專利名稱：傾斜c板延遲器及包含該延遲器的顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透射式液晶顯示器及硅上反射式液晶顯示器(reflective liquid crystalon silicon display)，以及基于這種顯示器的圖像投影系統(tǒng)。具體地，它公開了一種補(bǔ)償液晶顯示面板的剩余延遲的改進(jìn)裝置。尤其，具有適當(dāng)傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)的C板被用作延遲補(bǔ)償器，以增強(qiáng)由顯示面板產(chǎn)生的圖像的圖像對比度。
背景技術(shù)：
與其它微顯示投影顯示器技術(shù)(諸如透射式液晶微顯示器(xCLD)和數(shù)字光處理器(DLP))及直視顯示面板相比較，基于硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)微顯示投影系統(tǒng)(MDPS)的線柵偏振器[C.Pentico，M.Newell和M.Greenberg，“Ultrahigh contrast color management system for projection displays(用于投影顯示的超高對比度彩色管理系統(tǒng))”SID 03摘要，pp.130-133，2003；以及Kurtz等人的美國專利，#6,585,378和Pentico等人的美國專利#6,857,747]實(shí)現(xiàn)了高分辨率和高圖像對比度。通過三個(gè)微顯示板的使用來緩解屏幕上亮度的不足，每一個(gè)微顯示板用于原色帶。

圖1中給出基于WGP的投影系統(tǒng)的例子。來自高壓放電燈的光由長光棒(管)均勻化。該光還可被優(yōu)先偏振或使它未用過的部分重新使用。在光管出口處空間均勻光分布由一系列透鏡、折鏡(fold mirror)、二向色性頻帶分離器成像在一個(gè)或多個(gè)LCoS面板上(以一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)面板偏振器為基礎(chǔ)的MDPS)。在基于WGP的MDPS中，線柵偏振器的主要功能是從入射光束分離出射光束D.Hansen，E.Gardner，R.Perkins，M.Lines，和A.Robbins，“The display applications and physics of the Proflux wiregrid polarizer(Proflux線柵偏振器的顯示應(yīng)用與物理特性)”，SID 02摘要，p.730，2002。在這方面，WGP一般在給定的LCoS面板照明臂(illumination arm)中相對于光傳播的主要方向傾斜±45°。然后，從每個(gè)LCoS面板返回的光相對于入射的照明被導(dǎo)向(偏轉(zhuǎn)至)正交的光路。WGP也可用作偏振器件。WGP是線柵偏振器，即，其透射正交于平行微線方向排列的線性偏振，并反射平行于線方向的補(bǔ)償線性偏振。當(dāng)用于偏位(off-normal)入射時(shí)，如果透射的線性偏振包含在入射平面(P平面)內(nèi)，則將WGP配置為高偏振對比度模式。在圖1的圖示中，該高對比度配置需要平行于S平面(關(guān)于中心射線正交于入射面)定向的微線。該線垂直于圖1中圖示的平面排列。由于光學(xué)系統(tǒng)的亮度和孔徑之間的平衡(“光學(xué)徑角性(Etendue)”)，MDPS也需要利用各光學(xué)元件的適中的數(shù)值孔徑。使用f/2.4系統(tǒng)(在空氣入射(air incidence)內(nèi)大約為±12°)構(gòu)造光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行是非常典型的。那么，關(guān)于各局部WGP元件，偏振的P面和S面與錐形光束中的中心光線(下文中稱為主光線)的線性偏振有關(guān)。