Raumlichtmodulatoren auf Basis von Flüssigkristallen

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1 Raumlichtmodulatoren auf Basis von Flüssigkristallen

2 Einleitung und Übersicht Teil 1: Grundlagen Flüssigkristall-Lichtmodulation Eigenschaften von Flüssigkristallen Einfluss von Flüssigkristallen auf Licht Phasen- und Intensitätsmodulator Verdrillte Flüssigkristalle Matrix-Zellenansteuerung Teil 2: Anwendungsbeispiele Kurzpulsformung Deep Tissue Imaging Weitere Beispiele 2

3 Flüssigkristalle Molekülstruktur Flüssigkristall: Substanz mit Eigenschaften sowohl einer Flüssigkeit als auch eines anisotropen Kristalls Molekularer Aufbau und Eigenschaften meist länglich (kalamatisch) Linkage Group: chemische Stabilität (Temperatur, Feuchtigkeit, UV) starke Absorption im UV- und Ferninfrarot-Bereich wenige Absorptionsbänder im sichtbaren und nahinfraroten Bereich Clearing Point: Tc C Bild 3.1: Molekülstruktur eines typischen Flüssigkristalls [Khoo95] 3 [Khoo95], [Lueder04]

4 Flüssigkristalle Arten und Phasen Thermotropischer LC: Zustand zwischen Tm und Tc Phase variiert mit T Lyotropischer LC: amphiphile Lösungsmittel z.b. in Wasser Phase variiert mit Konzentration und T Für Raumlichtmodulatoren wird nur verwendet: thermotropische nematische Phase Bild 4.1: Phasen von thermotropischen Flüssigkristallen [Lueder04] 4

5 Flüssigkristalle Phasenschieber, Polarisationsmodulator Polieren der Seitenwände für Fernorientierung Phasenverschiebung durch Anisotropie: Γ = 2π (ne no) d / λ0 Halbwellenretarder für Γ = π: Drehung der Polarisation um 90 Bild 5.1: Orientierung der Moleküle in einer Flüssigkristallzelle [Saleh08] Bild 5.2: Drehung der Polarisation bei einer bestimmten Dicke d (Γ = π) [Wiki1] 5

6 Flüssigkristalle Dynamischer Phasenschieber Transparente Elektroden an Innenseiten der Scheiben Ohne Feld E-Feld aus: Moleküle wieder parallel zu Scheiben Anisotropie in z-richtung Phasenverschiebung E-Feld an: Moleküle richten sich nach Feldlinien aus keine Anisotropie in z-richtung keine Phasenverschiebung Z Grund der Ausrichtung LC wirken als Dielektrikum zwischen den Elektroden Permettivität ε > ε (positv einachsig) LC sind Dipole Kräfte durch E-Feld Kristalle wollen freie elektrostatische Energie minimieren Da ε > ε wird minimale Energie bei Ausrichtung mit dem Feld erreicht Mit Feld Bild 6.1: Dynamische Steuerung der Flüssigkristalle [Heimo1] 6

7 Flüssigkristalle Feldabhängigkeit des Kristalldrehwinkels Neigungswinkel θ ist abhängig von angelegter Spannung V Neigung setzt ein bei V = Vk Bei V = V0 beträgt θ 50 Diagramm 7.1: Winkel in Abhängigkeit von der Spannung [Saleh08] 7

8 Flüssigkristalle Dynamischer Intensitätsmodulator Hinzufügen eines Polarisators: Lineare Polarisation des einfallenden Lichts Spannung aus: Polarisationsdrehung um 90 Polarisator lässt nichts zurück Spannung an: keine Polarisationsdrehung Polarisator lässt alles zurück Problem: geringer Kontrast und unerwünschte Farbwirkung Verdrillung Bild 8.1: Reflektive Flüssigkristallzelle zur Intensitätsmodulation [Saleh08] 8

