用于对比度补偿的接近半波延迟器的制作方法

专利名称：用于对比度补偿的接近半波延迟器的制作方法
用于对比度补偿的接近半波延迟器 相关申请的交叉引用[1]本申请要求于2007年6月29日提交的美国临时申请第60/947, 156号的优先权， 以引用的方式并入本文中。技术领域
本发明总的涉及用于液晶显示器的对比度补偿，以及尤其涉及用于高光通量投影系 统的液晶显示器的对比度补偿。发明背景
液晶显示器(LCDs)被广泛的用于大屏幕电视和监视器的投影显示器中。 一种特 别成功的基于LCD的投射系统是基于WGP的LCoS微显示系统，它使用线栅偏振器(WGPs )和硅上液晶(LCoS )面板。当与其他微显示技术如透射式液晶显示器(xLCD)、 数字光处理器(DLP)和直视LCD相比，这种微显示系统被证实可以展示高分辨率和高图 像对比度，它一般使用三块或更多块微显示面板(如用于红色、绿色和蓝色色带)以提 高屏幕亮度。此外，为了提高投影系统的开启对关闭状态序列图像对比度，略低值(moderately low magnitude )线性延迟器通常被置于每一个微显示面板前，以补偿在关 闭状态微显示面板的剩余双折射。本技术领域所公知的，这种剩余关闭状态双折射通常 导致关闭状态泄露，这显示为当显示暗视频内容时亮的暗状态非常明显，并且这显著的 降低了开启状态/关闭状态对比度比率。使用略低值线性延迟器补偿显示器面板的甚至更 低量值剩余关闭状态双折射，提供了已显示的对比度补偿，以显著提高对比度。
例如，图1示出了传统的3-面板的基于WGP的LCoS微显示投影系统。这种投影 系统包括例如是高压放电管的光源5和灯棍7。灯棍7使光源5产生的锥形光束均匀化， 以保证空间均匀的光分布。可选地，灯棍7是产生线偏振光的偏振转换光管(PCLP)。第 一透镜8a将光从灯棍7传递到第一折叠式反射镜(folding mirror) 9,该第一折叠式反 射镜9将光引导至第一二向色滤光器(dichroic filter) 10。该第一二向色滤光器10从其 余光中分离出兰光，并且引导蓝光经过第二透镜8b和第三透镜8c及第二折叠式反射镜 17和第三折叠式反射镜16至第一LCoS显示面板20a。被传输经过二向色滤光片10的 其余光被引导经过第四透镜8d和第五透镜8e及第四折叠式反射镜11至第二二向色滤光器12。第二二向色滤光器12将其余光分成绿光和红光，其前者被引导至第二 LCoS 显示面板20b,其后者被引导至第三LCoS显示面板20c。在到达每个LCoS显示面板 20a、 20b和20c之前，入射光首先分别通过WGP 15、 WGP 14和WGP 13及调整延迟 补偿器21a、 21b和21c。
每个WGP 15、 WGP 14、 WGP 13都是由多条平行的微丝(microwires )形成的偏 振器/检偏器，这些微丝传输偏振态的光，使其与平行微丝的方向正交，并反射偏振态的 光，使之平行于线的方向(例如，如果偏振器被设计为通过水平光或P偏振光，如图1 所示，微丝将垂直于图l的平面)。每个LCoS面板20a、 20b和20c逐个像素地改变线 性偏纟展入射光的偏^振并将调制光反射到相应的WGP 15、 WGP 14和WGP 13。因为WGP 15、 WGP14和WGP13被定向在相对光的传播主方向大约±45。处，所以除了作为偏振 器/检偏器，WGP 15、 WGP 14和WGP 13也作为分光器，用于通过沿与入射光路正交 的输出光路操纵或偏转从每一个LCoS面板反射的光，将入射光从出射光中分离出来。 更特别的是，每个WGP 15、 WGP 14和WGP 13将S偏振光(例如由处于"通电"状态 的像素旋转卯。的偏振光)反射到X-立方体19。 X-立方体19聚集(也就是会聚)来自 三个颜色信道中每一个信道的图像，并通过投射透镜18将最终图像投射到大屏幕上(未 显示)。作为选择,每个颜色信道进一步包括预偏振器(未显示)和/或消光检偏器(dean-up analyzer )(未显示)，例如这可包括一个或多个WGP和/或二向色片状偏振器。
如上面所讨论，略低值线性延迟器21a、 21b和21c是用来提高投影系统的对比度 性能等级的补偿元件，该对比度性能等级也受处于暗状态(如"关闭"状态)的LCoS面 板的剩余双折射所限制。例如，在没有略低值延迟器21a-c的情况中，由于LCoS面板 20a-c的剩余双折射，在关闭状态下照射每块微显示面板的P偏振的偏振光在反射时被 稍微的椭圆偏振化。当包括P偏振分量和S偏振分量的椭圓偏振光被传输到相应的WGP 15、 WGP 14、 WGP 13, S偏振分量被反射回X-立方体，这样允许暗状态光泄漏到大屏 幕上，进而限制了投射系统的对比度。[7] 通过提供补偿由LCoS面板20a-c的剩余双折射产生的延迟的面内延迟，略低值延 迟器21a-c的使用提高了对比度等级。特别地，每个略低值延迟器21a、 21b和21c引入 相位延迟，该相位延迟消除了由相应LCoS面板的内在双折射所导致的延迟。总的来说， 术语"面内延迟"是指是光学元件的物理厚度几倍的两个正交面内折射率之间的差别。因 为每一个略低值线性延迟器21a,21b和21c需要提供预定量的面内延迟，它们经常被设 置为A-板(即，具有定向平行于板面的非寻常光的光学延迟元件)。对于垂直排列的向列型(VAN)LcoS面板，在关闭状态内双折射引起的线性延迟在整个可见带是2到5nm。 因此略低值线性延迟器21a、 21b和21c典型需要展示大约10nm到20nm A板延迟。因 为略低值线性延迟器21a、 21b和21c被用于提供这种相对低值的延迟，它们经常被定 义为调整延迟器。