在圖1中所示的基于3面板WGP的MDPS中，由LCoS面板15、15a和15b(分別對應(yīng)于紅色、綠色和藍(lán)色信道)顯示的圖像由X立方體19聚集(會(huì)聚)，然后被投影至大屏幕。各顏色信道具有LCoS面板、WGP以及專用的調(diào)整延遲補(bǔ)償器(trim retarder compensator)21、21’和21”，任一WGP作為分束器和偏振器/檢偏器并傾斜+45°或-45°，各延遲補(bǔ)償器分別與面板15、15a和15b相關(guān)聯(lián)。各顏色信道同樣具有其自身的前置偏振器和凈化(clean-up)檢偏器；其中，使該前置偏振器適于透射P偏振(一些WGP或二向色性偏振片的一個(gè)或多個(gè)元件關(guān)于主光線正入射定向；這些并未在圖1中示出)，使凈化檢偏器適于透射S偏振(一些WGP或二向色性偏振片的一個(gè)或多個(gè)元件關(guān)于主光線在正入射處定向；這些并未在圖1中示出)。調(diào)整延遲補(bǔ)償器(trim retarder compensator)是MDPS的各顏色信道的關(guān)鍵光學(xué)元件。其在面板的關(guān)閉狀態(tài)(off-state)除掉了LCoS面板的剩余延遲D.Anderson和K.Shahzad，“Off-axis LCoS compensation for enhanced contrast(增強(qiáng)對比度的離軸LCoS補(bǔ)償)”SID 03摘要，pp.1433-1435，2003。LCoS面板的剩余延遲可被分類為面內(nèi)(也作A板)和面外(也作C板)分量。除非另有說明，在此術(shù)語“延遲”意指線性延遲量。線性延遲使相差成為兩個(gè)正交的線性偏振，平行于線性延遲器的常軸和非常軸排列。還有一種類型的延遲，稱作“圓形延遲”，該圓形延遲引起右手和左手圓偏振光的相對相差。錐形光束中的正入射線僅經(jīng)歷A板延遲，而離軸射線(傾斜的和彎曲的，傾斜的也就是不垂直但是沿著主S面和P面；彎曲的也就是不垂直并偏離主S面和P面入射)除A板延遲之外經(jīng)歷C板延遲。在雙折射介質(zhì)中90°射線角的不重要的位置并不經(jīng)歷A板延遲。)
在標(biāo)準(zhǔn)的A板補(bǔ)償情況中，補(bǔ)償器的A板延遲與處于關(guān)閉狀態(tài)的LCoS面板的A板延遲相稱。補(bǔ)償器和LCoS面板的慢軸以正交的方位角偏差(稱作“交叉軸”)配置。將同樣的配置應(yīng)用于兩個(gè)快軸。對于正入射光線，快/慢軸的作用為從調(diào)整延遲補(bǔ)償器元件向LCoS面板元件轉(zhuǎn)換。兩個(gè)連續(xù)的元件中，特定線性偏振的光線多然后少地交替地延時(shí)，或者反之亦然。對于入射偏振實(shí)際結(jié)果是零相對延時(shí)。因此關(guān)閉狀態(tài)時(shí)從該調(diào)整延遲器和面板對的輸出偏振相對于其輸入偏振并未改變。這個(gè)輸出光線然后被WGP和凈化偏振器組合濾去，憑此，WGP的高反射軸和凈化偏振器的高透射軸關(guān)于入射至所述調(diào)整延遲器和面板對的入射偏振垂直定向。于是暗態(tài)面板的照明并不出現(xiàn)在屏幕上。調(diào)整延遲器作為補(bǔ)償器的引入同樣不會(huì)顯著地改變面板打開狀態(tài)(on-state)時(shí)的吞吐量。因此，連續(xù)對比度(全部開/全部關(guān))是極好的。實(shí)踐中，由于器件厚度和材料雙折射控制以及操作偏差(溫度、機(jī)械應(yīng)力等等)中的制造公差，從而LCoS和補(bǔ)償器的A板延遲給出了數(shù)值范圍。當(dāng)時(shí)，在補(bǔ)償器中提供比名義上的LCoS面板延遲值更高的A板延遲是典型的J.Chen，M.G.Robinson和G.D.Sharp，“General methodology for LCoS panel compensation(LCoS板補(bǔ)償?shù)囊话惴椒ㄕ?