彩色开关的制作方法

专利名称：彩色开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于投影光学系统和直观光学系统的在不同彩色频带之间进行选择性切换的彩色开关。
基于胆甾醇滤波器和LC开关(叠层频带调制滤波器，BMF)的彩色开关示于，比如，US-A-4726663中。这些器件对生产容差不敏感。其性能在极大程度上取决于制造BMF中的胆甾醇滤波器所使用的液晶聚合物(LCP)材料的双折射率Δn。最佳方法是将高Δn材料(Δn＞0.3)与滤波器结合，因为这样就只需要6个胆甾醇层(每种颜色2个)。然而，由大Δn材料制作的胆甾醇滤波器在其透射光谱中显示很强的旁瓣，使滤波器叠层的总透射效果降低。另外，高Δn材料会吸收更多的光，特别是在光谱的蓝色区域，从而限制了在高光强应用(比如投影系统)中的使用寿命。如使用低Δn材料，则需要多得多的滤光层(比如，对于Δn＝0.12，需要6倍的滤光层需要3倍的滤光层覆盖光谱区；因为低Δn材料也需要厚得多的滤光层，这不是在一个步骤在所能完成的，结果滤光层要增加一倍)。叠层BMF的进一步的缺陷是其减色彩色生成方式它们将总光谱分成三原色RGB的非重叠子光谱。虽然这可产生高颜色纯度，但却不是光效率最高的方法，因为在绿色和蓝色光谱中间的490nm和500nm中间的重叠可窗乘极佳的色饱和度，光通量比非重叠配置高得多。
本发明的第一方面提供一种在三种彩色频带之间切换的彩色开关，其特征在于是用来选择性地阻挡第一彩色频带的第一滤波器部分和用来选择性地阻挡第二和第三彩色频带的第二滤波器部分的组合；第一滤波器部分包括一个手性滤波器装置用来反射第一彩色频带的圆偏振状态和传送另一圆偏振状态；并且第二滤波器部分包括多个延迟器元件和多个电控液晶开关的组合，其配置方式使其可在三种状态之间切换，即阻挡第二和第三彩色频带的第一状态，阻挡第二彩色频带的第二状态和阻挡第三彩色频带的第三状态。
此滤波器包括一个元件叠层，并且最好是由第一滤波器部分组成的手性滤波器置于此叠层之前接受入射光束。虽然此手性滤波器可以置于该叠层之后，但那有可能造成切换对比度降低，因为从手性滤波器发出的反射光可能由胆甾醇滤波器前面的各滤波器部分再反射而使其偏振反转。
第二滤波器部分原则上可做成为两个子区段，每个子区段分别对一种原色作用。然而，根据本发明，最好是采用变形螺旋铁电体开关(DHF)作为第二区段中的开关。这种开关具有各种可变参数，如电压相关双折射率及色散，单元间隙，光轴定向。此外，光学延迟器具有各种可变参数，比如双折射和色散，厚度和定向。根据本发明最好是不要针对各原色频带分别单独设计第二滤波器部分，而是牢记其各种参数优化第二滤波器部分的各种元件的性能。这可以在彩色开关的整体薄度和优秀的滤波器性能(陡峭光谱，高亮度)方面提供显著的优点。
这样，本发明的另一个方面，对一种用来在第一，第二和第三彩色频带之间切换，其构成包括用来选择性地阻挡第一彩色频带的第一滤波器部分和用来选择性地阻挡至少第二彩色频的第二滤波器部分带(这第一和第二区段包括多个延迟器元件和电光元件的组合)的彩色开关提供一种优化彩色开关的特性的方法，其构成包括a.定义第一滤波器部分的参数以便定义第一彩色频带；b.确定第二滤波器部分的元件的可变参数进行优化；c.对第二滤波器部分的参数使成本函数G最小化G=ΣF=R,G,Bg1F((xF-xFO)2+(yF-yFO)2)+g2F(YF-YFO)2]]>其中YF是亮度，而xF，yF是颜色座标，xFO，yFO和YFO分别是颜色座标，亮度的目标值，并且其中参数g是权重系数，包含递归调节权重g使得在优化后G中各项具有类似的量值。
对于第一滤波器部分，使用一个四分之一波片来将原色分量的圆偏振光变换为线偏振光，并且与偏振片组合使用一个液晶开关来选择性地切换原色分量。液晶开关或是光轴转动(如DHF单元)，或是在双折射和非双折射状态之间切换(如Pi单元)。
