angeordnete Elektroden 22a, b, c, d, an die mit Hilfe einer in den Figuren nicht dargestellten Steuereinheit jeweilige Spannungen Ua, Ub, Uc, Ud angelegt werden können. Einander diametral gegenüberliegende Elektroden, also die Elektroden 22a und 22c bzw. die Elektroden 22b und 22d, liegen im wesentlichen auf gleichem Spannungsniveau, d.h. üa = Uc = U1 und Ub = Ud = U2. Im Falle U1 = U2 ist die doppelbrechende Schicht 18 im wesentlichen "gerade" in der Zelle 12 orientiert, d.h. die sie begrenzenden Doppelbrechungs-Grenzflächen sind im wesentlichen orthogonal zum durch das Eintrittsfenster 14 einfallenden Lichtstrahl orientiert. Je nach Wahl der Materialien der Schichten 18, 20 läßt sich beispielsweise im Fall von U1 > U2 die in Figur 1a dargestellte Verkippung der doppelbrechenden Schicht 18 erreichen. The orientation of the two birefringence interfaces between the entrance-window-side single-refractive layer 20 and the birefringent plane-parallel layer 18 or between the birefringent plane-parallel layer 18 and the exit-window-side refractive layer 20 takes place in a manner known per se with the aid of an electrowetting device. In the embodiment shown in FIG. 1a, this comprises four electrodes 22a, b, c, d arranged on the sides of the cell 12, to which respective voltages Ua, Ub, Uc, Ud can be applied by means of a control unit, not shown in the figures. Mutually diametrically opposite electrodes, that is, the electrodes 22a and 22c and the electrodes 22b and 22d are substantially at the same voltage level, ie üa = Uc = U1 and Ub = Ud = U2. In case U1 = U2, the birefringent layer 18 is oriented substantially "straight" in the cell 12, ie the birefringence interfaces delimiting it are oriented substantially orthogonal to the light beam incident through the entrance window 14. Depending on your choice For example, in the case of U1> U2, the materials of the layers 18, 20 can achieve the tilting of the birefringent layer 18 shown in FIG. 1a.
Die in der doppelbrechenden Schicht 18 enthaltenen zueinander ausgerichteten Flüssigkristalle sind in den Figuren durch entsprechende Striche in der Schicht 18 angedeutet. The aligned in the birefringent layer 18 aligned liquid crystals are indicated in the figures by corresponding lines in the layer 18.
Vor dem Eintrittsfenster 14 der Zelle 12 ist ein optischer Polarisator 24 installiert, hinter dem Ausfrittsfenster 16 ein optischer Analysator 26. Die Begriffe !Vor" und "hinter" beziehen sich in dieser Anmeldung stets auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtsirahls, in Figur 1a von unten nach oben, wie es durch die Lichtstrahl-Pfeile angedeutet ist. In front of the entrance window 14 of the cell 12, an optical polarizer 24 is installed, behind the Ausffittsfenster 16 an optical analyzer 26. The terms ! In this application, "front" and "rear" always refer to the direction of propagation of the light wavy line, from bottom to top in FIG. 1a, as indicated by the light beam arrows.
Die in der Zelle 12 an den zueinander parallelen Doppelbrechungs- Grenzflächen auftretenden optischen Phänomene hängen maßgeblich von der durch den Polarisator 24 verursachten Polarisation des das Eintrittsfenster 14 passierenden Lichtstrahls relativ zur optischen Achse der doppelbrechenden Schicht 18 ab. Geht man beispielsweise davon aus, dass die optische Achse der doppelbrechenden Schicht 18 im wesentlichen parallel zu den sie begrenzenden Doppelbrechungs-Grenzflächen in der Zeichenebene der Figur 1a liegt, wie es durch die Striche in der Schicht 18 angedeutet ist, so würde ein Lichtstrahl, der durch den Polarisator 24 orthogonal zur Zeichenebene polarisiert wird, in der Schicht 18 keine Doppelbrechung erfahren. Vielmehr würde er als ordentlicher Strahl beim Durchgang durch die Schicht 18 ausschließlich einen Parallelversatz erfahren. The optical phenomena occurring in the cell 12 at the mutually parallel birefringence interfaces depend significantly on the polarization of the light beam passing through the entrance window 14, caused by the polarizer 24, relative to the optical axis of the birefringent layer 18. Assuming, for example, that the optical axis of the birefringent layer 18 is substantially parallel to the birefringence interfaces defining it in the plane of the drawing of FIG. 1a, as indicated by the bars in the layer 18, a beam of light would is polarized by the polarizer 24 orthogonal to the plane, in the layer 18 undergo no birefringence. Rather, he would experience as normal beam when passing through the layer 18 only a parallel offset.
Aus diesem Grund wird der optische Polarisator 24 zweckmäßigerweise derart eingestellt, dass der durch ihn transmittierte linear polarisierte Lichtstrahl eine Polarisationsrichtung aufweist, die einen Winkel von etwa 45° mit der Zeichenebene der Figur 1a einschließt, und die selbstverständlich zwangsläufig orthogonal zur Ausbreitungsrichtung orientiert ist. Beim Eintritt in die Zelle 12 im Bereich des Eintrittsfensters 14 trifft dieser Lichtstrahl zunächst im wesentlichen orthogonal auf die vordere äußere Grenzfläche der vorderen einfachbrechenden Schicht 20, wobei keine Brechungsphänomene auftreten. An der in Ausbreitungsrichtung vom Eintrittsfenster 14 zum Austrittsfenster 18 folgenden Grenzfläche hingegen, nämlich der ersten gekippten Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 zwischen der vorderen einfachbrechenden Schicht 20 und der zentralen doppelbrechenden Schicht 18, wird der Lichtstrahl in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Lichtstrahl aufgespalten. Definiert man in der üblichen Weise die durch den einfallenden Lichtstrahl und die optische Achse der Schicht 18 definierte Ebene als den Hauptschnitt des Systems, so ist die Polarisationsrichtung des ordentlichen Lichtstrahls orthogonal zum Hauptschnitt, die Po!arisationsrichtung des außerordentlichen Strahls ist parallel hierzu. Der ordentliche Strahl ist in Figur 1a gepunktet dargestellt, der außerordentliche Strahl gestrichelt, der vor Erreichen der ersten Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 noch nicht aufgespaltene Lichtstrahl entsprechend strichpunktiert. Bei dem in Figur 1a dargestellten Beispiel wird also der außerordentliche Strahl stärker gebrochen als der ordentliche. Je nach Wahl der Materialien für die Schichten 18, 20 kann auch ein umgekehrtes Verhalten erzielt werden, d.h. eine stärkere Brechung des ordentlichen als des außerordentlichen Strahls. Nach dem Durchqueren der p!anparallelen doppelbrechenden Schicht 18 treffen der ordentliche und der außerordentliche Strahl auf eine weitere Doppelbrechungs-Grenzfläche 30, nämlich die Grenzfläche zwischen der doppelbrechenden Schicht 18 und der hinteren einfachbrechenden Schicht 20 in der Zelle 12. Da bei der in Figur 1a gezeigten Ausführungsform das in der hinteren einfachbrechenden Schicht 20 enthaltene Medium vorteilhafterweise identisch ist mit jenem der vorderen einfachbrechenden Schicht 20, werden beide Strahlen an dieser zweiten Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 so gebrochen, dass ihre Ausbreitungsrichtungen wieder parallel zur Ausbreitungsrichtung des durch den Polarisator 24 fransmittierten Lichtstrahls sind. Allerdings tritt zwischen den beiden Lichtstrahlen aufgrund der für sie unterschiedlichen optischen Weglänge in der doppelbrechenden Schtcht 18 nun ein Phasenversatz auf, der vom Kippwinkei der doppelbrechenden Schicht 18 abhängt und somit eine Funktion der an die Elektroden 22a, b, c, d angelegten Spannungen ist. Nach dem Austrittsfenster führt dies zwischen den beiden Lichtstrahlen zu einem Phasenversatz Δφ. Im allgemeinsten Fall führt dieser Phasenversatz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl dazu, dass der Lichtstrahl, der die Zelle 12 durch das Austrittsfenster 16 im wesentlichen