注意，这些调整延迟器被典型的定向使得它们的慢轴被设置在与LcoS面板20a-c 的慢轴正交排列的方位上(即，称作"交叉轴"设置)，而调整延迟器21a-c的快轴被设置 在与LCoS面板20a-c的快轴正交排列的方位上。这里使用的术语慢轴(SA )和快轴(FA ) 是指当在正入射测量线偏振延迟时的两个正交双折射轴。特别地，对于大角度入射的负 面外延迟分量，SA和FA方位随着离轴照射改变而改变，也会反转SA/FA的作用。
因为调整延迟器21a-c和LCoS面板20a-c的慢轴被设置在正交方位上，对于正入 射光来说从调整延迟器21a-c到LCoS面板20a-c,快/慢轴的作用互换。换句话说，具 有特定偏振态的光在调整延迟器21a-c和LCoS面板20a-c被交替地延迟较多然后较少， 或者反之亦然。实际效果是对入射光偏振有零相对延迟，因此不改变偏振态(也就是说 输出光没有椭圆偏振)。相应的WGP 15、 WGP 14、 WGP 13和/或可选的消偏器(clean-up polarizer )阻挡了输出光，以至于暗状态光泄漏不会出现在屏幕上。因为调整延迟器21a-c 没有明显改变面板通电状态的输出，随后所得的对比度(全开/全关)很好。 [10]然而理论上，每个调整延迟器21a-c应该提供匹配于在关闭状态的相应于LCoS面 板20a-c的线性延迟的线性延迟，在实践中，LCoS面板20a-c和调整延迟器21a-c的线 性延迟倾向于在每个部件内变化，因为器件厚度的制造公差和材料双折射控制以及操作 漂移(温度，机械应力等)。结果，更通常的是提供具有高于相应于LCoS的剩余关闭 状态延迟的线性延迟的调整延迟器，以确保充分的补偿。例如，具有5nm(在人=550 nm) 的线性延迟的调整延迟器可以补偿在法向入射(在1=550 nm)的2nm延迟的垂直对准向 列相。[11]如本领域的技术人员所知，线性延迟中的失配需要相对上面所述的名义上的交叉轴 设置偏移调整延迟器21a-c的光轴。换言之，调整延迟器通过从交叉轴设置旋转它的方 位定位，直到实验观察到对比度的提高。实践装配如图2所示。LCoS慢轴由在第二象 限的黑色箭头代表，具有相对+X-轴(右手XYZ坐标系统，RH-XYZ)的方位角62。面 板的慢轴典型被定向基本平行于S-和P-轴的平分线，如果VAN-LCoS面板被用作有效 的电控双折射器件，这很重要。调整延迟器的慢轴在相邻的象限被对准(aligned)。在非 同步的位置，慢轴63平分S和P极化轴(即，慢轴在± 45°和± 135。，当P极化平行于0。/180。并且S-偏振平行于士卯。)。同步后，慢轴显示被旋转大约土22。(例如，绕z-轴旋 转，^=22。)。[12]各种技术已经被用于制造调整延迟器。例如， 一些用于形成调整延迟器的材料的一 些例子包括单轴可延伸聚合物薄膜，诸如聚乙烯醇(PVA)或聚碳酸酯(PC)薄膜，液 晶聚合物(LCP)材料的单轴排列(uniaxially aligned )薄膜，诸如醋酸纤維素的非倾斜 双轴有机箔(organic foils ),分子双折射无机物晶体和无^^几薄膜。[13]在很多现有技术中，调整延迟器被作为真零级调整延迟器制造。例如，调整延迟器 经常由具有延伸性的聚合物薄膜制造以提供相对低大小的延迟。然而，对于具有相对高 双折射材料，诸如一些非有机晶体和/或LCP材料，形成真零级延迟器是有挑战性的。 例如，为了制造在可见光范围内具有大约10nm延迟的零级调整延迟器，石英波片(被 设置为A板，并在550nm具有0.009的双折射)会需要大约1.1微米的厚度。甚至设置 为零级石英波片的类似适应片需要10-20微米的厚度。在实践中，很难抛光双折射晶片 使物理厚度小于大约IOO微米(例如，它们对于容易的制造和处理来说太小)。 [14]用高双折射的材料制造略低值延迟调整延迟器的一个方法是使用双层结构。例如， 在一个实施例中，具有不同大小线性延迟的双折射晶体片在交叉轴设置中被定向以形成 假零级延迟器。实际上，商业上经常通过层压两个其慢轴被基本相互垂直定向的两个石 英片来制造四分之一波片，其中，两个片厚度的不同提供了零级四分之一波延迟。在另 一个实施例中，具有相同延迟的两个双折射晶体片(例如，两个半波片)，在非90度相 对方位角偏移被定位，已形成伪零级延迟器。不幸的是，这两个实施例需要增加数量的 部件，因此与增加制造成本有关。此外，也增加了需要相对对准的成本。 [15]提供略低延迟的另一个方法是使用多极调整延迟器。例如十级四分之一波长延迟器 (例如，5.25波长)性能应该类似零级四分之一波长延迟器(例如，0.25波长)。虽然 计算已经显示多极延迟器的同步特性类似于它们的零级延迟器，因为它们的高色散它们 通常对于调整延迟器应用不理想。例如，最为0.25波长石英延迟器和5.25波长石英延 迟器的波长的函数，考虑理论线性延迟(垂直入射)，如图3所示。甚至假设石英延迟 器被用在绿-带(例如，代替整个可见带)，模拟的结果清楚地说明多极四分之一波片的 净延迟不允许在设计波长之外优化对比度补偿。实际上，甚至第一级四分之一波片(即 0.75)预期有相对大的延迟色散(未示出)。注意，大的延迟色散意味着不是所有给定带 内的波长通道可以被慢轴相对LCoS慢轴和系统S-和P-平面对准的普通延迟器充分补 偿。[16]在Schmidt等人的美国专利第5, 576， 854中，对比度补偿由大约四分之一波长延 迟器(例如，0.27波长)提供。