，”SID 04，摘要，pp.990-993，2004。例如，垂直排列向列(VAN)LCoS可展示2nm的A板延遲(在λ＝550nnm時(shí))，而可以制造具有5nm(在λ＝550nnm時(shí))A板延遲的調(diào)整延遲補(bǔ)償器。在A板中的這個(gè)失諧需要相對于調(diào)整延遲補(bǔ)償器/LCoS面板對名義上的交叉軸配置，來偏置補(bǔ)償器的光軸。由于VAN-LCoS，面板的慢軸被典型地配置為基本上平行于S面和P面的平分線(即，慢軸在±45°和±135°處，此處P偏振平行于0°/180°，以及S偏振平行于±90°)。這個(gè)配置對將VAN-LCoS面板用作有效的電控制雙折射(ECB)器件是至關(guān)重要的，對于該反射器件的交叉偏振轉(zhuǎn)化由下面的公式給出
I(輸出交叉偏振)＝I(輸入交叉偏振)×[sin(Δnd/λ)×sin(2)]2，
其中，Δnd是VAN-LCoS面板的單向延遲；λ是照明波長，以及是慢軸相對于P偏振的方向。作為ECB要求的結(jié)果，VAN-LCoS被典型地配制為單向上近似的四分之一波板延遲器(在面板打開狀態(tài)時(shí))，并且其慢/快軸近似地對開S偏振面和P偏振面。為了描述本發(fā)明的目的，將在VAN模式的LCoS微顯示投影中心光學(xué)系統(tǒng)中參考單色信道。該單通道的描述是一個(gè)或多個(gè)基于面板WGP的微顯示投影系統(tǒng)。同樣，相對于主光線傳播方向，在WGP之前非傾斜地設(shè)置預(yù)偏振器，并在WGP反射之后非傾斜地設(shè)置凈化偏振器。預(yù)偏振器包括基于柵格(反射性)的偏振器(例如鋁線柵)或規(guī)則的二向色性(吸收性)偏振片的基本上平行的元件的一個(gè)或多個(gè)階段(stage)。凈化偏振器包括基本上平行于吸收性的偏振器元件的一個(gè)或多個(gè)階段。圖2中描繪了圖1光引擎(light engine)中的紅色信道或藍(lán)色信道的中心光學(xué)系統(tǒng)200的圖示。從在前階段的光導(dǎo)管(或者其它諸如蠅眼(Fly’s Eye)陣列的均化器)輸出的，非偏振的或部分偏振的光錐，被預(yù)偏振器201線性偏振。這個(gè)偏振器220的透射軸基本上平行于隨后的WGP元件202的透射軸。這個(gè)線性偏振方向被稱為關(guān)于主光線和WGP元件的圓錐固定件(conical mount)的“P偏振”。WGP元件據(jù)稱已經(jīng)圍繞+Y軸并相對于+Z軸旋轉(zhuǎn)了+45°(或者僅僅相對于Z軸傾斜+45°)。這符合使用右手XYZ坐標(biāo)系(RH-XYZ)歐拉角旋轉(zhuǎn)定律。類似地，綠色信道(未示出)的中心光學(xué)系統(tǒng)使得WGP關(guān)于Z軸傾斜-45°，并將WGP的返回通道導(dǎo)向位于返回通道中的WGP的反射端口處的凈化偏振器。在附圖中WGP元件202的表面上的微線平行于Y軸排列。該線位于WGP基板后側(cè)(遠(yuǎn)離輸入端)以使得線性偏振光較少受到基板中由熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力引起的雙折射的影響。在完成雙程(double pass)后，即在調(diào)整延遲補(bǔ)償器(TR)203和VAN-LCoS面板204的平行階段往返移動(dòng)之后，WGP元件對該光束進(jìn)行分析。由WGP元件的線側(cè)反射的正交偏振，即S偏振偏轉(zhuǎn)至凈化偏振器205，該凈化偏振器205的透射軸正交于預(yù)偏振器。檢偏器的偏振示為221。該反射的光并不通過WGP基板，并因此較少受到在基板中引起的雙折射的影響。當(dāng)觀察第一通道(RH-XYZ)中指向觀測者的光束時(shí)，已經(jīng)示出了LCoS面板的慢軸(SA)230，該慢軸位于RH-XYZ坐標(biāo)系的第一象限。在描述VAN-LCoS面板的SA時(shí)，需要參考具有向著+Z軸的極角傾斜(正的傾斜)的SA的方位角取向。