orthogonal zur hinteren äußeren Grenzfläche der hinteren einfachbrechenden Schicht 20 verläßt, elliptisch polarisiert ist, wobei als Sonderfälle eine zirkulare Polarisation oder auch eine lineare Polarisation auftreten können, Der elliptisch polarisierte Lichtstrahl trifft hinter dem Austrittsfenster 16 auf den optischen Analysator 26, der nur diejenige Polarisationskomponente passieren läßt, die parallel zu seiner Vorzugsrichtung ist. Die hinter dem Analysator 26 meßbare Amplitude bzw. Intensität des Lichtstrahls läßt sich also mittels der Spannungen an den Elektroden 22a, b, c, d und die hierdurch einstellbare Orientierung der beiden Doppelbrechungs-Grenzflächen 28, 30 schnei! variieren. For this reason, the optical polarizer 24 is expediently adjusted in such a way that the linearly polarized light beam transmitted through it has a polarization direction which encloses an angle of approximately 45 ° with the drawing plane of FIG. 1a and which, of course, is necessarily oriented orthogonally to the propagation direction. Upon entry into the cell 12 in the region of the entrance window 14, this light beam initially strikes substantially orthogonal to the front outer interface of the front single refractive layer 20, with no refraction phenomena occurring. On the other hand, at the interface following in the direction of propagation from the entrance window 14 to the exit window 18, namely the first tilted birefringence interface 28 between the front refractive layer 20 and the central birefringent layer 18, the light beam is split into a normal and an extraordinary light beam. Defining in the usual way the plane defined by the incident light beam and the optical axis of the layer 18 as the main section of the system, the polarization direction of the ordinary light beam is orthogonal to the main section, the polarization direction of the extraordinary ray is parallel thereto. The ordinary ray is shown dotted in FIG. 1a, the extraordinary ray is dashed, and the light beam which has not yet been split before reaching the first birefringence interface 28 is correspondingly dot-dashed. In the example shown in FIG. 1a, therefore, the extraordinary ray is more strongly refracted than the ordinary one. Depending on the choice of materials for the layers 18, 20, a reverse behavior can be achieved, ie a stronger refraction of the ordinary than the extraordinary beam. After passing through the p-parallel birefringent layer 18, the ordinary and extraordinary beams strike another birefringence interface 30, namely the interface between the birefringent layer 18 and the rear single-refractive layer 20 in the cell 12. As shown in FIG As shown, when the medium contained in the back refractive layer 20 is advantageously identical to that of the front refractive layer 20, both beams are refracted at this second birefringence interface 30 so that their directions of propagation are again parallel to the direction of propagation of the light beam transmitted through the polarizer 24 , However, due to the different for them optical path length in the birefringent Schtcht 18 now occurs on the phase difference, which depends on Kippwinkei the birefringent layer 18 and thus a function of the Electrodes 22a, b, c, d applied voltages. After the exit window, this leads to a phase shift Δφ between the two light beams. In the most general case, this phase offset between the ordinary and the extraordinary beam causes the light beam leaving the cell 12 through the exit window 16 substantially orthogonal to the rear outer interface of the rear single-refractive layer 20 to be elliptically polarized, using circular polarization as a special case The elliptically polarized light beam strikes behind the exit window 16 on the optical analyzer 26, which allows only pass that polarization component, which is parallel to its preferred direction. The amplitude or intensity of the light beam which can be measured behind the analyzer 26 can therefore be cut by means of the voltages at the electrodes 22a, b, c, d and the thereby adjustable orientation of the two birefringence interfaces 28, 30! vary.
Die im Verlauf der Lichtausbreitung durch das erfindungsgemäße optische Bauteil 10 vorliegenden Polarisationsverhältnisse sind in Figur 1 b nochmaäs schematisch dargestellt. Zunächst ist in Figur 1b unten perspektivisch ein Koordinatensystem dargestellt. Die z-Achse entspricht hierbei der durch das Zentrum des Eintrittsfensters 14 und das Zentrum des Austrittsfensters 16 definierten optischen Hauptachse des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10, entlang der der zu beeinflussende Lichtstrahl eingestrahlt werden soll. Die x-Achse liegt orthogonal hierzu in der Zeichenebene, die y-Achse entsprechend orthogonal zur x- und zur z-Achse senkrecht zur Zeichenebene. The polarization ratios present in the course of the light propagation through the optical component 10 according to the invention are also shown schematically in FIG. 1 b. First, a coordinate system is shown in perspective in FIG. 1b below. In this case, the z-axis corresponds to the optical main axis of the optical component 10 according to the invention defined by the center of the entry window 14 and the center of the exit window 16, along which the light beam to be influenced is to be irradiated. The x-axis is orthogonal to this in the drawing plane, the y-axis corresponding orthogonal to the x-axis and to the z-axis perpendicular to the plane.
Nach Durchgang durch den optischen Polarisator 24, dessen Vorzugsrichtung in Figur 1b durch die untere schraffierte Fläche schematisch repräsentiert ist, ist der Lichtstrahl zunächst linear und parallel zu dieser Vorzugsrichtung polarisiert. Hinter der hinteren Doppelbrechungs-Grenzfläche 30, d.h. nachdem der ordentliche und der außerordentliche Strahl sich wieder überlagern (räumliche und/oder zeitliche Kohärenz des ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahls vorausgesetzt), ist der Lichtstrahl elliptisch polarisiert, und der optische Analysator 28 blendet aus diesem Lichtstrahl diejenige Polarisationskomponente aus, die parallel zu seiner Vorzugsrichtung schwingt. Die zueinander orthogonalen Schraffuren von Polarisator 24 undAfter passing through the optical polarizer 24, the preferred direction of which is schematically represented in FIG. 1b by the lower hatched area, the light beam is initially linear and polarized parallel to this preferred direction. Behind the rear birefringence interface 30, ie after the ordinary and the extraordinary ray are superimposed again (spatial and / or temporal coherence of the ordinary and the temporal coherence) provided with an extraordinary light beam), the light beam is elliptically polarized, and the optical analyzer 28 fades out of this light beam that polarization component which oscillates parallel to its preferred direction. The mutually orthogonal hatches of polarizer 24 and
Analysator 26 sollen die entsprechende orthogonale Orientierung der jeweiligen Vorzugsrichtungen zueinander repräsentieren. Vorzugsweise sollte der Analysator 28 in seiner Vorzugsrichtung so eingestellt werden, dass er nur diejenige Polarisationskomponente hindurchläßt, die im Fall U1 = U2 = 0 nicht vorhanden ist, und erst im Fall einer Spannungsdifferenz j UU| 1-U2 | > 0 und einer hieraus resultierenden Verkippung der doppelbrechenden Schicht 18 auftritt. Analyzer 26 should represent the corresponding orthogonal orientation of the respective preferred directions to each other. Preferably, the analyzer 28 should be set in its preferred direction to pass only that polarization component which is not present in the case U1 = U2 = 0, and only in the case of a voltage difference j UU | 1-U2 | > 0 and a resulting tilting of the birefringent layer 18 occurs.