更特别的，四分之一波长延迟(例如，0.25)被用于补 偿MacNeille偏振分束器(PBS )的斜射光线去极化，而附加的上述延迟四分之一波片 (例如，0.02波长)被用于补偿LCD面板中的双折射。不幸的，因为对于基于WGP 偏振分束器件的补偿器需要能从那些基于MacNeille PBS明显区分，这种方法不能提供 在基于WGP的LCoS微显示投影系统的对比度补偿的成功的解决方案。实际上，在美 国专利第6，卯9, 473中，确定了性能结果说明使用大约一个四分之一波片补偿器可以 甚至降低基于WGP的LCoS微显示系统得对比度。[17]在WO 01/79921 A2中，Candee等人也提出了使用四分之一波片提供MacNeille PBS棱镜的斜射光线补偿。Candee等人提出了用于在反射面板中补偿剩余关闭状态双 折射的两个不同实施例。在第一个实施例中，上述四分之一波片稍微未对准。在第二个 实施例中，附加的四分之一波片和附加的半波片未对准。更特别的，第二四分之一波片 或二分之一波片的定向从成像仪面板的主坐标系面(也是光学系统S-和P-平面)稍微旋 转。注意，这种方法也不预期提供在基于WGP的LcoS微显示系统中成功的对比度补 偿解决方案。例如，如上面所讨论，四分之一波片的使用与基于WGP的LcoS微显示 系统的性能差有关。而半波片的使用预期引起面板开启状态亮度的降低，使得结果序列 对比度(全开/全关)被负面影响并且系统通量降低。此外，将第二半波片对准从S-或 P-轴的大约第二四分之一波片的角度偏移的一般不起作用。 [18]为基于WGP的LCoS微显示系统提供改进的调整延迟器是有利的。发明内容[19]本发明涉及液晶显示器(LCD)投影系统中的对比度补偿，其中，LCD展示了在 关闭状态低值剩余面内延迟。对比度补偿由接近零级半波延迟器提供。有利的，在基于 WGP的LCoS投影系统中，该接近半波延迟器传递最优黑暗状态交叉偏振输出，而没 有极大削弱降低开启状态。进一步，接近半波延迟器可以使用具有易处理的厚度公差的 单层双折射晶体方便地制造出来。此外，该接近半波延迟器展示了相对于现有技术低值 调整延迟器的角敏感度。[20]根据本发明的一个方面，提供了液晶显示投影系统，其包括反射液晶显示面板， 其具有在预定波长的剩余关闭状态双折射；以及调整延迟器，其用于补偿反射液晶显示 面板的剩余关闭状态双折射，并且用于提高液晶显示投影系统的开启状态/关闭状态对比度，其中，调整延迟器包括单层延迟器元件，其具有面内延迟用于补偿该剩余关闭状态 双折射的面内分量，该面内延迟以预定的量偏离预定波长的半波，该预定的量小于该预 定波长的0.15波。[21]根据本发明的一个方面，提供了改进液晶显示投影系统中对比度的方法，该方法包 括提供调整延迟器以#卜偿液晶显示投影系统中反射液晶显示面板的剩余关闭状态双折 射，该调整延迟器包括单层延迟器元件，其具有面内延迟用于补偿该剩余关闭状态双 折射的面内分量，该面内延迟以预定的量偏离预定波长的半波，该预定的量小于该预定 波长的0.15波。[22]根据本发明的另一方面，提供了一种改进液晶显示投影系统中对比度的方法，该方 法包括确定液晶显示投影系统中的反射液晶显示面板的剩余关闭状态延迟；确定第一 面内延迟以4卜偿剩余关闭状态双折射，并且提高液晶显示投影系统的开启状态/关闭状态 对比度；以及定位液晶显示投影系统中的调整延迟器，该调整延迟器包括具有第二面内 延迟的单层延迟器元件，第二面内延迟基本等于半波加第一面内延迟和半波减第一面内 延迟中的一个，第一和第二面内延迟被确定为电磁光谱可见范围内的同 一 波长。


[23]结合附图，本发明进一步的特征和优点根据下面的详细描述变得清楚，其中[24]图1是现有技术3-面板基于WGP的LCoS投影光引擎的原理图；[25]图2示出了 LCoS面板和调整延迟器慢轴的相对方位定向的示意图；[26]图3点图示出了现有技术四分之一波延迟器和它的多级延迟器的作为波长的函数拟合的线性延迟和延迟器轴；[27]图4为提高LCoS面板的对比度的一般延迟器解空间的示意图；[28]图5示出了在人=550鹏测量的从归一化的反射率推出的面板面内延迟；[29]图6示出了用于在550nm在开启状态(左图)和关闭状态(右图)中的延迟器补偿VAN模式LCoS的归一化反射率频谱；[30]图7示出了在550nm补偿VAN模式LCoS面板的开启状态透射(顶部图示)，关闭状态(中间图示)，以及结果对比度(下部图示)的方位角灵敏度性；[31]图8是各种延迟器在550nm计算的面板对比度对补偿器慢轴方位定向的点图；[32]图9是在绿色通道中各种延迟器计算的线性延迟对波长的点图；[33]图10是用理想的同步延迟器计算的延迟器/面板点图；[34]图11示出了不同延迟器层厚度的拟合对比度；[35]图12示出了用于从最优对比度点确定的0.1度失谐的拟合对比度光谱；[36]图13a是根据本发明的一个实施例用于补偿基于WGP的LCoS微显示系统中的对比度的调整延迟器；以及[37]图13b是图13a的透视图；[38]应注意整个附图相同的特征由相同的参考标号标识。
具体实施方式