为胆甾醇滤波器选择位于整个彩色频谱内部的选择性反射频带经常是有利的。对于一个RGB系统，比如，可选择位于红色和蓝色中间的绿色，因为两侧的胆甾醇滤波器光谱的锐边都可以使用。
根据本发明的彩色开关可应用于投影光学系统和直观光学系统。显示的组成可以是一个像素，也可以是大量像素，或是“单个像素”彩色开关与像素化(灰度等级)显示的组合。
在投影系统中出现的问题是投影系统必须容许极高的光强而不会退化。在这方面，第一滤波器部分，包括偏振片，是潜在的问题，因为会吸收辐射。因此，最好是使用非吸收性的反射偏振器。公知的偏振复原方式有利用非吸收性的偏振器将非偏振光分为两个不同偏振光的光束，然后一个光束的偏振转变为另一光束的偏振并将两者结合为一个光束-见，比如，US-A-5235443。然而，这种偏振器比较大，因此最好是将其置于由根据本发明的彩色开关形成的叠层的外面。
根据本发明的另一个方面，提供了一种手性滤波器部分，其中滤波器部分的元件的组织使得可以将滤波器部分的偏振元件置于领先位置处接收入射光，滤波器部分的其余元件置于偏振元件之后面并安排于叠层内。
最好是利用光定向技术将彩色开关的液晶元件，即手性滤波器，延迟器和开关定向。在公知的不同方法中，特别合适的方法是利用线性光聚合(LLP)方法，有时也称为光定向聚合物网络(PPN)。这些元件的背景材料和生产公开于，比如，US-A-5389698，US-A-5838407，US-A-5602661，EP-A-0756193，WO-A-99/49360，WO-A-99/64924以及WO-A-00/36463中。
图2为示出优选实施方式的原色光分量，红，绿，蓝的透射系数曲线。
图3为示出优选实施方式为NTSC TV系统提供的近似值的色品图。
图4为优选实施方式中采用的开关的双折射值的曲线图。
图5为示出优选实施方式的延迟器和滤波器中所使用的LCP材料的双折射率曲线图。
图6为示出

图1的优选实施方式的工作情况的说明图。
图7为本发明的实施方式2的示意图，与图1比较有修改。
图8为示出图7的滤波器的透射特性一个方面的简图。
图9为具有位于形成彩色开关其他元件的叠层的任意一侧上的偏振转换器和偏振分析器的示意图。
图10为本发明的实施方式3的示意图。
图11a～11d为示出图10的滤波器的特性的曲线图。
图12为本发明的实施方式4的示意图。
图13a～13d为示出图12的滤波器的特性的曲线图。
对优选实施方式的描述图1和6示意地示出形成本发明的实施方式1的彩色开关。光线从左侧入射并且在右侧离开滤波器。
滤波器形成为一个元件叠层，并且第一个元件2是胆甾醇滤波器CF，其选择反射频带在光谱的绿色区内。此滤波器在反射频带中反射入射白光的一个圆分量。另外一个圆分量以及基本上选择反射区以外的所有光线从CF透射。
下面的绿延迟器λ/4波片4将绿色圆偏振光变换为线偏振光。此λ/4波片以及下面的DHF LC开关6 SW1(DHF＝变形螺旋铁电体)使选择反射区以外的非偏振光基本上保持不变。
SW1开关6是一个绿色λ/2波片，其光轴可以电转动45°。在R或B相位，光轴平行于绿光的线偏振光。偏振器POL1 8的定向为使此偏振光被阻挡。如果SW1开关的光轴现在电转动45°，则线性绿色分量转动90°，并且基本上此绿色光全部透过偏振器。
元件2～8形成第一滤波器部分，用来选择阻挡绿色光。其余的部件R1(10)-SW2(12)-R2(14)-R3(16)-SW3-(18)-R4(20)-POL2(22)形成第二滤波器部分，用来选择阻挡蓝色光和红色光。POL2表示一个线偏振器；R1，R2，R3和R4是光学延迟器；而SW2和SW3是DHF开关。县已发现可以适当调整这些部件的性能来获得彩色开关的预期性能。
表征这些部件的光学和电光学特性的参数是