Wie man in Figur 1a erkennt, ist der Lichtstrahl nach Durchgang durch die Zelle 12 parallel in x-Richtung versetzt worden, wobei der Betrag des Versatzes Δχ von der Verkippung der doppelbrechenden Schicht 18, d.h. vom Winkel der vorderen und der hinteren Doppelbrechungs-Grenzflächen 28, 30 relativ zur z~ Achse abhängt. Zur Vermeidung von Randeffekten ist das erfindungsgemäße optische Bauteil daher mit Blenden 32 zum Beschneiden des Lichtstrahls am Eintrittsfenster 14 und am Austrittsfenster 16 ausgestattet. Sie erlauben es, aus dem Querschnitt des Lichtstrahls, einer Vielzahl von Lichtstrahlen bzw. der Wellenfront einen inneren Bereich auszukoppeln, so dass der zwangsläufig auftretende Parallelversatz beim Durchgang durch die Zelle 12 nicht zu Intensitätsschwankungen im Bereich des Analysators 26 führt. Geht man beispielsweise davon aus, dass in Figur 1a der ordentliche Strahl gepunktet und der außerordentliche Strahl gestrichelt dargestellt ist, so ist aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen beider Strahlen in der doppelbrechenden Schicht 18 die gesamte Wellenfront des außerordentlichen Strahls in der Figur 1a gegenüber jener des ordentlichen Strahls nach rechts verschoben. Diese beiden Wellenfronten sind schematisch in der austrittsfensterseitigen einfachbrechenden Schicht 20 gepunktet bzw. gestrichelt dargestellt. Mit Hilfe der Blenden 32 läßt sich der in Figur 1a linke Bereich des Lichtstrahls, der nur den ordentlichen Strahl enthält, ebenso wie der in Figur 1a rechte Bereich, der nur den außerordentlichen Strahl enthält, jeweils wegschneiden, Anders ausgedrückt lassen die Blenden 32 im Bereich des Austrittsfensters nur denjenigen Teil des Lichtstrahls passieren, der den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl enthält. As can be seen in FIG. 1 a, the light beam has been displaced parallel in the x-direction after passing through the cell 12, the amount of the offset Δχ being from the tilt of the birefringent layer 18, ie from the angle of the front and rear birefringence interfaces 28 , 30 depends relative to the z axis. To avoid edge effects, the optical component according to the invention is therefore equipped with diaphragms 32 for trimming the light beam at the entrance window 14 and at the exit window 16. They make it possible to decouple an inner region from the cross section of the light beam, a plurality of light beams or the wavefront, so that the inevitably occurring parallel offset during passage through the cell 12 does not lead to fluctuations in intensity in the region of the analyzer 26. For example, assuming that the ordinary ray is dotted in FIG. 1a and the extraordinary ray is shown in phantom, due to the different propagation directions of both rays in the birefringent layer 18, the entire wavefront of the extraordinary ray in FIG. 1a is opposite that of the ordinary ray moved to the right. These two wavefronts are shown dotted or dashed in the exit window side single-refractive layer 20 schematically. With the help of the aperture 32 can be left in Figure 1a area of the light beam, which only the ordinary beam In the same way as the right-hand area in FIG. 1a, which contains only the extraordinary ray, respectively cut away, in other words the apertures 32 in the area of the exit window only pass that part of the light ray which contains the ordinary and the extraordinary ray.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10 ist in Figur 2a dargestellt. Gleiche Komponenten wie in Figur 1a sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform enthält die Zelle 12 eine zentrale einfachbrechende Schicht 20, an die zwei doppelbrechende Schichten 18 angrenzen. Auch in diesem Fall werden die an die Elektroden 22a, b, c, d angelegten Spannungen derart eingestellt, dass sich zwei zueinander parallele Doppelbrechungs-Grenzflächen 28, 30 bilden. Wiederum erfolgt die Aufspaltung des vom Polarisator 24 kommenden und durch das Eintrittsfenster 14 in die Zelle 12 eintretenden Lichtstrahls an der vorderen Doppelbrechungs-Grenzfläche 28, ab der hinteren Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 überlagern sich der ordentliche und der außerordentliche Strahl aufgrund ihres Phasenversatzes derart, dass der resultierende Lichtstrahl elliptisch polarisiert ist. An alternative embodiment of the optical component 10 according to the invention is shown in FIG. 2a. The same components as in FIG. 1a are provided with the same reference numbers. In the embodiment shown in FIG. 2 a, the cell 12 contains a central, single-refractive-index layer 20 adjoining two birefringent layers 18. In this case as well, the voltages applied to the electrodes 22a, b, c, d are adjusted in such a way that two birefringence interfaces 28, 30 parallel to one another are formed. Again, the splitting of the coming of the polarizer 24 and entering through the entrance window 14 in the cell 12 light beam at the front birefringence interface 28, from the rear birefringence interface 30, the ordinary and the extraordinary beam are superimposed due to their phase offset such that the resulting light beam is elliptically polarized.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2a werden beide Teilstrahlen an der vorderen Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 vom Lot auf die Grenzfläche 28 weggebrochen, entsprechend einem Brechungsindex der zentralen einfachbrechenden Schicht 20, der kleiner ist als jener der vorderen doppelbrechenden Schicht 18. Dieses Verhältnis der Brechungsindizes zwischen einfachbrechenderIn the embodiment according to FIG. 2a, both partial beams at the front birefringence interface 28 are broken away from the solder on the interface 28, corresponding to a refractive index of the central refractive layer 20 which is smaller than that of the front birefringent layer 18. This ratio of refractive indices between refractive indexes
Schicht 20 und doppelbrechenden Schichten 18 ist nicht zwingend. Alternativ können für die Schichten 18, 20 auch Materialien mit einem anderen Brechungsindexverhältnis gewählt werden. Dies ist schematisch in der alternativen Ausführungsform der Figur 2b dargestellt, bei der die zentrale einfachbrechende Schicht 20 für beide Teilstrahlen optisch dichter ist als die vordere doppelbrechende Schicht 18, Sowohl der ordentliche als auch der außerordentliche Strahl werden daher an der vorderen Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 zum Lot hin gebrochen. Es versteht sich somit, dass durch geeignete Dimensionierung des Abstands zwischen den beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Doppelbrechungs- Grenzflächen 28, 30 und durch die Wahl der Brechungsindizes der in der Zeile vorgesehenen Schichten 18, 20 das Maß des Parallelversatzes des Lichtstrahls beim Durchqueren der gesamten Zelle 12 eingestellt werden kann. Layer 20 and birefringent layers 18 is not mandatory. Alternatively, materials with a different refractive index ratio can also be selected for the layers 18, 20. This is shown schematically in the alternative embodiment of Figure 2b, in which the central single refractive layer 20 is optically more dense than the front birefringent layer 18 for both partial beams. Both the ordinary and extraordinary beams are therefore at the front birefringence interface 28 for Lot down Broken. It is thus understood that by appropriate dimensioning of the distance between the two inventively provided birefringence interfaces 28, 30 and by the choice of refractive indices of the provided in the line layers 18, 20, the degree of parallel displacement of the light beam when passing through the entire cell 12 is set can be.
In Figur 2b sind unterhalb der Zelle 12 wiederum schematisch die Poiarisationszustände des Lichtstrahls am jeweiligen Ort in der Zelle 12 angedeutet. In FIG. 2 b, the polarization states of the light beam at the respective location in the cell 12 are schematically indicated again below the cell 12.
Figur 3 zeigt schematisch eine Zelle 12 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 10. In dieser Ausführungsform enthält die Zelte 12 zwei planparallele Schichten, die bezogen auf eine gedachte xy-Ebene in der Mitte der Zelte 12 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um zwei planparallele doppelbrechende Schichten 18, die durch eine zentrale einfachbrechende Schicht 20 voneinander sowie durch eine vordere und eine hintere einfachbrechende Schicht 20 vom Eintrittsfenster 14 bzw. vom Austrittsfensfer 16 getrennt sind. Die Rolle von einfachbrechenden und doppelbrechenden Schichten kann selbstverständlich vertauscht werden, so dass alternativ auch zwei planparallele und zueinander spiegelsymmetrisch angeordnete einfachbrechende Schichten und insgesamt drei doppelbrechende Schichten in der Zelle vorgesehen sein können. FIG. 3 schematically shows a cell 12 of a further embodiment of the component 10 according to the invention. In this embodiment, the tent 12 contains two plane-parallel layers, which are arranged mirror-symmetrically with respect to an imaginary xy-plane in the center of the tents 12. In the embodiment shown in FIG. 3, there are two plane-parallel birefringent layers 18, which are separated from one another by a central, single-refractive layer 20 and from the entrance window 14 and the exit fender 16 by a front and a rear break-away layer 20. Of course, the role of single-refractive and birefringent layers can be reversed, so that alternatively two plane-parallel and mirror-symmetrically arranged single-refractive layers and a total of three birefringent layers can be provided in the cell.