[39]为了提供一种用于基于线栅偏振片WGP的LCOS微显示系统的改进的调整延迟 器，有必要考虑调整延迟器的一些最佳特征。理想地，在光关闭状态，调整延迟器应该 能够(a)产生极低的交叉偏振泄漏；(b)在补偿面板对无补偿面板的光开启状态，产 生几乎无变化的交叉偏振输出；(c)对于初始排列(initial alignment)及长期排列漂移 (drift),显示良好的机械同步敏感性(clocking sensitivity )(即,在需要同步时)；(d)基 于给定的红绿蓝波段或整个可视波段，提供开启状态强度对关闭状态强度的较高的对比 度；(e)显示良好的延迟量及均匀定位。[40]而且，除了提供面内延迟，调整延迟器可以利于提供面外延迟。当用A板(即， 一种具有特定轴平行于该板面定位的光学延迟元件)典型地提供面内延迟时，用C板(即， 一种具有特定轴垂直该板面定位的光学延迟元件)典型地提供面外延迟。对于正 入射光线(即正入射光没有被双折射所影响)，当C板不能提供任何净延迟时，偏轴光 线(即，与该特定轴成一定角度)经历与入射角成比例的净延迟。因此，为了增加LCoS 面板的观察范围，典型地设置面外延迟。如果该延迟增加了入射角，C板被认为是正的， 如果该延迟降低了入射角，则C板为负的(例如，如果rvno为负)。由于垂直排列向列 型(VAN)模式的LCoS面板典型地作为+C板，对于该相应的调整延迟器，既包括用 于补偿剩余关闭状态的面内延迟的A板部件又包括用于补偿负的面外延迟(即-C板延 迟器)的-C板部件，这是公共的。因此产生的全功能调整延迟器方便地称为AAC板调 整延迟器。[41]如上所述，有一些材料可以用于A板延迟，该延迟适合于基于WGP的LCoS微显 示系统的对比度补偿，其可以很大程度满足上述的要求。例如，在可视波段内可以提供 10至30nm延迟的调整延迟器，其可以通过各种沉积方法制造。显示的这些薄层结构可 以在宽带上提供高的对比度结果，同时保持良好的方位角同步不敏感。另一种显示很可能用于制造调整延迟器的材料是分子双折射无机晶体。由于暴露在高光通量的环境中 时，高的持久性和/或稳定的双折射，这种无机双折射晶体有利于在高光通量投影器应用， 例如用于数字电影投影。不幸地，由于现有的研磨及抛光技术不适宜提供低于适中的零 级延迟的双折射晶体，除非用于双层结构中，它们作为调整延迟器的使用还没有建立。 [42]根据本发明的一种实施例， 一种调整延迟器用于基于WGP的LCoS微显示系统的 对比度补偿，该调整延迟器由设置为基本为半波片(HWP)的相对高的双折射材料(例 如，双折射无机晶体或LCP层)'制成。由于该调整延迟器设计成在电磁波谱的可视区 域内可以提供基本半波的延迟，因此该调整延迟器更容易制造和/或处理。另外，由于该 调整延迟器可以提供基本零级半波的延迟(即，不是多级延迟器)，在与红绿和/或蓝波 段交叉时，它不会产生严重的色散(dispersion )(即，在可视区域不会伴随大量的色散)。 [43]为了更好的理解基本为半波的延迟器作为调整延迟器的使用，考虑如图4所示的一 般的延迟器的解空间。参考该图，很明显，如果制成真正的零级延迟器50 (例如，称为 双折射对比增强器(BCE0 ))、 一级延迟器51 (例如，称为BCE1 )或二级延迟器52 (例 如，称为BCE2),光学延迟器将提供相当于大约为0.055波延迟。如果入射光线的波长 为入，值等于550nm (例如为一个值，其非常适合补偿用于绿波段VAN模式的LCoS面板 的典型的2nm断开状态延迟)，则0.055波的延迟相当于大约30nm的延迟器。图4同时 显示，零级四分之一波片的解53 (例如，称为QWPO)和一级四分之一波片解54 (例 如，称为QWP1)。如上所述，再参看下述，四分之一波片(QWP )解对于在基于WGP 的LCoS微显示系统中的使用是不理想的。另外，图4显示的解用于两个接近半波片延 迟器55、 56。出于说明的目的，处于零级延迟空间55内的接近HWP解被称为HWP-减(HWPm)，因此处于一级延迟空间56内的解称为HWP-加(HWPp )。此处，两个接 近HWP解55、 56与HWP延迟相差大约0.055波的延迟(例如，对应于大约0.45或0.55 波的板)。[44]为了评价接近半波的调整延迟器的关闭状态和开启状态的性能，使用电光曲线。 VAN模式的LCoS面板由一定范围的电压驱动(即，开启状态LCoS电压高于5V,关 闭状态电压是1.2V)，归一化反射率(normalized reflectance)转变为有效的LCoS的面 内延迟。这种测量可以用具有f/2.4光锥的绿波(如，510至570nm )进行。作为近似值， 有效的面内延迟在人二550nm正常入射时使用如下公式推断2And;r)sin(2。其中，And为VAN-LCoS面板在给定电压下的单向延迟，X为照明波长，如为慢轴相对 于P偏振(如，小p-45度)的方向。推断的面板面内延迟如图5中所示。 [45]参考图6,显示的补偿/无补偿的VAN模式的LCoS面板在X=550nnm时的透射用 于开启状态(如左侧图示)和关闭状态(如右侧图示)。补偿的结果使用提供30nm延迟 的BCE (如BCE0 )、提供137.5nm延迟的四分之一波片(如QWP0 )、提供245nm延迟 的接近半波片(如HWP-减)及提供305nm延迟的接近半波片(如HWP-加)计算。穿 过一组理想的交叉偏振片的无补偿面板反射率(双向透射)通过点形成的实曲线显示。 大约为0.135%处，该归一化的关闭状态反射率给出了用于无补偿面板的估计的对比度 740: 1。伴随小量的延迟器补偿面板BCE，在所需电压(如1.2V)处的黑暗状态的泄 漏理论上为0。事实上，锥体效应及非理想交叉轴偏振片使BCE补偿VAN模式面板降 低到该系统基线对比度。明显地，显示的QWP、 HWP-减和HWP-加延迟器和BCE延迟 器补偿面板关闭状态。黑暗状态反射率曲线内的"凹口"(如，在1.2V左右)对应于每 个延迟器补偿器的工作点。