Optimierung von Flüssigkristall-Lichtmodulatoren in aktiven optischen Systemen

Abstract

Die Dissertation behandelt den Einsatz von reflektiven Flüssigkristallmodulatoren, sogenanntenLiquid Crystal on Silicon Displays (LCoS), in aktiven optischen Systemen. Es werden zunächst die verschiedenen eingesetzten Modulatortypen beschrieben und deren Unterschiede bei der Anwendung aufgezeigt. Einen wichtigen Punkt der Arbeit stellt die Charakterisierung dieser Elemente dar. Es wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Methoden entwickelt mit Hilfe derer es möglich ist, modellfrei die komplette Jones-Matrix der Displays für die adressierbaren Grauwerte zu messen. Insbesondere die Phasenbeziehung zwischen zwei adressierten Grauwerten wird berücksichtigt. Die hierfür notwendigen Messaufbauten und Auswerteallgorithmen werden ausführlich beschrieben. Der Vorteil dieser neuen Art der Kalibrierung liegt darin, dass man für eine komplette polarisationsoptische Kalibrierung der Displays nicht mehr auf (meist nicht verfügbare) Herstellerdaten angewiesen ist. Die Ergebnisse der Kalibrierung werden dann eingesetzt, um gezielt die Modulationseigenschaften der Displays für ihren Einsatz als Phasenmodulatoren zu optimieren. Als Kriterien für eine Optimierung wurden der erreichbare Beugungswirkungsgrad, die Transmission des polarisationsoptischen Systems aus Display und den zusätzlichen notwendigen Komponenten, sowie die nicht quantitative Rekonstruktionsqualität gewählt. Für die Optimierung werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. In einem ersten Schritt wurden mit den Daten der Charakterisierung spezielle Display-Modulationskurven, sogenannte Display-Kennlinien, berechnet. Der Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität und den Beugungswirkungsgrad wurde in Simulationen und Experimenten untersucht und der Einfluss der Kennlinie wurde demonstriert. Die polarisationsoptische Charakterisierung bietet darüber hinaus weitere Möglichkeiten für eine Optimierung. Speziell bei verdrillt nematischen Displays kann durch eine Berücksichtung der Polarisationseffekte bei der Hologramm-Optimierung auf einen linearen Polarisator hinter dem Display verzichtet werden. Dadurch kann eine erhebliche Steigerung der Transmission des optischen Systems bestehend aus Polarisatoren und dem Display erreicht werden. Die hierfür notwendigen Algorithmen wurden im Rahmen dieser Dissertation erarbeitet und werden detailliert vorgestellt.

The subject of this dissertation is the application of reflective liquid crystal displays, which are also known as LCoS displays, in active optical systems. Initially, the different modulator types used are described and the resulting differences in their application are demonstrated. One of the main subjects of this thesis is the in-depth characterization of the modulators. Within this thesis new methods were developed, which allow a model-free measurement of the complete Jones matrices for all gray values. The phase relation between two gray values is included in particular. All experiments and algorithms necessary for this purpose are presented. The advantage of this new type of polarization optical calibration is the resulting access to the displays’ full Jones matrix without the need of manufacturer data. Then the results of the characterization are applied to optimize the phase shifting properties of the modulators. As optimization criteria the achievable diffraction efficiency, the transmission of the polarization optical system consisting of the display and additionally necessary components, as well as the not quantitative reconstruction quality were used. Different types of optimizations were performed. As a first step, special phase and amplitude modulation curves, so called characteristic curves, were determined. In simulations and experiments the influence of the characteristic curve on the diffraction efficiency and reconstruction quality was demonstrated. The presented characterization offers more possibilities for optimization. Considering the polarization effects within the hologram calculation process, the linear polarizer behind the display may be omitted, resulting in a significantly increased transmission of the optical system. The required algorithms were developed within this thesis and are shown in detail.