-材料参数(i)延迟器材料的双折射和色散；(ii)DHF材料的双折射和色散及其与电压的关系；-而对于选定的材料，几何参数可以优化(iii)DHF开关的单元间隙以及在R，G，B周期内光轴的定向，即每个DHF开关有4个参数(注意DHF开关的有效双折射是电压相关的，并且光轴可具有的角度是有限的)；(iv)延迟器的厚度和定向，即每个延迟器2个参数；(v)POL2的定向(1个参数)。
第一滤波器部分的设计是简单的，因为表征第一滤波器部分的所有参数是由滤波器的预期位置及陡度确定的，该位置和陡度在滤波器特性之前预先选定。
对于图1的叠层，结果有17个参数可以根据本发明进行优化。优化标准是亮度和颜色纯度。这一复杂的优化问题利用简单的分离元件的考虑是解决不了的。现已发现，优化配置取决于颜色纯度重要性与光通量的重要性的比较选择，以及延迟器的厚度的选择。
图2为示出R，G，B三种开关状态中优选配置的透射系数曲线的示例。高亮度(注意，由于偏振，理论上最大透射系数为0.5)以及优异的彩色坐标是明显的(图3示出本发明的彩色开关接近NTSC的彩色值)。
表I列出在计算中使用的参数。图4a示出DHF-LCD的双折射数据Δn(λ)，而在图4b中示出Δn随螺旋变形的增加的变化(增加电压或增加光轴的转角α；比如，见J.Fünfschillinig and M.Schadt，“Newferroelectric displays and operation modes”，Ferrelectrics 1998，213，p195-208，特别是其中的体3)。
表I图1的彩色开关的参数

胆甾醇滤波器的中心波长520，552，580nm从表I的数据可以看出，延迟元件和液晶开关的延迟的和大约为2微米，此值小得个令人惊讶。这有利于使用相当薄的薄层制作根据本发明的可切换彩色滤波器，薄层特别显示出较小的吸收，并且易于制作，其总厚度为23μm。最好是延迟元件和液晶开关的延迟的和小于5微米，最好小于3微米，而且小于2.5微米就更加好。
所有这些双折射数据适合利用DHF和LCP材料所做的实验的结果。胆甾醇滤波器由3层组成，每一层包含胆甾醇螺旋的15圈，选择频带的中心在520nm，552nm和580nm。计算使用一个4×4矩阵算法和单优化方法。射入和射出窗口上覆盖有抗反射涂层(经过在300nm上从n=1到LCP的折射率的平均值(ne+no)/2的折射率的线性增加的模拟试验)。假设偏振器损失极小。
在优化例行程序中将下面的成本函数最小化1)假设光源为白色(等于能量/nm带宽)，对所有3种色彩F＝R，G，B，计算三激响应(XF，YF，ZF，xF，yF)。在实际应用中，应该是使用投影系统的实际光源的光谱最有利。
2)利用数据计算G=ΣF=R,G,Bg1F((xF-xFO)2+(yF-yFO)2)+g2F(YF-YFO)2]]>并且利用上列数据使G最小化。xFO和yFO表示颜色座标的目标值x，y(在我们的例子中取的是NTSC一色座标)。亮度目标值，yFO是根据理想彩色滤波器的亮度确定的。此理想滤波器在给定的波长带具有等于1的透射率，并且在每侧10nm处降低到0。选择此滤波器的带宽是尽可能地宽，但依旧保持预期的色饱和度。注意，对于一个具体的设计，在此计算中应该使用实际的灯光光谱。得出的这些理想的滤波器的三种彩色的亮度用作彩色开关的目标值。在我们的场合对F＝R，G，B数值分别是0.12，0.25和0.05。YF值应该大于，但接近于对每一种彩色可以得到的最大值。注意，由于偏振之故，最大透射率为0.5。权重参数g以交互方式选择，以递归方式调节，以使G中相应的项的大小在优化后类似(在因子为10以内，最好是3)。
图6示出用于3种色彩的彩色开关的部件的工作原理的说明图。在此示意图中，LC开关的光轴方向根据表1内的R，G，B的状态描述。