[46]无补偿面板开启状态的反射率在大概为5.2V电压时达到最大值。随着BCE或QWP 补偿面板系统，达到最大反射率所需电压稍微增加(如，5.35V )。这可以通过典型面板 操作内的Gamma校正系统优化。HWP-减或HWP-加延迟器补偿器的使用导致开启状态 最大反射率稍微降低。如果偏离HWP环境30nm,吞吐量减少大概在4.5% (如，达到 大概95.5%的归一化反射率)。开启状态延迟器/面板的双折射导致亮度损失，该损失不 包括由于附加的光学部件产生的吸收及反射损失。[47]由于调整延迟器慢轴对系统'S'和'P，轴的机械同步(mechanical clocking )典型的用 于商业的LCD光引擎装置，该调整延迟器的一个重要特征是调谐范围(如，理想的调 整延迟器应有相当宽的调谐范围，或换句话，应该显示良好的机械同步不敏感性)。图7 显示开启状态透射(上部图示)、关闭状态透射(中部图示)的方位角敏感性，以及补 偿VAN模式面板在X=550nnm的合成对比度(下部图示)。更特别地，图7显示了计算 对比度作为同步角偏离最佳定时调整延迟器慢轴位置的函数(即，在135度定位的慢轴 的2nmVAN面板延迟，对于BCEO和HWP-减大概为3度，对于QWPO为1度，对于 HWP-加为-3度)。[48]参考顶部图示，BCE和QWP补偿面板对开启状态超过士3度的延迟器慢轴同步显 示一种相对平坦且对称的响应。参考中间图示，关闭状态，QWP补偿面板的反射随角 度调谐(angular tuning )变化很大。合成的对比调谐曲线显示，BCE补偿面板提供了大概1,7度FWHM(即，等宽半峰值或50%对比带宽)，但是，QWP补偿面板仅传递1/3 左右的对比带宽(如，大概0.57度)。换句话说，QWP补偿光引擎系统计算出的延迟器 元件对BCE补偿LCD系统的角度漂移敏感性为3X。这是很严重的缺陷。如果事实， 可以认为现有技术不能用大约四分之一 波延迟器提供品质对比度补偿的其中 一 个原因 在于该四分之一 波片的低的机械角度调谐公差。换句话说，四分之一 波片或接近四分之 一波片同步性相当敏感。[49]与BCE及QWP相对较，对光开启状态的角度调谐响应中，HWP-减和HWP-加延 迟器补偿器被计算出是稍微不对称的。另一方面，对于HWP-减和HWP-加延迟器补偿 器，关闭状态面板反射基本等于BCE/面板反射。事实上，用于两个大幅度延迟器相关 的对比度带宽显示基本和BCE-补偿LCD系统相同(如，在大概为1.65度FWHM)。换 句话说，这些大幅度延迟器显示出与小幅度BCE调谐敏感性基本相同。由于这些大幅 度延迟器开启状态光吞吐量与相应的BCE或QWP延迟器补偿LCD系统相比仅是很少 量的，这显示将HWP-减或HWP-加延迟器作为LCD面板补偿器而不是QWP延迟器是 非常有利的，其中该延迟器/面板的相对的角同步通过例如光学组件的热漂移而失谐 (detuned )。[50]可以注意到，由于补偿器延迟超过了 QWP幅度且接近HWP幅度，该补偿器最佳 的延迟器轴(快和慢)开始明显偏离S-和P-轴。这与在WO01/79921 A2教导的相反， 该文献中，HWP轴比QWP延迟器轴更靠近S-和P-轴。在此所述的反射LCoS投影系 统中，该QWP延迟器补偿器是双向的，基于反射产生半波净延迟。因此，该QWP延 迟器必须根据偏离P-或S-轴的小角度调整。基于作为对小量面板剩余延迟的#卜偿的有效 延迟的双向透射，这产生半波延迟的小段(small fraction )。当该延迟器补偿器比单向 QWP有略高的幅度时，双向延迟大于半波。为了产生对面板补偿的同样有效的延迟， 该延迟器补偿器远离P-或S-轴的偏离角必须增加，该偏离角的延迟高于QWP但低于单 向HWP。[51]图8显示了在550nm处计算面板对比度对调整延迟器慢轴方位角方向的图示(如， 参考公共的X-轴，逆时针(CCW)方向为正方位角)，此时VAN模式LCoS面板的慢 轴定位在135度。更特别地，图8显示参照公共X-轴的对比度调谐对延迟器补偿器慢 轴。小幅度补偿器BCE，其在550nm处有30nm的延迟，在大约3度(即同步角为-42 度)处有最佳的轴对准。该HWP-减补偿器(HWP-30nm)显示与小幅度补偿器BCE基 本相同的最佳轴对准。QWP补偿器的慢/快轴调整为最靠近第一偏振轴(如，P-偏振)，提高了强烈的同步敏感性。HPW-减在与LCoS慢轴相同的(或对角相对)象限内调整 其最佳轴，自然跟随一级波片效果。同样需要注意，另一最佳慢轴的方位(如，局部对 比最大值或最小值)，其定位角关于如图8所示的士45度轴镜像。在这些其它的情况下， 最佳对比度最大值点处于第二偏振轴(S-偏振或是Y-轴)的相邻处。 [52]图9中显示绿色通道内的四种补偿器(如，BCE, QWP， HWP-减，HWP-加)计 算的线性延迟。处于一级延迟区域的HWP-加延迟器具有延迟频谱(显示包围在零级的 相位延迟)，其与三个零级延迟器相比有较陡的倾斜。另一方面，三个零级延迟器线性 延迟频谱显示，绿波段内穿过100nm的补偿效果在最高对比度的1.5%之内。事实上， 通过BCE或QWP补偿的面板具有基本平坦的对比度频谱。明显地，HWP-减和HWP-加延迟器在绿波段边界(如，离设计波长士50nm)传递大约低于1.5%对比度。 [53]图IO显示最佳定时延迟器补偿VAN模式LCoS面板的计算对比度。注意，使用一 级BCE (如BCE1 )和二级BCE(如，BCE2)补偿的面板对比频谱也在同一图中显示。