在所示的這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的例子中，LCoS的SA由方位角235給定，從X軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正角。VAN-LCoS面板的快軸(FA)定義為正交于SA方向(即，對SA有±90°的方位角偏差)。該FA 231示為位于第2和第4象限，從X軸偏移+135°/-45°的方位角。在較大量的延遲的情況下，調(diào)整延遲補(bǔ)償器203必須被旋轉(zhuǎn)或定時(shí)(clocked)，以確定鄰近LCoS的SA的象限中其SA的方向，以便使兩組慢軸不交叉。一般的調(diào)整延遲補(bǔ)償器的例子示為具有其慢軸240沿方位角245定向的元件203。對于適中的更高調(diào)整延遲補(bǔ)償器延遲和更慢的VAN-LCoS面板延遲，該調(diào)整延遲補(bǔ)償器的SA一般能夠偏離最靠近的S或P軸30°，盡管小于15°的偏離是優(yōu)選的。當(dāng)術(shù)語SA和FA用于VAN-LCoS面板和調(diào)整延遲補(bǔ)償器時(shí)，當(dāng)在正入射處測量線性延遲時(shí)，該SA和FA在此被認(rèn)為是兩個(gè)正交的雙折射軸。對于在非常大的入射角處的負(fù)的平面外的延遲分量，SA和FA的方向根據(jù)離軸照明以及，SA/FA角色的反向而改變。現(xiàn)有技術(shù)的披露中，最佳調(diào)整補(bǔ)償器包括A板元件和C板元件(具有雙折射負(fù)光性的平面外的延遲)。該調(diào)整延遲補(bǔ)償器基本上平行于LCoS的X-Y平面排列。對良好的調(diào)整延遲補(bǔ)償器裝置的需求是眾所周知的參見例子K.Tan等人，“Design andcharacterization of a compensator for high contrast LCoS projection systems(高對比度LCoS投影系統(tǒng)的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)和特征)”SID 2005，p.1810，2005。存在有多種材料，用于實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償A板和C板延遲的補(bǔ)償器。傳統(tǒng)上，各向同性聚合物沿著一個(gè)或兩個(gè)軸延伸，結(jié)果雙軸或單軸負(fù)層(negative layer)能夠用于充分補(bǔ)償LCoS面板的延遲H.Mori等人，“Novel optical compensation method based upon a discotic optical compensationfilm for wide-viewing-angle LCDs(基于寬觀察角度的盤狀光學(xué)補(bǔ)償薄膜的新光學(xué)補(bǔ)償方法)”，SID 03摘要，p.1058，2003。最近，已經(jīng)示出了交聯(lián)為聚合物基質(zhì)(polymer host)的液晶混合物(LCP)，其在可靠性、均勻性和達(dá)到延遲量目標(biāo)的容易性方面更加通用Zieba等人的US專利申請公開號為20050128380。LCP層與無機(jī)薄膜結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)C板元件Tan等人的US專利申請公開號為20050128391。已經(jīng)示出了全部功能調(diào)整延遲補(bǔ)償器以為了極好的對比度和環(huán)境上的穩(wěn)定性而提供補(bǔ)償M.Duelli等人，“High performancecontrast enhancing films for VAN-mode LCoS panels(VAN模式LCoS板的高性能對比度增強(qiáng)薄膜)，”SID 05摘要，p.892，2005。