图7为本发明的实施方式2的示意图，其中与图1类似的部件以同样的标号标注。与图1中的彩色开关的差别在于新增加的胆甾醇滤波器“CF阻挡”70。这一窄带宽(Δn≈0.12)滤波器具有与前面的“CF绿色”滤波器2相反的螺旋方向。此滤波器的作用示于图8。在波长区λ2..λ3(划线区NF)这两个胆甾醇滤波器的作用是阻挡(陷波)滤波器。因此这一波长区永远不会透过，不管DHF-LCD的切换状态如何，在λ3和λ4中间与绿色CF的透射相反的圆偏振可以透过。在λ/4波片后面此光线发生垂直波长区λ1..λ2中间的绿色光的线偏振。相应地，此光线在非绿色周期透射并在绿色期受到阻挡，从而因为阻挡住不需要的红色光而使绿色光谱更陡峭。藉助这种方法，选择波长区(在红色区或蓝色区)在绿色周期中受到阻挡。如果使用的灯光具有在绿色周期中应该受到抑制的强烈的发射谱线，这一点就很重要。
DHF-LCD，由于其高切换速度能力及其模拟电光学响应，很适合用作这种彩色开关。这种模拟响应容许在3种状态(工作循环相等)之间切换，并且依旧使用无直流驱动电压。达到的方法如下如对三色R，G，B的计算结果是带有x轴(＝图1中的偏振器POL1的轴)的DHF开关的光轴的3个角度αR，αG，αB，就按照α0＝(αR+αG+αB)/3计算α0。DHF开关的定向的选择方法是要使在外加0伏电压时光轴对x轴的角度为α0。因为光轴的转角与外加电压的关系接近线性，与αR，αG，αB相应的3个电压之和很接近零，即对于恒定的工作循环切换，切换实质上是无直流的。如需要，可以在优化例行程序中加进一个角度对电压的小非线性以便用来计算DHF光轴与α0的偏离的校正。注意，电光响应与温度可能存在的关系可因为同样的论点而适当的改变驱动幅度而得到补偿，因为三个电压的比值保持不变。
然而，在图1和图7的配置中所使用的DHF开关可以由其他类型的快速LCD开关代替，这些开关包括电斜式，反铁电，V形反铁电，双稳SSF，模拟驱动SSF，以及像向列开关，如TN或Pi单元。在每种场合，上述的优化步骤都必须重复以求出最优配置。
另外，图1或7的配置可以通过添加或删除某些延迟器而简单地修改。删除，比如R2，在对所有其他参数进行再优化之后依然会产生令人满意的色彩。
对于第一偏振器POL1和/或POL2最好也是使用非吸收性亮度增强箔(BEF)。这种箔片可以从3M买到并且公开于，比如，US 5962114，J.M.Jonza et al，3M Innovative Proterties Company。
投影系统中的所有的光学部件必须容许极高的光强而不会退化。最关键的部件是偏振片。在很多场合，最好是使用非吸收性的反射偏振器，如偏振束分离器(PBS)或胆甾醇滤波器。图1或7的配置在叠层内部具有偏振器POL1。使用PBS偏振器会牺牲掉彩色开关的紧凑性。
因此，最好是将偏振器置于叠层外部。这还有一个附加的优点，就是对彩色开关的照明应用偏振复原方式。
偏振复原方案利用将非偏振光分离为两个不同的)线性或圆)偏振光的非吸收性偏振器。已经报告有数种方法(比如Barnik et al. US5235443，Shingaki et al. US 5381278)可这些光束中的一个的偏振转变为另一个的偏振并将其合而为一。采用这种方法，可以将所有的入射偏振光作为单一偏振的偏振光收集。注意，采用所有这些方法，或是光束的截面或是发散(或两者)将增加。
图9为图10和12的实施方式的概念图，其中彩色开关的偏振元件从叠层中抽出并置于其任意一侧上。这样，在图9中，偏振转换器30接受入射辐射束32并将整个光束以偏振方式传输到形成彩色开关34的元件叠层。通过彩色开关34传输的光入射到执行偏振分析器功能的偏振器36。
下面对示于图10的本发明的实施方式3予以说明，其中与图1类似的部件以同样的标号标注。在图10中，胆甾醇滤波器部分的变化至在于元件的次序倒转，即接受入射辐射束的次序倒转。此外，图1的偏振片8变为偏振器30，此偏振器的类型为可使实质上是全部的入射光通过，而不会作为偏振光吸收。由于此偏振器尺寸大，将其置于由其余开关元件构成的叠层的外部。液晶开关6接受偏振器30发出的偏振光并选择性地使其轴转动。延迟器片4将此偏振光转换为圆偏振状态并使其通过胆甾醇滤波器2，胆甾醇滤波器2传输一个圆偏振状态而反射另一个。