Wie durch die Pfeile in Figur 3 schematisch angedeutet ist, kompensiert der Paraüelversatz an der hinteren planparallelen doppelbrechenden Schicht 18 jenen an der vorderen planparallelen doppelbrechenden Schicht 18, so dass der die Zelle 12 durch das Austrittsfenster 16 verlassende Lichtstrahl keinen Versatz gegenüber dem durch das Eintrittsfensfer 14 einfallenden Lichtstrahl aufweist. Bei dieser Ausführungsform muß mittels der Verteilung der ElektrodenAs schematically indicated by the arrows in Figure 3, the Paraüelversatz on the rear plane-parallel birefringent layer 18 compensates for those on the front plane-parallel birefringent layer 18, so that the light beam leaving the cell 12 through the exit window 16 no offset from that through the Eintrittsfensfer 14th having incident light beam. In this embodiment, by means of the distribution of the electrodes
22 an den gegenüberliegenden Seiten der Zelle 12 sichergestellt werden, dass die Spiegelsymmetrie zwischen den beiden planparallelen Schichten bei der Änderung ihrer Verkippung in der Zelle 12 erhalten bleibt. Hierzu können unter idealen Bedingungen beispielsweise zwei Spannungen U1 und U2 an insgesamt sechs Elektroden 22a-f verwendet werden, um die planparallelen Flächen um gleiche Winkel um zueinander parallele Achsen zu drehen und Δφ(U1 , U2) einzustellen. Dies ist in Figur 3 dargestellt. 22 on the opposite sides of the cell 12 to ensure that the mirror symmetry between the two plane-parallel layers in the change its tilt in the cell 12 is maintained. For this purpose, under ideal conditions, for example, two voltages U1 and U2 can be used on a total of six electrodes 22a-f to rotate the plane-parallel surfaces by equal angles about mutually parallel axes and to set Δφ (U1, U2). This is shown in FIG.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden jeweils als Sonderfall von Fluid-Schichten Flüssigkeiten verwendet, insbesondere auch für die wenigstens eine doppelbrechende Schicht 18. Die Verwendung flüssiger Schichten kann jedoch mit Nachteilen verbunden sein. Beispielsweise ist das Befüllen der Zelle 12 mit einer Abfolge von Flüssigkeiten aufwendig. Ferner kann in der Praxis bei Flüssigkeiten, die durch Zusatz von Flüssigkristallen doppelbrechend gemacht werden, im Verlauf der Zeit gelegentlich eine Entmischung auftreten, so dass die optischen Eigenschaften der Schicht sich verändern, die Langzeitstabilität des optischen Bauteils 10 also nicht mehr gewährleistet ist. In the embodiments described above, liquids were used in each case as a special case of fluid layers, in particular also for the at least one birefringent layer 18. However, the use of liquid layers can be associated with disadvantages. For example, filling the cell 12 with a sequence of liquids is expensive. Furthermore, in practice, liquids which are made birefringent by the addition of liquid crystals may occasionally segregate over time, so that the optical properties of the layer change, so that the long-term stability of the optical component 10 is no longer guaranteed.
Aus diesem Grund ist bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10, die in Figur 4 schematisch dargestellt ist, eine feste doppelbrechende Schicht 18 vorgesehen. For this reason, in a further embodiment of the optical component 10 according to the invention, which is shown schematically in FIG. 4, a solid birefringent layer 18 is provided.
Wie wiederum schematisch durch Pfeile angedeutet ist, die den Strahlverlauf durch das optische Bauteil 10 hindurch repräsentieren sollen, erfolgt auch bei dieser Ausführungsform die Aufspaltung des Lichtstrahls in einen gepunktet dargestellten ordentlichen und einen gestrichelt dargestellten außerordentlichen Strahl beim Auftreffen auf die in Ausbreitungsrichtung vordere Doppelbrechungs-Grenzfläche 28, die die feste doppelbrechende Schicht 18 von einer unmittelbar vor ihr angeordneten einfachbrechenden Schicht 20 trennt. im Gegensatz zu den weiter oben vorgestellten Ausführungsformen mit einer flüssigen doppelbrechenden Schicht kann diese vordere Doppelbrechungs- Grenzfläche 28 im Falle einer festen Schicht 18 selbstverständlich nicht mehr in ihrer Orientierung verändert werden. Der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf die vordere Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 muß daher auf andere Weise mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung verändert werden. Hierzu befindet sich in der Zelle 12 unmittelbar vor der an die doppelbrechende Schicht 18 angrenzenden einfachbrechenden Schicht 20 eine weitere einfachbrechende Schicht 20', deren Brechungsindex sich von jener der Schicht 20 unterscheidet. Auch austrittsfensterseitig ist hinter einer unmittelbar an die feste doppelbrechende Schicht 28 angrenzenden einfachbrechenden Schicht 20 eine derartige weitere einfachbrechende Schicht 20' vorgesehen. Mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung Sassen sich nun die Einfachbrechungs-Grenzflächen zwischen den aneinander angrenzenden einfachbrechenden Schichten 20, 20' in der oben bereits beschriebenen Weise kippen, d.h. in ihrer Orientierung relativ zum einfallenden Lichtstrahl steuern. In Figur 4 ist dargestellt, dass sich mit Hilfe von vier Elektroden 22a, b. c, d, an die die Spannungswerte Ua ~ Uc = U1 sowie üb = Ud = U2 angelegt werden, sowohl die vordere Einfachbrechungs-Grenzfläche 34, die der Lichtstrahl vor dem Erreichen der festen doppelbrechenden Schicht 18 durchläuft, als auch die hintere Einfachbrechungs-Grenzfläche 36, mit der der resultierende elliptisch polarisierte Lichtstrahl in seiner Ausbreitungsnchtung wieder parallel zur z-Achse eingestellt wird, in ihrer Orientierung steuern lassen. Ansonsten entsprechen Aufbau und Funktionsweise der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform des optischen Bauteils 10 mit einer festen doppelbreGhenden Schicht 18 den zuvor erläuterten Ausführungsformen mit einer entsprechenden flüssigen Schicht. Figur 5a zeigt eine Weiterentwicklung der Ausführungsform aus Figur 4, bei der die Dicke der festen doppelbrechenden Schicht 18, d.h. ihre Länge in z- Richtung, erhöht ist. Diese Ausführungsform erlaubt es, als doppelbrechende Schicht 18 ein festes, hinreichend transparentes Substrat zu verwenden, beispielsweise aus Glas, welches als Träger des gesamten optischen Bauteils 10 fungiert. Die Erhöhung der Dicke der doppelbrechenden Schicht 18 bietet femer den Vorteil, dass sich aufgrund der erhöhten optischen Weglänge in der doppelbrechenden Schicht 18 auch bei kleinen Winkeln zwischen den Ausbreitungsrichiungen des ordentlichen und des außerordentlichen Strahis eine vorbestimmte Phasendifferenz Δφ (U1 , U2) erzielen läßt. Kleine Winke! lassen sich schneller einstellen als große Winkel, was zu einer schnelleren Modulation führt. Darüber hinaus verringert sich der Lateralversatz des Lichtstrahls, d.h. der Parallelversatz in der Zeichenebene der Figur 5a, beim Durchgang durch das optische Bauteil 10. Wiederum sind auch bei dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise Blenden 32 insbesondere am Austrittsfenster 16 vorgesehen, um diejenigen Randbereiche des Lichtstrahls auszublenden, in denen er nur den ordentlichen oder den außerordentlichen Strahl enthält. Geht man beispielsweise davon aus, dass in Figur 5a der ordentliche Strahl gepunktet und der außerordentliche Strahl gestrichelt dargestellt ist, so ist aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen beider Strahlen in der doppelbrechenden Schicht 18 die gesamte Wellenfront des ordentlichen Strahls in der Figur 5a gegenüber jener des außerordentlichen Strahls nach oben verschoben. Diese beide Wellenfronten sind schematisch in der austrittsfensterseitigen einfachbrechenden Schicht 20' gepunktet bzw. gestrichelt dargestellt. Mit Hilfe der Blenden 32 läßt sich der in Figur 5a obere Bereich des Lichtstrahls, der nur den ordentlichen Strahl enthält, ebenso wie der in Figur 5a untere Bereich, der nur den außerordentlichen Strahl enthält, jeweils wegschneiden. Anders ausgedrückt lassen die Blenden 32 im Bereich des Austrittsfensters nur denjenigen Teil des Lichtstrahls passieren, der den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl enthält, wie es durch die strichpunktierte Wellenfront im Bereich der Blenden 32 angedeutet ist. As again indicated schematically by arrows, which are intended to represent the beam path through the optical component 10, also in this embodiment, the splitting of the light beam into a dotted ordinary and a dashed lines shown extraordinary beam when hitting the front in the propagation direction birefringence interface 28, which separates the solid birefringent layer 18 from a simple refractive layer 20 located immediately in front of it. of course, in contrast to the embodiments presented above with a liquid birefringent layer, in the case of a solid layer 18, this front birefringence interface 28 can no longer be changed in its orientation. The angle of incidence of the light beam on the Therefore, the front birefringence interface 28 must be altered in another way by means of the electrowetting device. For this purpose, in cell 12 immediately before the single-refractive-index layer 20 adjoining the birefringent layer 18 there is another single-refractive layer 20 'whose refractive index differs from that of the layer 20. Also on the exit window side, such a further, single-refractive layer 20 'is provided behind a simple refractive layer 20 immediately adjacent to the solid birefringent layer 28. With the aid of the electrowetting device, the single-junction interfaces between the adjoining single-refractive layers 20, 20 'are now tilted in the manner already described above, ie they are controlled in their orientation relative to the incident light beam. FIG. 4 shows that with the aid of four electrodes 22a, b. c, d, to which the voltage values Ua ~ Uc = U1 and ux = Ud = U2 are applied, both the front single-junction interface 34, which the light beam passes through before reaching the solid birefringent layer 18, and the rear single-junction interface 36, with which the resulting elliptically polarized light beam is adjusted in its propagation again parallel to the z-axis, can be controlled in their orientation. Otherwise, the structure and mode of operation of the embodiment of the optical component 10 shown in FIG. 4 with a solid double-barrier layer 18 correspond to the previously described embodiments with a corresponding liquid layer. FIG. 5a shows a further development of the embodiment from FIG. 4, in which the thickness of the solid birefringent layer 18, ie its length in the z direction, is increased. This embodiment makes it possible to use as the birefringent layer 18 a solid, sufficiently transparent substrate, for example made of glass, which acts as a carrier for the entire optical component 10. The increase in the thickness of the birefringent layer 18 also offers the advantage that due to the increased optical path length in the birefringent layer 18, even at small angles between the Spreading directions of the ordinary and the extraordinary Strahis can achieve a predetermined phase difference Δφ (U1, U2). Little hints! can be set faster than large angles, resulting in faster modulation. In addition, the lateral offset of the light beam, ie the parallel offset in the plane of the figure 5a, when passing through the optical component 10. Again, in this embodiment, aperture 32 expediently provided at the exit window 16 to hide those edge portions of the light beam, in whom he contains only the ordinary or the extraordinary ray. For example, assuming that the ordinary ray is dotted in Figure 5a and the extraordinary ray is shown in phantom, due to the different directions of propagation of both rays in the birefringent layer 18, the entire wavefront of the ordinary ray in Figure 5a is opposite that of the extraordinary ray moved up. These two wavefronts are shown schematically in dashed lines in the exit-window-side, simply refractive layer 20 '. With the help of the aperture 32, the upper portion of the light beam, which contains only the ordinary beam in FIG. 5a, can be cut away, as well as the lower portion, which contains only the extraordinary beam, in FIG. 5a. In other words, the apertures 32 in the area of the exit window allow only that part of the light beam which contains the ordinary and the extraordinary beam to pass through, as indicated by the dot-dash wavefront in the region of the apertures 32.