本發(fā)明在此公開了使用雙折射薄膜結(jié)構(gòu)(form birefringent film)，其傾斜一角度以補(bǔ)償反射式LCoS或透射式LC器件在黑暗狀態(tài)的延遲，結(jié)果對比度有顯著的改進(jìn)。雙折射薄膜具有單軸晶體的光率體(uniaxial indicatrix)，并且其被配置為帶有平行于器件法線(device normal)的C軸。這種雙折射元件并不包含有機(jī)材料，因此避免了隨著時(shí)間的流逝而導(dǎo)致的可靠性下降或?qū)Ρ榷冉档停@些是現(xiàn)有技術(shù)的延遲器應(yīng)用中的有機(jī)雙折射器件的固有風(fēng)險(xiǎn)。只有C板(C-plate-only)延遲器是雙折射元件，在此光學(xué)對稱軸沿著基本上平行的板的器件法線設(shè)置。對于正入射線，C板延遲器并不呈現(xiàn)任何凈余延遲。對于離軸光線，非常光線(e波)，有效折射率能夠比正交的、尋常光線(o波)偏振的給定值高或者低。這意味著C板能夠擁有正C延遲或者負(fù)C延遲。除了對現(xiàn)有技術(shù)的延遲技術(shù)的可靠性的改進(jìn)之外，傾斜取向的只有C板延遲器的使用對于通過減少光學(xué)系統(tǒng)中元件的數(shù)量大大減少延遲器花費(fèi)以及簡化裝配是有利的。
發(fā)明概述[18]本發(fā)明涉及C板延遲補(bǔ)償器的使用，以增強(qiáng)透射式及反射式液晶顯示器和顯示系統(tǒng)的圖像對比度。通過為該補(bǔ)償器引入相對于系統(tǒng)X-Y平面的小傾斜角度及相對于顯示面板慢軸來選擇傾斜板圍繞Z軸的適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角，獲得改良的剩余延遲補(bǔ)償。
附圖的簡要描述[19]現(xiàn)在將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的示范性特征。圖1是現(xiàn)有技術(shù)基于Ultrex-3 3面板線柵偏振器(WGP)的硅上液晶(LCoS)投影光引擎(light engine)的示意圖。圖2示出了基于線柵偏振器(WGP)的光引擎的現(xiàn)有技術(shù)子系統(tǒng)，該光引擎包括LCOS面板、WGP、調(diào)整延遲補(bǔ)償器和預(yù)偏振器和后偏振器。圖3示出了基于線柵偏振器(WGP)的反射式光引擎的子系統(tǒng)的實(shí)施例，該反射式光引擎包括LCOS面板、WGP、傾斜的只有C板的延遲補(bǔ)償器以及預(yù)偏振器和后偏振器。圖4限定使用單軸晶體的雙折射光率體(uniaxial birefringent indicatrix)結(jié)構(gòu)，在(d)中給定的XYZ坐標(biāo)系用作(a)A板，(b)C板以及(c)O板，其中器件平面平行于XY面，而Z軸平行于器件法線。圖5示出了傾斜的C板的有效快/慢軸的關(guān)系，其中C板雙折射是負(fù)的(a)和正的(b)。圖6示出了LCoS的快/慢軸和傾斜的-C板的旋轉(zhuǎn)軸之間的相對方位角，其中傾斜的C板延遲補(bǔ)償器具有的軸上延遲大于或等于LCoS的A板延遲。圖7示出了LCoS的快/慢軸和傾斜的-C板的旋轉(zhuǎn)軸之間的相對方位角，其中傾斜的C板延遲補(bǔ)償器具有的軸上延遲小于LCoS的A板延遲。圖8是在空氣中入射角范圍處介電-C板延遲器的測量的和設(shè)計(jì)的凈延遲的曲線圖。圖9是計(jì)算出的沿傾斜的-C板元件的傾斜平面的第一、第二和總的雙通道凈延遲的曲線圖。圖10是計(jì)算出的垂直排列向列(VAN)LCoS的錐光凈延遲和慢軸映射(map)的等值線圖表，其中LCoS的A板和C板延遲值分別為1.4和250nm(@λ＝633nm)。圖11是計(jì)算出的-110nm的只有C板的延遲器的錐光凈延遲和慢軸映射的等值線圖表，該延遲器關(guān)于45度旋轉(zhuǎn)軸傾斜7度。圖12是模擬的關(guān)于135°的旋轉(zhuǎn)軸和VAN模式的LCoS面板，層疊傾斜的FBAR-C板以傾斜7°的雙通道泄漏密度的等值線圖表。