接 近全波片的大补偿器延迟以及此时面板延迟的色散导致在波段边界大概7%的对比度衰 减，但和用于BCE1和BCE2的色散不一样大。事实上，显示出，与小幅度的BCE延 迟器相比，该大幅度延迟器(如，HWP-减和/或HWP-加)不会导致大量的对比度衰减 与典型的可^L波长交叉。[54]明显地，当大幅度的延迟器补偿器(如，HWP-减和/或HWP-加)相对于BCEO和 QWPO补偿器(如，参见图8)，在某种程度上提供减小的对比度补偿，它们不像QWPO 补偿器(如，参见图7)对同步角敏感。当小幅度延迟器BCEO提供高对比度补偿和良 好的同步敏感性时，如上所述，它典型限制于由低双折射材料制造或通过沉积和/或拉伸 技术制造。[55]有利的是，大幅度延迟器(如，HWP-减和/或HWP-加)可以通过使用高双折射的 材料随意制造成零级延迟器。因此，基本半波延期器可以由无机双折射晶体制造，例如 石英，众所周知在高的光通量环境下石英是持久且稳定的。另外，现有的研磨及抛光技 术在合理厚度公差内可以用于制造基本半波晶体板，如零级延迟器。 [56]明显地，零级基本半波石英延迟器的厚度公差远远高于由单层石英结构制成的小幅 度延迟器BCEO。例如，假设石英层的厚度公差在±3% (包括士3cj范围)，对于小幅度 BCEO石英延迟器，必要的厚度变化在土O.l)am内。另一方面，r=245nm的HWP-减和 r=305nm的HWP-加单层大幅度石英延迟器将具有大概士0.8^im及士l^im厚度公差(假设 ±3%厚度公差和标定值相同)。因此，可以预料，该单层大延迟器公差大约在8X至10X之间，优于小量零级BCE延迟器。[57]图11显示用于各种延迟器的3%厚度公差。对于每个图，在绿色波段内三种不同波 长(如，500nm, 550nm, 600nm )拟合对比度正常分布500的厚度值(±3%)。由于r-30nm 的BCE延迟器具有平坦的对比度响应对波长(如，参见图10)，它的随机产生的厚度值 1500导致对比度值接近公称10000: 1 (如，最大系统对比度)。QWP延迟器具有±3% 厚度变化，传递接近最佳的对比度，但对应于波长定位有三种不同的波段。HWP-减和 HWP-加具有士3。/。厚度公差，拟合它们的使用提供最佳对比度的至少95%。比较而言， 另两个大延迟器， 一级及二级BCE,在同样的士3。/。厚度公差条件下，产生达15%对比度 衰减。明显地，HWP-减和HWP-加延迟器的土3。/。厚度公差提供可接受的对比度变化，同 时也提供了大约在士0.8pm至士lpm的绝对的物理厚度公差，这是易于通过微制造技术处 理的。[58]更有利的，大幅度的HWP-减和HWP-加延迟器提供良好的调谐角敏感性。特别是， 角度调谐特性可以与BCEO相比较。例如，考虑图12中所示的补偿VAN模式LCoS面 板的模型对比度频谱，此时该延迟器/面板慢轴通过偏离最佳对比度点仅0.1度(即该延 迟器慢轴固定在0.1度)未失谐(de-detuned )。在这些计算中，VAN模式LCoS面板在 550nm处显示关闭状态2nm延迟。可以看出，用该BCE、 HWP-减和HWP-加延迟器补 偿的显示面板在同步条件下产生了偏离最佳对比度点大概1%至2%的对比度衰减。另一 方面，QWP延迟器补偿的显示面板的对比度下降超过绿波段大概9。/。至10%。当该延迟 器/面板慢轴未失谐0.2度时，BCE、 HWP-减和HWP-加延迟产生大约5%对比度衰减， 因此该QWP延迟器产生大概30%的下降。[59]很显然，当小量延迟器例如BCEO对于根据对比度及方位角敏感性补偿LCoS剩余 关闭状态面板延迟时，该接近半波延迟器(如HWP-减和/或HWP-加)在对比度、方位 角敏感性及适当的材料/制造技术之间提供合理的折衷方式。尤其，在该接近半波延迟器 基本维持BCE对比度调谐不敏感，并且在可接受的开启状态吞吐量少量损失时，容许 大的厚度公差。对于高通量面板系统，其中固体双折射晶体的研磨及剖光被用于制造该 延迟器补偿器，该接近HWP延迟器是最经济的，并且传递类似于BCEO的必要的高对 比度性能。另外，通过使用单个延迟器层，整个系统的对比度不会被圆形延迟所削弱， 这典型地可以在多层角偏移延迟器补偿器中找到。[60]明显地，在这些计算中，用于单晶体石英材料色散的拟合作为该调整延迟器的参数 ,"。)模型，典型的LC为LCD面板的模型。当然，实际的调整延迟器可通过多种包括各种色散性能的技术实现。[61]参考图13a，显示了根据本发明的一个实施例的用于补偿VAN模式LCoS面板的调 整延迟器。该调整延迟器140可选择放置在WGP150和VAN模式LCoS面板130之间， 这样设置以便该WGP150通过水平或P-偏振光120，同时便于该调整延迟器140和VAN 模式LCoS面板130基本面平行。[62]参考图13b， VAN模式LCoS面板130的慢轴以基本与该系统的S-和P-轴交叉而 定位。如果该VAN模式LCoS面板用作一种有效电控制双折射(ECB )装置，如果VAN 模式LCoS面板在开启状态作为一种单向四分之一波片运行，那么VAN模式LCoS面板 的慢轴相对S-和P-轴士45度定位是很重要的。在本实施例中，VAN模式LCoS面板的慢 轴放置在第一方位角(j)p的第二象限，这里，大概在左手XYZ坐标系内偏离X轴135度 处。在另一个实施例中，VAN模式LCoS面板的慢轴位于其中一个其它象限内，这样， 它基本与S-和P-系统轴交叉。[63]重新参考图13b,显示了调整延迟器140的慢轴位于对于X轴的第二方位角(即())tr) 的第一象限内。