由元件10-22组成的第二滤波器部分实质上与图1所示的相同。不过可以使最后的分析器22为非吸收偏振元件，如PBS，并使此偏振器位于叠层的外部，如示意9的36所示。
此叠层的元件利用与在第一示例中的优化步骤相同的步骤进行了优化。其结果示于图11a～11d和表II。与上一个示例相同，开关的材料的双折射按照图4选择，而延迟器的则按照图5选择。注意，R2..R5选择为具有相同的厚度以简化这些彩色开关的生产。由此产生的性能折衷很小。
除了线偏振器，也可以使用圆偏振器(比如在上述US 5235443中公开的器件)。图12示出相应地彩色开关，为本发明的优选实施方式4。其中与图1类似的部件以同样的标号标注。CPOL代表圆偏振器40，将其作为一系列的具有覆盖整个可见光波长范围的选择性反射频带的胆甾醇滤波器进行了模拟。还增加了一个延迟器R0 42。图13a～13d为示出利用表III的数据计算出的光谱特性曲线。同样发现亮度与色饱和度优异。元件6-22形成为元件叠层。在一种改型中，偏振器22由与偏振器40类似的偏振器替代。
表II

表III

权利要求
1.一种在三种彩色频带之间切换的彩色开关，其特征在于用于有选择地阻挡第一彩色频带的第一滤波器部分(2-8)和用来有选择地阻挡第二和第三彩色频带的第二滤波器部分(10-22)的组合第一滤波器部分包括用来反射第一彩色频带的圆偏振状态和传送另一圆偏振状态的一个手性滤波器装置(2)；且第二滤波器部分包括多个延迟器元件(10，14，16，20)和多个电控液晶开关(12，18)的组合，其配置方式使其可在阻挡第二和第三彩色频带而传输第一彩色频带的第一状态、阻挡第二彩色频带而传输第三彩色频带的第二状态和阻挡第三彩色频带而传输第二彩色频带的第三状态之间进行切换。
2.如权利要求1的彩色滤波器，其中第一滤波器部分的构成包括一个四分之一波片(4)来将所述圆偏振状态变换为线偏振光，以及一个用作第一彩色频带的二分之一波片，并且具有一个可以进行电转动切换线偏振光的光轴的液晶开关(6)，以及一个线偏振元件(8)。
3.如权利要求1的彩色滤波器，其中第一滤波器部分的构成包括一个四分之一波片(4)和液晶开关(6)，此液晶开关(6)在一种电光学状态下用作第一彩色频带的二分之一波片，而在另一种电光学状态下不显示双折射。
4.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中第一滤波器部分的构成包括一个阻挡滤波器70用来阻挡第一彩色频带及其邻接的第二和第三彩色频带之间的波长范围。
5.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中第一彩色频带占据二和第三彩色频带之间的波长范围。
6.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中滤波器是一个滤波器元件叠层，并且第一滤波器部分置于第二滤波器部分之前接受入射光束。
7.如权利要求1的彩色滤波器，其中所述第一滤波器部分的构成包括用来接受入射辐射和传输偏振辐射到液晶开关(6)的线偏振装置(30)，液晶开关选择性地转动辐射轴，以使延迟装置(4)接受，而延迟装置又将辐射传输到所述手性滤波装置(2)。
8.如权利要求7的彩色滤波器，其中线偏振装置的构成包括一个在给定波长区将实质上全部的入射辐射变换为偏振形式的装置。
9.如权利要求7或8的彩色滤波器，其中滤波器是一个滤波器元件叠层，并且第一滤波器部分置于第二滤波器部分之前接受入射光束，并且其中所述线偏振装置与所述滤波元件叠层分开单独形成。
10.如权利要求7-9的彩色滤波器，其中线偏振装置作为一个圆偏振装置(40)形成并且包括一个后面的延迟器装置(42)用来圆偏振辐射变换为线偏振辐射。