9 Verdrillte Flüssigkristall-Zelle Phasenmodulation LC-Film zwischen zwei polierten Scheiben Orientierung der Politur um 90 gedreht Ausrichtung der Moleküle an Grenzschichten, kont. Drehung dazwischen Licht mit Polarisation parallel zur Kristallachse: Polarisation drehen Polarisation folgt der Lage der Kristallachsen 0 < z < d/2: z = d/2 d/2 < z < d z=d z=0 linear elliptisch zirkular elliptisch linear (gedreht) Für d = 3 λ / (2 Δn) Bild 9.1: Verdrillter Flüssigkristall [Saleh08] [Lueder04] Bild 9.2: Polierrichtungen für TN-Zellen [Saleh08] 9

10 Verdrillte Flüssigkristall-Zelle Intensitätsmodulation Bild 10.1: Flüssigkristallzelle zur Intensitätsmodulation [Saleh08] 10

11 Flüssigkristall-Zelle Schaltverhalten und Kontrast Schaltverhalten Zusätzlich Abhängig von λ Kontrast Weder perfekte Abschottung noch vollständige Transmission K = Lmax / Lmin = Durch Anisotropie: Bei Blickwinkeländerung vertikale und horizontale Kontrastvariation verschieden Bild 11.1: Schaltverhalten in Abhängigkeit der Wellenlänge [Gross05] Bild 11.2: Kontrast in Abhängigkeit des Blickwinkels [Gross05] 11

12 Flüssigkristall-Raumlichtmodulator Aktiv-Matrix-Ansteuerung Bilder : Aktiv-Matrix-Ansteuerung [Lueder04] 12

13 Verdrillte Flüssigkristall-Zelle Übliche Eigenschaften Antireflexbeschichtung Dicke d im Bereich einiger µm Δn = Ansteuerung Rechteckspannung mit einigen 10 Hz bis einige khz kleinere Freq.: Störung der Ausrichtung, Verringerung der Lebensdauer größere Freq.: höhere Leistungsaufnahme weil Leitfähigkeit zunimmt Schaltzeit hängt ab von Dicke Viskosität Temperatur Art der Spannung Unterschied zwischen V und Vk 13

14 Techniken zur Raumlichtmodulation Vergleich TN-LC FE-LC DMD EMA [Saleh08, Lueder04] [Saleh08, Gross05] [Gross05] Schaltgeschwindigkeit (T=300K) Einige ms Einige µs Einige µs Wenige ns Schaltspannung Einige V ± Einige 10 V Einige V Wenige V kontinuierliche Modulation + 2 Zustände 2 Zustände + Amplituden/Phasenmodulation +/+ +/+ +/- +/- Kontrast Bistabil - + TemperaturBelastbarkeit IntensitätsBelastbarkeit C 25 C Kühlung! hoch kritisch hoch hoch 14

15 Anwendung: Pulsformung Funktion Formung des zeitlichen Intensitäts- und Phasenverlaufs von fs-pulsen durch Modulation im Frequenzraum Filterung des Spektrums in Fourier-Ebene Null-Dispersions-Kompressor Maske kann räumlich getrennte Frequenzkomponenten modulieren Vorteil SLM: dynamische Modulation Bild 15.1: Null-Dispersions-Kompressor [Bartelt02] 15

16 Anwendung: Pulsformung Unabhängige P.-/A.-Modulation Unabhängige Modulation von Amplitude und Phase Amplitudenmodulator hinter Phasenmodulator Schnelle Achsen 90 verdreht Polarisationsdrehung entgegengesetzt 1. Zelle: Phasenverschiebung der einen Komponente, Drehung der Polarisation 2. Zelle: Ausgleich der Phasenverschiebungen zwischen den senkrechten Komponenten, Rückdrehung der Polarisation Drehung der Polarisation nur abhängig von Differenz der Phasenretardierugen Phasenverschiebung: Mittelwert der beiden Phasenretardierungen Bild 16.1: Phasen- und Amplitudenmodulator [Bartelt02] 16