更特别的，该调整延迟器的慢轴方位角以角度(k定位，该角度实验性的确定提供最大对比度(如最佳定时角)。由于该调整延迟器的慢轴方位角+tr显示处于接 近P-偏振轴的第一象限内，这是显然的，该调整延迟器为基本半波片，其中，线性延迟以预定的量偏移至低于半波(如，HWP-减)。可替代的，线性延迟以预定的量偏移至低于半波(如，HWP-减)的基本半波片，其慢轴方位角小tr可以在靠近S-偏振轴的第 一或第三象限内。另一方面，如果该调整延迟器为基本半波片，其中，线性延迟以预定的量偏移至高于半波(如HWP-加)，之后，最佳调整延迟器慢轴的方位角())tr典型地处于靠近P-偏振轴的第四象限。可替代的，线性延迟以预定的量偏移至高于半波(如，HWP-加)的基本半波片，其慢轴方位角(()tr可以在靠近S-偏振轴的第二或第四象限。[64]该调整延迟器140包括第一调整延迟器元件142，其基本为半波延迟。对真实的零 级半波片和该一级延迟元件142之间的延迟差选择，以便提供适宜LCoS面板130的对 比度补偿的延迟幅度。通常，该延迟差大约在感兴趣波长的0.005波和0.15波之间，如 果该调整延迟器用于在550nm ，对应的线性延迟在2nm和82nm之间。更典型地，该调 整延迟器被要求提供10和40nm之间面内线性延迟(即，在550nm,对应于大概0.02 波和0.07波的延迟)。例如，在一个实施例中，延迟差大约为0.055波，其中在550nm 对应于大概30nm延迟。这个延迟值非常适宜于提供VAN模式LCoS面板的对比度补偿， 该面板显示在一种关闭状态X=550nm面板延迟大约在2nm。注意，当偏离HWP的延迟差大约在0.055波时，该第一延迟元件142会有0.455或0.555波的延迟。 [65]该第一延迟器元件142通过使用相对高的双折射材料，如分子双折射无机晶体或 LCP,典型地形成为单层延迟器元件，其可以作为A板。例如，在一个实施例中，该第一 延迟器元件142制造成接近半波石英延迟器。在这个实施例中，该石英层将自支撑或是 由透明基片支撑。在每种情况下，该石英层都将设置为A板，以便它的光轴(即，也为 该单轴材料的慢轴)处于该石英层的平面内。[66]该调整延迟器140同样包括第二延迟器元件144,便于提高LCoS面板130的观察 范围。因此，该第二延迟器元件M4典型地用作C板。例如，在该实施例中，该第二延 迟器元件144显示包括两个形成双折射抗反射(FBAR)叠片144,其中每个都可用作-C 板且连接到第一延迟器元件142的不同边。每个FBAR叠片144为周期叠片(periodic stack),其典型i也由对比折射指数材料(contrasting refractive index materials )的交叉层 形成。例如，在一个实施例中，每个FBAR叠片包括高低折射指数材料的交叉层。在另 一个实施例中，每个FBAR叠片包括高、中、低反射指标材料的交叉层。在每种情况下， 有助于形成双折射的每层的厚度限制于运行波长的片段(如，X=550nm的片段)。正如 现有技术所获悉的，厚度远远小于光波长的交叉指数层(index layers )的周期叠层可以 设计形成零级次波长光栅(ZOG )，其用作-C板延迟器。由于这些衍射元件的-C板延迟材料形成。例如，适合于交叉层的材料的例子包括有机或无机绝缘体，例如二氧化硅silica (Si02,『1.46)，氧化钽(tantala) (Ta205, n=2.20),氧化铉仏1203, n=l .63)， 二氧化铪(Hf。2. n=1.85), 二氧化钛(Ti02, n=2.37),氧化铌(niobia ) (Nb2Os『2.19)及氟化镁(MgF2. n=1.38)。对于FBAR涂层有更详细的介绍，例如，在美国专利7170574中，此处通过引 用包括该文献。[67]有利地，由于该调整延迟器140可以由无机材料完整的制造(如，如果第一延迟器 元件142由石英形成，同时第二延迟器元件144由薄膜无机绝缘层形成)，因此可以提 供一种非常稳定且持久的光学延迟器，其可以理想的用于高光通量环境。另外，由于该 FBAR叠片包括抗反射(anti-reflection)功能，不需要设置额外的抗反射涂层就可以减 少来自该第一延迟器元件142的反射。事实上，这种全功能AAC板调整延迟器在简易、 持久性及低制造成本之间提供了 一种极好的平衡。[68]更有利的，由于该调整延迟器140的该A板延迟设置了接近半波延迟器142,该调 整延迟器140将以方位角不敏感的方式运行，且其可以使用微制造技术形成，该微制造技术要求相对宽松的物理厚度公差。另外，由于接近半波延迟器142在光开启状态提供 一种适中的高吞吐量，该对比度补偿是可接受的。[69]注意，真正的半波片(即，提供准确的半波延迟或0.5波)不适宜用作该延迟器元 件142。特别地，所期望的真正的半波延迟器在光开启状态提供低的吞吐量，因此减弱 对比度。事实上，本发明区别于现有技术(如，Candee等的WO01/79921 A2)，因为选 择的延迟相对于准确的半波延迟有小量的移动。由于该延迟偏移于真实的半波延迟，该 调整延迟器可以制造成能够提供比VAN模式面板的剩余面内关闭状态线性延迟更高的 面内线性延迟，这样该调整延迟器可以在投影系统装配时匹配(clocked-in )。 [70]当然，上述的实施例仅作为示例。本领域的普通技术人员将注意到，各种修改，替 换的结构，和/或等同替代都将不脱离本发明的精神及范围。例如，尽管参考图13a和 13b所述的实施例显示包括一个或多个-C板延迟器，本发明的其他实施例则仅提供单个 接近半波延迟器。另外，尽管根据本发明的该调整延迟器能够在基于WGP的VAN模式 的LCoS微显示投影系统提供极好的对比度补偿，它同样也可以用于其他投影系统的对 比度补偿(如，基于TN模式的LCoS面板)。因此，本发明的范围仅由附加的权利要求 书独立限制。