Bei allen bislang vorgestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10 wurde davon ausgegangen, dass die maßgeblichen Grenzflächen, also die vordere Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 und die hintere Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 in den Ausführungsformen mit einer flüssigen doppelbrechenden Schicht 18 ebenso wie die vordere Einfachbrechungs-Grenzfläche 34 und die hintere Einfachbrechungs-Grenzfläche 36 in den Ausführungsformen mit einer festen doppelbrechenden Schicht 18 durch die Elektrobenetzungseinrichtung ausschließlich derart gekippt werden, dass die jeweilige Grenzflächennormale in der Zeichenebene bleibt. Es versteht sich beispielsweise bei Betrachtung der Figur 1a, dass die dort gezeigten Elektroden 22a, b, c, d und der durch sie bewirkte Elektrobenetzungseffekt ausschließlich eine Schrägstellung bzw. Verkippung der doppelbrechenden Schicht 18 um einen Winkel α gegenüber der xy-Ebene steuern, In all the previously presented embodiments of the optical component 10 according to the invention, it was assumed that the relevant boundary surfaces, ie the front birefringence interface 28 and the rear birefringence interface 30 in the embodiments with a liquid birefringent layer 18 as well as the front single-junction interface 34 and in the embodiments having a solid birefringent layer 18, the rear single-refractive interface 36 is tilted by the electrowetting device exclusively such that the respective interface normal remains in the plane of the drawing. It goes without saying for example, when viewing FIG. 1 a that the electrodes 22 a, b, c, d shown there and the effect of wetting the electrical wetting effect exclusively control an inclination or tilting of the birefringent layer 18 by an angle α with respect to the xy plane,
Alle besprochenen Ausführungsformen, insbesondere jene der Figur 5a mit einer dicken festen doppelbrechenden Schicht 18, lassen sich jedoch weiterentwickeln, indem zusätzliche Elektroden an der Zelle 12 vor bzw. hinter der Zeichenebene der Figuren hinzugefügt werden. Der durch diese zusätzlichen Elektroden ausgelöste Elektrobenetzungseffekt erlaubt eine zusätzliche Verkippung der jeweils maßgeblichen Grenzflächen derart, dass die Grenzflächennormale eine Komponente aus der Zeichenebene heraus bzw. in die Zeichenebene hinein erhält. Anders ausgedrückt kann dem ordentlichen und dem außerordentlichen Lichtstrahl mit Hilfe solcher zusätzlichen Elektroden nicht nur eine Ausbreitungskomponente in x-Richtung, sondern auch eine weitere Ausbreitungskomponente in y-Richtung verliehen werden. Dies führt zu weiteren interessanten Eigenschaften des optischen Bauteils 10, insbesondere da die Brechungseigenschaften einachsig- doppelbrechender Medien in zueinander orthogonalen Richtungen meist sehr verschieden sind. Figur 5b zeigt eine grafische Darstellung des richfungsabhängigen Brechungsindex eines doppelbrechenden Mediums für den ordentlichen und für den außerordentlichen Strahl. Wie bereits mehrfach erläutert, besitzt das Medium für den ordentlichen Strahl unabhängig von seiner Ausbreitungsrichtung in der xy-Ebene stets den gleichen Brechungsindex n. Die B rech ungs indexkurve in der nx-ny-Darstellung der Figur 5b für den ordentlichen Strahl ist daher eine Kreislinie. Sie ist in Figur 5b gepunktet dargestellt. However, all of the discussed embodiments, particularly those of Figure 5a with a thick solid birefringent layer 18, may be further developed by adding additional electrodes to cell 12 in front of and behind the plane of the figures, respectively. The electrowetting effect triggered by these additional electrodes permits additional tilting of the respectively relevant boundary surfaces in such a way that the interface normal receives a component out of the plane of the drawing or into the plane of the drawing. In other words, not only a propagation component in the x-direction but also a further propagation component in the y-direction can be imparted to the ordinary and the extraordinary light beam with the aid of such additional electrodes. This leads to further interesting properties of the optical component 10, in particular because the refractive properties of uniaxial birefringent media in mutually orthogonal directions are usually very different. Figure 5b shows a plot of the refractive index of a birefringent medium for the ordinary and for the extraordinary ray. As already explained several times, the medium for the ordinary ray always has the same refractive index n, irrespective of its propagation direction in the xy plane. The calculation index curve in the n x -n y representation of FIG. 5 b for the ordinary ray is therefore a circle line. It is shown dotted in Figure 5b.