圖13是模擬的LCoS的A板延遲值的范圍內(nèi)傾斜7°的FBAR-C板和未傾斜的FBAR-C板的性能對比的曲線圖。LCoS的慢軸在方位角γ＝135°處定向，并且FBAR板圍繞γ＝45°的方位旋轉(zhuǎn)。圖14是模擬的具有旋轉(zhuǎn)軸的變化和極角傾斜的傾斜的FBAR-C板容差的等值線圖表。圖15是+C板或-C板延遲器的示意圖，該+C板或-C板延遲器夾在適當(dāng)指數(shù)的兩個(gè)楔形棱鏡之間，以便制成平行于LCoS器件的補(bǔ)償器元件排列平面。迭片范圍內(nèi)的C板延遲器的有效旋轉(zhuǎn)軸不可平行于WGP的P偏振或S偏振。圖16是+C板延遲器的示意圖，該+C板延遲器夾在適當(dāng)指數(shù)的兩個(gè)楔形棱鏡之間，以便制成平行于LCoS器件的補(bǔ)償器元件排列平面。對一個(gè)或兩個(gè)外表面應(yīng)用-C板FBAR涂層，以供給總的凈-C延遲。迭片范圍內(nèi)的C板延遲器元件的有效旋轉(zhuǎn)軸不可平行于WGP的P偏振或S偏振。圖17示出了透射式微顯示投影系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)傾斜的-C板位于入射側(cè)偏振器和出射的交叉偏振檢偏器之間，以便充分補(bǔ)償軸上光線和離軸光線的顯示元件延遲。圖18(a)中，當(dāng)觀察指向觀察者的光束時(shí)，對于正方位角，，限定用右手XYZ坐標(biāo)系(稱作“RH-XYZ”)，連同逆時(shí)針方向(CCW)定律；而圖18(b)中，當(dāng)觀察遠(yuǎn)離觀察者的光束時(shí)，對于正方位角，，限定用左手XYZ坐標(biāo)系(稱作“LH-XYZ”)，連同逆時(shí)針方向(CCW)定律。圖19是示出了在各局部極大對比度時(shí)調(diào)整延遲器慢軸的相關(guān)取向以及用于具有傾斜-45°的WGP的不同面板定向的快/慢軸的示意圖。圖20是示出了在各局部極大對比度時(shí)調(diào)整延遲器慢軸的相對排列以及對于具有傾斜+45°的WGP的不同面板定向的快/慢軸的示意圖。圖21是相對于主光線傾斜大約20°的-C板延遲器的實(shí)驗(yàn)凈延遲光譜的曲線圖。圖22是相對于X-Y平面傾斜大約20°的-C板延遲器的實(shí)驗(yàn)凈延遲映射的等值線圖表。實(shí)現(xiàn)平面外傾斜和傾斜的-C板延遲器的所得的慢軸的旋轉(zhuǎn)軸在RH-XYZ坐標(biāo)系中CCW大約20°處定向。會(huì)聚于一點(diǎn)的觀察的光錐沿著所有方位角的平面延伸±20°的極角。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明[42]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例由圖3中的例子示出。在中心光學(xué)系統(tǒng)300的圖示中，非偏振的或部分偏振的，從在先階段的光導(dǎo)管(或者其它諸如蠅眼陣列的均化器)輸出的光錐由預(yù)偏振器301線性偏振。該偏振器320的透射軸基本上平行于隨后的WGP元件302的透射軸這是P偏振軸。WGP元件以極角310傾斜，其相對于Z軸大約傾斜+45°。在完成雙程(double pass)，即在調(diào)整延遲補(bǔ)償器(TR)303和VAN-LCoS(LCoS)面板304的非平行階段往返移動(dòng)之后，該光束由WGP元件302檢測，該面板304的慢軸330在關(guān)于X軸的方位角335處定向。由WGP元件的線側(cè)反射的正交偏振，即S偏振偏轉(zhuǎn)至凈化偏振器305，該凈化偏振器305的透射軸正交于預(yù)偏振器。檢偏器的偏振如321所示。光學(xué)元件303在幾個(gè)關(guān)鍵方面不同于現(xiàn)有技術(shù)的延遲補(bǔ)償器。