权利要求
1、一种液晶显示投影系统，包括反射液晶显示面板，所述反射液晶显示面板具有在预定波长的剩余关闭状态双折射；调整延迟器，所述调整延迟器用于补偿所述反射液晶显示面板的剩余关闭状态双折射并且用于提高所述液晶显示投影系统的开启状态/关闭状态对比度，其中，所述调整延迟器包括单层延迟器元件，所述单层延迟器元件具有用于补偿所述剩余关闭状态双折射的面内部分的面内延迟，所述面内延迟以预定的量偏离自所述预定波长的半波，所述预定的量小于所述预定波长的0.15波。
2、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述预定量在所述预定波长的0 .005 波和0.10波之间。
3、 如权利要求2所述的液晶显示投影系统，其中，所述预定量是所述预定波长的0.055 波。
4、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述面内延迟为所述预定波长大约 0.45波和大约0.55波中的一个。
5、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述调整延迟器包括至少一个延迟 器元件，所述延迟器元件具有补偿所述剩余关闭状态双折射的面外部分的面外延迟。
6、 如权利要求5所述的液晶显示投影系统，其中，所述至少一个具有面外延迟的延迟 器元件包括第一形成双折射抗反射涂层，其被耦合到所述单层延迟器元件的第一侧面； 以及第二形成双折射抗反射涂层，其被耦合到所述单层延迟器元件的第二相对侧面。
7、 如权利要求6所述的液晶显示投影系统，其中，所述单层延迟器元件包括石英片。
8、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述单层延迟器元件包括无机双折 射晶体。
9、 如权利要求8所述的液晶显示投影系统，其中，所述单层延迟器元件包括石英片。
10、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述反射液晶显示面板包括垂直排 列向列型液晶显示面板并且被光学耦合到基于线栅偏振器的偏振分束器。
11、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述面内延迟以所述预定量偏移至 低于所述预定波长的半波，其中，所述反射液晶显示面板的慢轴基本平行于所述反射液 晶显示面板的S-和P-轴的平分线，以及其中，所述单层延迟器元件的慢轴在一个象限内， 所述象限与包括所述反射液晶显示器的所述慢轴的象限相邻。
12、 如权利要求1所述的液晶显示投影系统，其中，所述面内延迟以所述预定量偏移至 高于所述预定波长的半波，其中，所述反射液晶显示面板的慢轴基本平行于所述反射液晶显示面板的S-和P-轴的平分线，以及其中，所述单层延迟器元件的慢轴在一个象限内， 所述象限是包括所述反射液晶显示器的慢轴的象限和与包括所述反射液晶显示器的所 述慢轴的所述象限对角相对的象限中的 一 个。
13、 一种在液晶显示器投影系统中改进对比度的方法，所述方法包括提供调整延迟器以4卜偿所述液晶显示器投影系统中反射液晶显示器面板的剩余关 闭状态双折射，所述调整延迟器包括单层延迟器元件，其具有面内延迟用于补偿所述 '剩余关闭状态双折射的面内部分，所述面内延迟以预定的量偏移自所述预定波长的半 波，所述预定的量小于所述预定波长的大约0.15波。
14、 如权利要求13所述的改进对比度的方法，包括定向所述调整延迟器，使得所述单 层延迟器元件的慢轴方位角基本平行于所述反射液晶显示器面板的S-轴和P-轴中的一 个。
15、 如权利要求14所述的改进对比度的方法，包括使所述调整延迟器绕垂直于所述单 层延迟器平面的轴同步，使得所述调整延迟器的所述慢轴方位角旋转偏离所述S-和P-轴中的一个，从而使所述对比度最大化。
16、 一种改进液晶显示器系统中对比度的方法，所述方法包括确定所述液晶显示器投影系统中的反射液晶显示器面板的剩余关闭状态延迟；确定第一面内延迟以补偿所述剩余关闭状态延迟并且提高所述液晶显示投影系统的开启状态/关闭状态对比度；以及定位所述液晶显示投影系统中的调整延迟器，所述调整延迟器包括具有第二面内延迟的单层延迟器元件，所述第二面内延迟基本等于半波加所述第一面内延迟和半波减所述第一面内延迟中的一个，所述第一和第二面内延迟被确定为在电磁光谱可见范围内的同一波长。
17、 如权利要求16所述的改进对比度的方法，其中，定位所述液晶显示器投影系统中 的所述调整延迟器包括将所述调整延迟器定位在线栅偏振器和所述反射液晶显示器面 板之间。
全文摘要
本发明用调整延迟器提供补偿液晶显示器投影系统的对比度，该延迟器包括具有面内延迟的单层延迟器元件，所述面内延迟以预定的量偏离预定波长的零级半波。该接近半波片提供了相对常规相对低值调整延迟器的类似对比度补偿定位角灵敏度，已经用具有可管理的厚度公差的无机双折射晶体制造出。
文档编号G03B21/00GK101334559SQ20081012601
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月29日
发明者谭金龙 申请人:Jds尤尼弗思公司