Für den außerordentlichen Strahl hingegen ist der Brechungsindex nx bei Ausbreitung in x-Richtung größer als für den ordentlichen Strahl. Dies ist die Grundlage für die oben ausführlich beschriebenen Doppelbrechungsphänomene. Bei Ausbreitung in y-Richtung hingegen, also in die Zeichenebene der Figuren hinein, besitzt das Medium für den außerordentlichen Strahl den gleichen Brechungsindex wie für den ordentlichen Strahl. Die Brechungsindexkurve für den außerordentlichen Strahl in der nx-ny-Ebene gemäß Figur 5b ist somit eine Ellipse, die den Brechungsindexkreis für den ordentlichen Strahl an der ny-Achse berührt, For the extraordinary ray, on the other hand, the refractive index n x is greater when propagated in the x direction than for the ordinary ray. This is the basis for the birefringence phenomena detailed above. On the other hand, when propagated in the y-direction, ie in the drawing plane of the figures, the medium for the extraordinary ray has the same refractive index as for the ordinary ray. The refractive index curve for the extraordinary ray in the n x -n y plane according to FIG. 5 b is thus an ellipse which touches the refractive index circle for the ordinary ray at the n y -axis,
Stellt man nun beispielsweise in der Ausführungsform der Figur 5a mit Hilfe einer erweiterten Elektrobenetzungseinrichtung, die auch Elektroden vor bzw. hinter der Zeichenebene der Figur 5a aufweist, die vordere Einfachbrechungs- Grenzfläche 34 derart ein, dass der auf die vordere Doppelbrechungs-Grenzfläche 28 auftreffende Lichtstrahl zusätzlich zu seiner z-Kornponente nicht nur eine Ausbreitungskomponente in x-Richtung, sondern auch eine weitere Ausbreitungskomponente in y~Richtung besitzt, so führt dies auch beim ordentlichen und beim außerordentlichen Strahl, die sich in der doppelbrechenden Schicht 18 ausbreiten, zu einer derartigen y-Komponente der Ausbreitungsrichtung, Somit verlängert sich die optische Weglänge, die beide Teilstrahlen in der doppelbrechenden Schicht 18 zurücklegen. Aufgrund des in y-Richtung für beide Teilstrahlen identischen Brechungsindex des Mediums verändert sich jedoch die Phasendifferenz zwischen ihnen hierdurch nicht. Beim Verlassen der doppelbrechenden Schicht 18 an der hinteren Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 hat sich somit die absolute Phasenlage beider Teilstrahlen geändert, ihre Phasendifferenz relativ zueinander ist jedoch gleichgeblieben. Anders ausgedrückt bewirkt die zusätzliche Verkippung der vorderen Einfachbrechungs-Grenzfläche 34 und die hieraus resultierende y-Komponente der Ausbreitungsrichtung beider Teilsfrahlen einen Phasenhub der beiden Strahlen, ohne ihre Phasendifferenz zu beeinträchtigen. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen optischen Bauteilen 10 nebeneinander an einem Bildschirm angeordnet zu einer optischen Vorrichtung zusammengefaßt werden, die in einer Anzeigevorrichtung wie zum Beispiel einem holographischen Display eingesetzt wird. Denn der besprochene Phasenhub erlaubt es, dem Lichtstrahl eines Bildschirmpixels, dem das erfindungsgemäße optische Bauteil 10 zugeordnet ist, eine andere Phasenlage als beim Nachbarpixel zu verleihen, Eine in ein Feld von Phase schiebenden Zellen eingeschriebene Phasenverteilung kann beispielweise als eine beugende Linse (vergleichbar einer binären Fresnel-Zonen- Phasenplatte) wirken und vor dem Display einen reellen Objektpunkt in der vorgesehenden Tiefe z erzeugen, oder, wenn eine divergente Weiienfront in der Displayebene erzeugt wird, hinter dem Display einen imaginären Öbjektpunkt erzeugen. Das Auge kann auf imaginäre und auf reelle Objektpunkte, die sich in unterschiedlichen Tiefen befinden, fokussieren. Die diffraktiven Linsenfunktionen, die in das Dispaly eingeschrieben werden, können linear superpositioniert werden, um 3D Szenen darzustellen. Die Phasenverteilung der einzelnen Linsenfunktionen definiert den z Abstand einzelner Objektpunkte. Die Amplitudenverteilung der einzelnen Linsenfunktionen definiert die Intensität der einzelnen Objekfpunkte. Zellen, die komplexe Werte, d.h. Phase und Amplitude darstellen können, sind vorteilhaft für holographische Anzeigevorrichtungen zu verwenden. If, for example, in the embodiment of FIG. 5 a, the front single-refraction interface 34 is set in such a way that the light beam incident on the front birefringence interface 28 is produced by means of an extended electrowetting device, which also has electrodes in front of and behind the plane of the drawing In addition to its z-particle component, not only has a propagation component in the x-direction, but also a further propagation component in the y-direction, this also leads to such y in the ordinary and extraordinary ray propagating in the birefringent layer 18 Thus, the optical path length that both partial beams cover in the birefringent layer 18 increases. However, due to the index of refraction of the medium, which is identical in the y-direction for both partial beams, the phase difference between them does not change as a result. Upon leaving the birefringent layer 18 at the rear birefringence interface 30, the absolute phase of both partial beams has thus changed, but their phase difference relative to one another has remained the same. In other words, the additional tilt of the front single-refraction interface 34 and the resulting y-component of the propagation direction of both partial beams causes a phase shift of the two beams without affecting their phase difference. This is of particular interest when a plurality of optical components 10 according to the invention are arranged side by side on a screen and combined to form an optical device which is used in a display device such as a holographic display. For the phase shift discussed above makes it possible to give the light beam of a screen pixel to which the optical component 10 according to the invention is assigned a different phase position than the neighboring pixel. A phase distribution inscribed in a field of phase shifting cells can be used, for example, as a diffractive lens (comparable to a binary lens) Fresnel zone phase plate) and in front of the display a real object point in the create the expected depth z, or, if a divergent white front is generated in the display plane, create an imaginary object point behind the display. The eye can focus on imaginary and real object points that are at different depths. The diffractive lens functions written into the display can be superimposed linearly to represent 3D scenes. The phase distribution of the individual lens functions defines the z distance of individual object points. The amplitude distribution of the individual lens functions defines the intensity of the individual object functions. Cells that can represent complex values, ie phase and amplitude, are advantageous for use with holographic display devices.
Bei den bislang besprochenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 10 wurde stets davon ausgegangen, dass der Lichtstrahl aufgrund des Durchgangs durch die planparallele Schicht parallel versetzt wird. Streng genommen setzt dies jedoch voraus, dass die beiden an die planparaliele Schicht angrenzenden Nachbarschichten den gleichen Brechungsindex aufweisen. Besitzt beispielsweise bei der in Figur 1a dargestellten Ausführungsform die eintrittsfensterseitige einfachbrechende Schicht 20 einen anderen Brechungsindex als die austrittsfensterseitige einfachbrechende Schicht 20, so werden der ordentliche und der außerordentliche Strahl an der hinteren Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 nicht exakt in z-Richtung gebrochen, sondern besitzen auch nach Durchgang durch die hintere Doppelbrechungs-Grenzfläche 30 in ihrer Ausbreitungsrichtung noch eine x-Komponente. Dies führt dazu, dass der nach Durchgang durch die doppelbrechende Schicht 18 elliptisch polarisierte Lichtstrahl im Fernfeld ein Streifenmuster aufweist, was ihn für eine Verwendung in holographischen Displays ungeeignet macht, für zahlreiche andere technische Anwendungen jedoch nicht störend ist. Es sei daher an dieser Steile klargestellt, dass die beiden Schichten in der Zelle 12, die an den erfindungsgemäß vorgesehenen Doppelbrechungs-Grenzflächen 28, 30 an eine zentrale planparallele Schicht angrenzen, nicht zwingend den gleichen Brechungsindex aufweisen oder gar aus dem gleichen Material gebildet sein müssen. Zwingend ist hingegen erfindungsgemäß im Wesentlichen die parallele Orientierung der beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Doppelbrechungs- Grenzflächen 28, 30. Figur 8 zeigt ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel eines mit nur zwei Elektroden einer Elektrobenetzungseinrichtung steuerbaren optischen Bauteils, welches eintrittsfensterseitig und austrittsfensterseitig jeweils eine doppelbrechende Schicht aufweist, an die eine vordere bzw. eine hintere einfachbrechende Schicht angrenzt, zwischen denen wiederum eine zentrale einfachbrechende Schicht eingeschlossen ist. Wie Strahlsimulationen zeigen, läßt sich der Lichtstrahl auch mit einem derartigen Bauteil bei geringem lateralen Versatz Δχ elliptisch polarisieren, wobei im Fernfeld ein Streifenmuster zu beobachten ist. In the previously discussed embodiments of the optical component 10 according to the invention, it has always been assumed that the light beam is offset in parallel due to the passage through the plane-parallel layer. Strictly speaking, however, this requires that the two adjacent layers adjacent to the plane-parallel layer have the same refractive index. For example, in the embodiment illustrated in Figure 1a, the entrance window-side refractive layer 20 has a refractive index different from the exit window side refractive layer 20, the ordinary and extraordinary beams at the rear birefringence interface 30 are not exactly refracted in the z-direction, but also possess after passing through the rear birefringence interface 30 in its direction of propagation still an x-component. As a result, the elliptically polarized light beam after passing through the birefringent layer 18 has a fringe pattern in the far field, rendering it unsuitable for use in holographic displays, but not interfering with many other technical applications. It should therefore be made clear at this point that the two layers in the cell 12 adjacent to the birefringence interfaces 28, 30 provided according to the invention adjacent to a central plane-parallel layer do not necessarily have the same refractive index or even have to be formed from the same material , In contrast, according to the invention, essentially the parallel orientation of the two birefringence interfaces 28, 30 provided according to the invention is mandatory. FIG. 8 shows a noninventive example of an optical component which can be controlled with only two electrodes of an electrowetting device and which has a birefringent layer on the entrance window side and exit window side which adjoins a front or a rear refractive layer, between which in turn a central refractive layer is enclosed. As beam simulations show, the light beam can also be elliptically polarized with such a component with a small lateral offset Δχ, whereby a fringe pattern can be observed in the far field.