11.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中第二滤波器部分的构成依次包括第一延迟器元件(10)，第一液晶开关装置(12)，第二延迟器元件(14)，第二液晶开关(18)，以及线偏振装置(22)。
12.如权利要求11的彩色滤波器，其构成包括在所述第二延迟器元件和第二液晶开关之间的第三延迟器元件(16)。
13.如权利要求12的滤波器，其构成包括一个位于所述第二液晶开关后面的第四延迟器元件(20)。
14.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中上述液晶开关中的至少一个具有至少三个不同的电光学状态。
15.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中上述液晶开关中的至少一个是从下面一组中选择的变形螺旋铁电体(DHF)，电斜式，V形反铁电，Pi-单元，SSF。
16.如权利要求11的彩色滤波器，其中至少一个所述液晶开关是DHF。
17.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中第二滤波器部分使延迟元件和液晶开关的延迟的和小于5微米，最好小于3微米，而且小于2.5微米就更加好。
18.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中第二滤波器部分的延迟器元件和液晶开关装置的延迟和定向是通过使成本函数G最小化而选择的，此成本函数G利用权重产生实质上类似的项来描述色饱和度和亮度与预期值的偏离。
19.如上述权利要求中任何一项的彩色滤波器，其中元件中的至少一个的液晶是由光定向技术排列的液晶。
20.对一种用来在第一，第二和第三彩色频带之间切换，其构成包括用来选择性地阻挡第一彩色频带的第一滤波器部分和用来选择性地阻挡至少第二彩色频的第二滤波器部分带，此第一和第二区段包括多个延迟器元件和电光元件的组合的彩色开关提供一种优化彩色开关的特性的方法，其构成包括a.定义第一滤波器部分的参数以便定义第一彩色频带；b.确定第二滤波器部分的元件的可变参数进行优化；c.对第二滤波器部分的参数使成本函数G最小化G=ΣF=R,G,Bg1F((xF-xFO)2+(yF-yFO)2)+g2F(YF-YFO)2]]>其中YF是亮度，而xF，yF是颜色座标，xFO，yFO和YFO分别是颜色座标，亮度的目标值，并且其中参数g是权重系数，包含递归调节权重g使得在优化后G中各项具有类似的量值。
21.如权利要求20的方法，其中在优化后，在G中的项g1F·((XF-XFO)2+(yF-yFO)2)和g2F·(YF-YFO)2在因子10且最好是3之内是类似的。
22.如权利要求20的方法，其中包括确定在滤波器部分中的液晶开关的光轴的定向角度。
23.如权利要求22的方法，其中所述角度与外加电压有非线性关系。
全文摘要
一种应用于投影光学系统和直观光学系统的在不同彩色频带之间进行选择性切换的彩色开关，与现有技术相比较其滤光层较少较薄，但其颜色纯度与光效率相等或更佳。此滤波器具有用来选择性地阻挡绿光的第一滤波器部分(2－8)，其构成包括胆甾醇滤波器(2)，λ/4波片(4)和液晶开关(6)。此滤波器具有用来选择性地阻挡蓝光和/或红光的第二滤波器部分(10－22)，其构成包括延迟器元件(10，14，16，20)和多个液晶开关(12，18)，最好是DHF开关的叠层。其中滤波器的延迟器的参数是通过使成本函数G最小化对第二滤波器部分的参数进行优化而选择的。偏振元件(8)可置于叠层之前，并且是不吸收辐射的类型。
文档编号G02B5/30GK1398358SQ01804499
公开日2003年2月19日 申请日期2001年1月30日 优先权日2000年2月3日
发明者杰格·费夫什铃, 马丁·莎德 申请人:罗利克有限公司