光學(xué)元件303構(gòu)成為C板延遲器，與現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)200中更典型的A/-C板延遲器、只有A板的延遲器或雙軸延遲器203相反。C板延遲器303與其器件平面排列成直線，該器件平面不平行于LCoS 304的器件平面，然而可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)200中的相應(yīng)延遲補(bǔ)償器203和LCoS 204中該平行排列是很典型的。在光學(xué)系統(tǒng)300中，C板延遲補(bǔ)償器303相對于系統(tǒng)X軸以極角311傾斜排列，相對于系統(tǒng)Y軸以在極角312傾斜排列。這個(gè)二維傾斜使得出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸340，該旋轉(zhuǎn)軸340關(guān)于X軸以方位角345取向。旋轉(zhuǎn)軸340平行于LCoS器件平面(也作系統(tǒng)X-Y平面)以及Z軸是關(guān)于第一通道(pass)的主光線的傳播軸。通過遵守歐拉角旋轉(zhuǎn)定律(關(guān)于+X、+Y和+Z軸的CCW旋轉(zhuǎn)的正角)，關(guān)于X軸和Y軸的有效極角分量能夠分別被寫作θx＝θt×sin(φax)and θy＝θt×cos(φax)，其中θt是C板延遲器303的全傾斜角，圍繞以方位角φax排列的軸在平面外旋轉(zhuǎn)。根據(jù)該旋轉(zhuǎn)，C板延遲補(bǔ)償器303變得不平行于LCoS 304。為了分辨向前對向后傾斜，旋轉(zhuǎn)軸橫跨從0°至360°。本發(fā)明中的傾斜的C板延遲補(bǔ)償器必須根據(jù)在此示出的XYZ坐標(biāo)系以二維傾斜。這表示，在中心光學(xué)系統(tǒng)300中，傾斜的C板的有效快軸和慢軸必須不與系統(tǒng)的S偏振軸或P偏振軸排列成一條線，即φax≠0°，φax≠±90°和φax≠180°。C板延遲補(bǔ)償器的傾斜極角θt，可在0.1°至45°的范圍內(nèi)變化，優(yōu)選0.1°至30°，更優(yōu)選0.1°至15°。傾斜極角指的是平面外傾斜的大小，正和負(fù)極角(分別從LCoS平面向前傾斜和向后傾斜)由旋轉(zhuǎn)軸限定。考慮所設(shè)計(jì)的C板延遲、額外的Z軸間隔需求以及由傾斜板引起的視差導(dǎo)致的可接受的圖像損傷，設(shè)置傾斜極角以產(chǎn)生適合大小的凈延遲。當(dāng)在正入射處使用C板延遲補(bǔ)償器時(shí)，由于主要由基板中引起的雙折射提供的剩余的凈延遲非常低，因此該C板延遲補(bǔ)償器不具有快/慢軸。在優(yōu)選的實(shí)施例中，補(bǔ)償器利用-C板延遲器。傾斜的-C板的正旋轉(zhuǎn)軸平行于LCoS面板的快軸定向(典型地關(guān)于WGP的入射平面、P平面成±45°的方位角)。當(dāng)C板延遲器從平行排列向LCoS元件傾斜，下面給出以納米為單位的凈延遲(延遲量)[48] ΓTR(θ)＝[σe(θ)-σo(θ)]×dTR， (1)[49]e波和o波的本征型(σe，σo)由以下給定[50]---σe(θ)=no1-sin2(θ)ne2]]>和 (2)[51]---σo(θ)=no1-sin2(θ)no2;---(3)]]>[52]其中ne和no分別是對于波長λ的入射線的非常和尋常指數(shù)；光線關(guān)于C板器件法線的在空氣中以θ極角入射，以及dTR是以納米為單位的C板延遲厚度。凈延遲對+C板具有正號，而對-C板具有負(fù)號。圖4中示出了對于單軸雙折射介質(zhì)的光學(xué)對稱性。圖4(a)中，描繪了A板延遲器元件，憑此，光軸平行于器件平面(X-Y平面)排列。器件法線平行于Z軸。假定元件的X和Y尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿著Z軸的厚度。圖4(b)中示出了C板對稱性。光軸平行于器件法線排列。