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass das Sicherstellen eines parallelen Versatzes des Lichtstrahls im optischen Bauteil nicht die Möglichkeit ausschließt, den elliptisch polarisierten Lichtstrahl unmittelbar vor Verlassen des optischen Bauteils 10 durch das Austrittsfenster 18 absichtlich gegenüber der z- Richtung zu verkippen, um ihn beispielsweise bei Verwendung des optischen Bauteils 10 in einem holographischen Display oder einer anderen Art von Bildschirm in Richtung des Auges eines Betrachters umzulenken. In diesem Fall kann beispielsweise bei der Ausführungsform der Figur 5a die hintere Einfachbrechungs-Grenzfläche 38 durch entsprechende Wahl der Elektrodenspannungen anders gekippt werden als die vordere Einfachbrechungs- Grenzfläche 34. Ebenso könnten hinter der hinteren einfachbrechenden Schicht 20' weitere einfachbrechende Schichten mit einzeln verkippbaren Einfachbrechungs- Grenzflächen vorgesehen sein, mit deren Hilfe dem austretenden Lichtstrahl eine gewünschte Ausbreitungsrichtung verliehen wird. In addition, it should be pointed out that ensuring a parallel offset of the light beam in the optical component does not preclude the possibility of intentionally tilting the elliptically polarized light beam immediately before leaving the optical component 10 through the exit window 18 with respect to the z direction, for example when using it of the optical component 10 in a holographic display or other type of screen in the direction of the eye of a viewer to redirect. In this case, for example, in the embodiment of FIG. 5a, the rear single-junction interface 38 can be tilted differently than the front single-junction interface 34 by appropriate selection of the electrode voltages. Likewise, behind the rear single-refractive layer 20 'further single-plane refractive index layers could be formed. Boundaries are provided, with the aid of the emerging light beam is given a desired direction of propagation.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass auch der optische Analysator 28 seibst bei geeigneter Wahl seines Materials die Funktion einer einfachbrechenden Schicht 20, 20' hinter der planparallelen festen doppelbrechenden Schicht 18 gemäß Figur 5a übernehmen kann. So kann in einer in den Figuren nicht dargstellten Ausführungsform der Analysator 26 an der hinteren Doppelbrechungs- Grenzfläche 30 an die doppelbrechende feste Schicht 18 angrenzen, und hinter dem Analysator 26 können weitere flüssige einfachbrechende Schichten 20 in der Zelle vorgesehen sein, die mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung die Einstellung der Ausbreitungsrichtung des austretenden Lichtstrahls erlauben. Ais Analysator eignen sich beispielsweise gereckte Kunststofffolien, die eine polarisationsabhängige Absorption aufweisen, Derartige Folien haben beispielsweise eine Dicke von 50 μηι bis 250 μηι, Eine strukturierte Schicht aus elektrisch leitenden Streifen einer Periode kleiner 200 nm, d.h. Wire Grid Polarisatoren, sind hingegen als Schicht weniger als 300 nm dick. It should also be pointed out that the optical analyzer 28, with a suitable choice of its material, can take over the function of a simple refractive layer 20, 20 'behind the plane-parallel solid birefringent layer 18 according to FIG. 5a. Thus, in an embodiment not shown in the figures, the analyzer 26 can be located at the rear birefringence Boundary surface 30 adjacent to the birefringent solid layer 18, and behind the analyzer 26 may be provided further liquid single refractive layers 20 in the cell, which allow the adjustment of the propagation direction of the exiting light beam by means of the electrowetting device. Such films have, for example, a thickness of 50 μm to 250 μm. A structured layer of electrically conductive strips of a period smaller than 200 nm, ie wire grid polarizers, are less as a layer than 300 nm thick.
Bei den diskutierten Ausführungsformen mit fester doppelbrechender Schicht 18 können bekannte doppelbrechende Materialien wie z.B. Quarz ebenso wie auch doppelbrechende Kunststoffe eingesetzt werden, die kostengünstig zu fertigen sind. Das Maß der Doppelbrechung, insbesondere die Brechungsindexdifferenz Δη zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl, und die Lage der Hauptachse des Brechungsindexellipsoids können bei der Herstellung gezielt eingestellt werden. Als Polarisator 24 bzw. als Analysator 26 mit hoher Transmission sind Gläser mit eingebetteten metallischen Nanoellipsoiden bekannt und kommerziell erhältlich. Wird hierbei die Konzentration der metallischen Nanoellipsoide beispielsweise um eine Größenordnung gesenkt, so erhält man ein doppelbrechendes Material, bei dem die Brechungsindexdifferenz Δη zwischen ordentlichen und außerordentlichem Strahl sowie die Lage der Hauptachse des Brechungsindexellipsoids bei der Herstellung gezielt eingestellt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, große flache doppelbrechende Glassubstrafe zu erzeugen, die im Gegensatz zu Quarz nicht kristallin sind, und die im Gegensatz zu doppelbrechenden Kunststoffen auch Herstellungsprozesse bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise über 150°C, durchlaufen können. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend rein beispielhaft erläuterten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere versteht es sich, dass auch andere Anordnungen und Reihenfolgen von einfachbrechenden und doppeibrechenden Schichten in der Zelle 12 bzw. in gegebenenfalls mehreren hintereinander angeordneten Zellen 12 vorgesehen sein können. Wichtig ist stets die Möglichkeit, mit Hilfe der Elektrobenetzungseinrichtung den Einfallswinkel des Lichtstrahls auf wenigstens zwei parallele Doppeibrechungs-Grenzflächen 28, 30 variieren zu können. In the embodiments discussed with solid birefringent layer 18, known birefringent materials such as quartz as well as birefringent plastics can be used that are inexpensive to manufacture. The degree of birefringence, in particular the refractive index difference Δη between the ordinary and the extraordinary ray, and the position of the major axis of the refractive index ellipsoid can be adjusted in a targeted manner during production. Glasses with embedded metallic nano-ellipsoids are known as polarizer 24 and analyzer 26 with high transmission and are commercially available. If, in this case, the concentration of the metallic nano-ellipsoids is reduced by one order of magnitude, for example, a birefringent material is obtained in which the refractive-index difference Δη between ordinary and extraordinary ray and the position of the main axis of the refractive-index ellipsoid can be adjusted in a targeted manner during production. In this way it is possible to produce large flat birefringent glass paste which, unlike quartz, is non-crystalline, and which, unlike birefringent plastics, can also undergo manufacturing processes at very high temperatures, for example above 150 ° C. The present invention is not limited to the embodiments explained above purely by way of example. In particular, it is understood that It is also possible to provide other arrangements and sequences of single-refractive and birefringent layers in the cell 12 or, if appropriate, in a plurality of cells 12 arranged one behind the other. It is always important to be able to vary the angle of incidence of the light beam to at least two parallel double-interference interfaces 28, 30 with the aid of the electrowetting device.
Die Verwendung der Begriffe "optisch" und "Licht" ist dabei keinesfalls als Einschränkung dahingehend zu verstehen, dass nur elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich beeinflußt werden kann. Je nach Anwendungsgebiet läßt sich die vorliegende Erfindung auch auf elektromagnetische Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs, beispielsweise Infrarotstrahlung, THz-Strahiung, Röntgenstrahlung, oder grundsätzlich auch auf Teilchenstrahlung, wie z.B. Neutronen, anwenden. The use of the terms "optical" and "light" is by no means to be understood as a restriction in that only electromagnetic radiation in the visible range can be influenced. Depending on the field of application, the present invention can also be applied to electromagnetic radiation outside the visible range, for example infrared radiation, THz radiation, X-ray radiation, or in principle also to particle radiation, such as, for example, radiation. Neutrons, apply.