17 Anwendung: Pulsformung Spektrum, Amplituden und Phasen Bild 17.1: [Bartelt02] 17

18 Anwendung: Deep-Tissue-Imaging Motivation und Vorgehen Ziel: Bildgebung innerhalb von stark streuendem Gewebe bis in mm-bereich Vorgehensweise: Fokussierter Ultraschall wird nur schwach gestreut Akustooptischer Effekt: virtuelle Quelle am Fokus des Ultraschalls mit f 0 + fu Digitale Phasenkonjugation des Frequenzverschobenen Lichts Phasenkonjugation: Zu monochromen Lichtstrahl entsteht am Phasenkonjugator ein zeitinverser Strahl Ausbreitung entgegengesetzt zum einfallenden Strahl Erhaltung der Amplitude, konjugation der Phase Passive Phasenkonjugationsspiegel: sehr geringe 'Reflektivität' Hohe Intensität kann genau an Ort der virtuellen Quelle gebracht werden Fluoreszens Analyse der Fluoreszens mit empfindlichem Photodetektor 18

19 Anwendung: Deep-Tissue-Imaging Aufbau Bild 19.1: [Wang12] 19

20 Anwendung: Deep-Tissue-Imaging Ergebnis Endliche Ausdehung des SLM: nur Teil des Lichtfeldes wird Phasenkonjugiert signifikandes Hintergrundrauschen bleibt (SNR 5,5) Verringerung durch Manipulation der Phasenmappe auf SLM Erreichte Auflösung: Tiefe bis 2,5mm, lateral 36µm x 52µm, axial 657µm Bild 20.1: b,e Fluoreszensaufnahme ohne Gewebe c,f mit Gewebe davor und dahinter d,e mit Gewebe davor und dahinter und DOPC [Wang12] 20

21 Weitere Anwendungen Beispiele Projektion / Anzeigen Datenspeicherung mit Holographie Optische Authenzifizierung Optische Bool'sche Logik... Bild 21.1: Optische Authentifizierung [He12] Bild 21.2: Aufnahme des Hologramms eines Datensatzes [Lindemann11] 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quellenangaben: [Khoo95]: [Lueder04]: [Saleh08]: [Gross05]: Iam-Choon Khoo, Liquid Crytals, WILEY (1995) Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, WILEY (2004) Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Grundlagen der Photonik, WILEY (2008) Herbert Gross, Handbook of Optical Systems (Volume 1), WILEY (2005) [Wang12]: Ying Min Wang, Benjamin Judkewitz, Charles A. DiMarzio, Changhuei Yang, Deep-tissue focal fluorescence imaging with digitally time-reversed ultrasound-encoded light, Nature Communications 3, Artikelnummer 928 (2012) Wenqi He, Xiang Peng, Xiangfeng Meng, Xiaoli Liu, Optical hierarchical authentication based on interference and hash function, Applied Optics Vol. 51, No. 32 (2012) [He12]: [Bartelt02]: [Lindemann11]: Andreas Bartelt, Steuerung der Wellenpaketdynamik in kleinen Alkaliclustern mit optimierten Femtosekundenpulsen (Dissertation), FU Berlin (2002) Markus Lindemann, Untersuchungen zur holographischen Datenspeicherung (Bachelorarbeit), RUB (2011) [Wiki1]: [Heimo1]: (Stand: ) (Stand )

23 Flüssigkristalle Ausrichtung am E-Feld Kristalle wollen freie elektrostatische Energie minimieren - 0,5 E D = -0,5 [ ε E12 + ε E22 + ε E32 ] (En: Komponenten in Hauptachsenrichtung) Da ε > ε : minimale Energie wird bei Ausrichtung der Moleküle mit dem Feld erreicht, also E1 = E2 = 0 E = (0,0,E), die Energie ist dann -0,5 ε E2 Molekülachsen zeigen in Richtung des E-Felds 23

24 Anwendung: Deep-Tissue-Imaging Bildverbesserung Rauschsubtraktion: man könnte Probe verschieben nur noch Rauschmessung Rauschenmessung von vorheriger abziehen Bild g Phasenbild auf dem SLM um 50px verschieben e,h aber unsymmetrisch Unterteilung der Phasenbilds in Unterregionen und verschieben der anderen um PI f,i 24