Claims

Ansprüche claims
1. Optisches Bauteil (10) zur Beeinflussung eines Lichtstrahls, umfassend: 1. An optical component (10) for influencing a light beam, comprising:
- eine Zelle (12) mit einem Eintrittsfenster (14) und einem a cell (12) having an entrance window (14) and a
Austrittsfenster (16) für den Lichtstrahl; Exit window (16) for the light beam;
eine Mehrzahl von in der Zelle (12) in Richtung vom Eintrittsfenster (14) zum Austrittsfenster (18) hintereinander angeordneten Schichten, wobei zwischen jeweils zwei aneinander angrenzenden Schichten eine Grenzfläche gebildet ist, wobei wenigstens eine der Schichten (18) doppeibrechend ist, und wobei wenigstens zwei aneinander angrenzende Schichten ein erstes bzw. ein zweites Fluid enthalten, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen; und  a plurality of layers arranged in the cell (12) in the direction from the entrance window (14) to the exit window (18), wherein an interface is formed between each two adjoining layers, wherein at least one of the layers (18) is birefringent, and wherein at least two contiguous layers contain first and second fluids, respectively, having different refractive indices; and
eine Elektrobenetzungseinrichtung (22a, b, c, d) zum Steuern der Orientierung der Grenzfläche zwischen den zwei aneinander angrenzenden Fluid- Schichten,  an electrowetting device (22a, b, c, d) for controlling the orientation of the interface between the two adjacent fluid layers,
dadurch gekennzeichnet, class  characterized, class
die Zelle (12) wenigstens drei Schichten aufweist, dass wenigstens zwei in Richtung vom Eintrittsfenster (14) zum Austrittsfenster (18) hintereinander folgende Doppelbrechungs-Grenzflächen zwischen einer doppelbrechenden (18) und einer einfachbrechenden (20, 20') Schicht im Wesentlichen zueinander parallel sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der zwei Doppelbrechungs-Grenzflächen oder einer Einfachbrechungs-Grenzfläche zu steuern, die zwischen den Doppelbrechungs- Grenzflächen und dem Eintrittsfenster (14) angeordnet ist.  the cell (12) has at least three layers, that at least two birefringence interfaces following one another in the direction from the entrance window (14) to the exit window (18) substantially parallel to each other between a birefringent (18) and a single refractive (20, 20 ') layer and that the electrowetting device (22a, b, c, d) is adapted to control the orientation of the two birefringence interfaces or a single refractive interface disposed between the birefringence interfaces and the entrance window (14).
2. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 1 , 2. Optical component (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
es ferner einen hinter dem Austrittsfenster (16) angeordneten optischen Analysator (26) zum Analysieren der Polarisation des Lichtstrahls umfaßt.  it further comprises an optical analyzer (26) disposed behind the exit window (16) for analyzing the polarization of the light beam.
3. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen vor dem Eintrittsfenster (14) angeordneten optischen Polarisator (24) zum Polarisieren des Lichtstrahls umfaßt. 3. Optical component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises an optical polarizer (24) disposed in front of the entrance window (14) for polarizing the light beam.
4. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Optical component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
das erste und das zweite Fluid jeweils Flüssigkeiten enthalten,  the first and second fluids each contain liquids,
5. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Optical component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
in der Zelle (12) eine planparallele und flüssige doppelbrechende Schicht (18) vorgesehen ist, dass die an die planparallele Schicht angrenzenden Schichten flüssig und einfachbrechend sind, und dass die Elektrobeneizungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen der planparallelen Schicht und den beiden angrenzenden Schichten zu steuern.  a plane-parallel and liquid birefringent layer (18) is provided in the cell (12) such that the layers adjacent to the plane-parallel layer are liquid and single-refractive, and in that the electro-leveling means (22a, b, c, d) are adapted to orient to control the interfaces between the plane-parallel layer and the two adjacent layers.
8. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 5, 8. Optical component (10) according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in der Zelle (12) eine weitere planparallele und flüssige doppelbrechende Schicht (18) vorgesehen ist, wobei die beiden planparallelen Schichten spiegelsymmetrisch hintereinander angeordnet sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung (22a, b. c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den beiden planparallelen Schichten und den jeweils angrenzenden Schichten derart zu steuern, dass die Spiegelsymmetrie im wesentlichen erhalten bleibt.  a further plane-parallel and liquid birefringent layer (18) is provided in the cell (12), wherein the two plane-parallel layers are arranged mirror-symmetrically one behind the other, and that the electrowetting device (22a, b, c, d) is adapted to the orientation of the interfaces to control between the two plane-parallel layers and the respective adjacent layers such that the mirror symmetry is substantially maintained.
7. Optisches Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Optical component (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that
in der Zelle (12) eine planparailele und flüssige einfachbrechende Schicht (20, 20') vorgesehen ist, dass die an die planparailele Schicht angrenzenden Schichten flüssig und doppelbrechend sind, und dass die Elektrobenetzungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen der planparallelen Schicht und den beiden angrenzenden Schichten zu steuern. in the cell (12) there is provided a plane parallele and liquid refractive layer (20, 20 ') such that the layers adjacent to the planar parallels layer are liquid and birefringent, and in that the electrowetting device (22a, b, c, d) is adapted thereto , the orientation of the To control interfaces between the plane-parallel layer and the two adjacent layers.
8. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 7, 8. An optical component (10) according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in der Zeiie (12) eine weitere planparallele und flüssige einfachbrechende Schicht (20) vorgesehen ist, wobei die beiden planparallelen Schichten spiegelsymmetrisch hintereinander angeordnet sind, und dass die E!ektrobenetzungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den beiden planparallelen Schichten und den jeweils angrenzenden Schichten derart zu steuern, dass die Spiegelsymmetrie im wesentlichen erhalten bleibt,  in the Zeiie (12) a further plane-parallel and liquid simple refractive layer (20) is provided, wherein the two plane-parallel layers are mirror-symmetrically arranged one behind the other, and that the E! ektrobenetzungseinrichtung (22a, b, c, d) is adapted to the orientation to control the interfaces between the two plane-parallel layers and the respective adjacent layers in such a way that the mirror symmetry is substantially preserved,
9. Optisches Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 9. Optical component (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that
in der Zelle (12) eine planparallele und feste doppelbrechende Schicht (18) vorgesehen ist, dass zwischen dem Eintrittsfenster (14) und der planparaüelen Schicht zwei flüssige einfachbrechende Schichten (20, 20') vorgesehen sind, und dass die Eiektrobenefzungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung einer Grenzfläche zwischen den zwei einfachbrechenden Schichten (20, 20') zu steuern,  in the cell (12) a plane-parallel and solid birefringent layer (18) is provided, that between the entrance window (14) and the plane-parallel layer, two liquid single-refractive layers (20, 20 ') are provided, and that the Eiektrobenefzungseinrichtung (22a, b , c, d) is designed to control the orientation of an interface between the two single refractive layers (20, 20 '),
10. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 9, 10. Optical component (10) according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in der Zelle (12) zwischen der planparallelen und festen doppelbrechende Schicht (18) und dem Austrittsfenster (18) wenigstens zwei weitere flüssige einfachbrechende Schichten (20, 20') vorgesehen sind, und dass die Eiektrobenefzungseinrichtung (22a, b, c, d) dazu ausgelegt ist, die Orientierung der Grenzflächen zwischen den wenigstens zwei weiteren einfachbrechenden Schichten (20, 20') zu steuern.  in the cell (12) between the plane-parallel and solid birefringent layer (18) and the exit window (18) at least two further liquid refractive layers (20, 20 ') are provided, and in that the electrical bonding device (22a, b, c, d) is designed to control the orientation of the interfaces between the at least two further single refractive layers (20, 20 ').
11. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 11. Optical component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
es wenigstens eine Blende (32) zum Beschneiden des Lichtstrahls am Eintrittsfenster (14) und/oder am Austrittsfenster (16) umfaßt.  it comprises at least one aperture (32) for trimming the light beam at the entrance window (14) and / or at the exit window (16).
12. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3, 12. An optical component (10) according to any one of the preceding claims in conjunction with claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der optische Polarisator (24) auf einer durch das Zentrum des Eintrittsfensfers (14) und das Zentrum des Austrittsfensters (16) definierten Hauptachse des Bauteils (10) angeordnet ist.  the optical polarizer (24) is arranged on a main axis of the component (10) defined by the center of the entrance fender (14) and the center of the exit window (16).
13. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, 13. Optical component (10) according to one of the preceding claims in conjunction with claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der optische Analysator (26) von einer durch das Zentrum des the optical analyzer (26) from one through the center of the
Eintrittsfensters (14) und das Zentrum des Austrittsfensters (16) definierten Hauptachse des Bauteils (10) versetzt angeordnet ist, Entry window (14) and the center of the exit window (16) is arranged staggered main axis of the component (10),
14. Optisches Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. Optical component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
eine Hauptachse der doppelbrechenden Schicht (18) in eine vorgebbare Richtung orientierbar ist, vorzugsweise parallel zu einer Doppelbrechungs- Grenzfläche (28, 30).  a major axis of the birefringent layer (18) is orientable in a predeterminable direction, preferably parallel to a birefringence interface (28, 30).
15. Optische Vorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von optischen15. An optical device comprising a plurality of optical
Bauteilen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Components (10) according to one of the preceding claims.
16. Anzeigevorrichtung, umfassend eine optische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die optischen Bauteile (10) im wesentlichen nebeneinander an einem Bildschirm angeordnet sind. 16. A display device comprising an optical device according to claim 15, wherein the optical components (10) are arranged substantially side by side on a screen.
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