注意已經(jīng)描繪出了正的單軸雙折射，其中非常(e)指數(shù)大于尋常(o)指數(shù)，并且e波方向沿著Z軸指向。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施的-C板元件中，指數(shù)特征曲線是“圓盤”狀的，其e波方向再次沿著Z軸指向。對于一般光軸排列，獲得斜對稱(O板)，如圖4(c)中所示。該構(gòu)造具有平面內(nèi)(也稱作A板)延遲，其快/慢軸平行定向并垂直于X-Y平面上的投影。對于一般O板延遲器元件，平面外(也稱作C板)分量也呈現(xiàn)。器件X方向、Y方向和Z方向如圖4(d)中的箭頭所示。傾斜的C板延遲補(bǔ)償器的快/慢軸相對于旋轉(zhuǎn)軸的配置由C板延遲的符號決定。這在圖5中示出。圖5(a)中，-C板55圍繞旋轉(zhuǎn)軸51向平面外傾斜，相對于X軸以方位角54(φax)定向。旋轉(zhuǎn)軸51平行于X-Y平面。在傾斜之后，該軸是光學(xué)系統(tǒng)300中的主光線的有效慢軸。該傾斜的-C板的快軸50位于傾斜表面上，該傾斜表面偏離慢軸±90°。當(dāng)該軸投影至X-Y平面時(shí)，如果極角傾斜很小，則有效快軸仍然基本垂直于慢軸51。圖5(b)中，示出了+C板56中快軸53和慢軸52的配置與-C板55中的配制相反。旋轉(zhuǎn)軸關(guān)于X軸生成方位角54。該-C板的慢軸52位于傾斜表面上，該傾斜表面偏離快軸±90°。在帶有調(diào)整延遲器的LCoS延遲補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用中，理想方案包括將補(bǔ)償器的有效軸上延遲與LCoS的A板延遲相匹配(稱作“匹配值補(bǔ)償”)。延遲器和LCoS的快/慢軸組是在現(xiàn)有技術(shù)中提到的交叉軸處。在將傾斜的-C板延遲器用作補(bǔ)償器的情況下，如果極角調(diào)節(jié)為在傾斜的-C板中產(chǎn)生與LcoS的A板中相同的延遲量，則旋轉(zhuǎn)軸(還有補(bǔ)償器慢軸)基本上平行于LCoS快軸排列。然而，高產(chǎn)量的LCoS引擎裝配將需要對補(bǔ)償器軸上的延遲設(shè)置比LCoS的A板延遲更高的值，并依賴相對方位角(LCoS和延遲器)的超頻(over-clocking)，以最優(yōu)化圖像對比度性能。對延遲補(bǔ)償領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在此注意傾斜的只有C板的補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)軸不需要基本上平行或正交于LCoS的快軸排列。對于45°的名義上的LCoS快軸，如果傾斜的C板軸上凈延遲的量大于LCoS的A板延遲，則傾斜的只有-C板的元件的慢軸(也作旋轉(zhuǎn)軸)能夠關(guān)于PBS的P平面“超頻(over-clocked)”遠(yuǎn)離LCoS快軸。超時(shí)角(即，從S偏振軸和P偏振軸的平分線的方位偏離角)由下式近似地給出[56]φob≈cos-1(ΓLC/ΓTR)/2， (4)[57]其中，ΓLC是LCoS的A板延遲；ΓTR是由主光線入射時(shí)傾斜的C板元件的軸上延遲；并且ΓTR≥ΓLC。該“超值補(bǔ)償”方案的相關(guān)方位角在圖6中示出。“超值補(bǔ)償”意指具有比LCoS的A板延遲65(ΓLC)高的傾斜的-C板的軸上延遲64(ΓTR)；由于該相對同位角同步(clocking)，對于光往返兩個(gè)階段該補(bǔ)償產(chǎn)生總凈延遲～0。為了計(jì)算LCoS圖像儀的不對稱特征(諸如區(qū)分VAN模式LC層的正傾斜和負(fù)傾斜以及TN模式LC層的入口至出口的扭曲跨度(twist span))，LCoS的慢軸在0°至360°的圓周上單獨(dú)定義。圖6中的例子的LCoS的慢軸66以135°的方位角排列。在名義上的情況下，為得到適當(dāng)?shù)膬A斜極角60而調(diào)整傾斜的-C板，其中實(shí)現(xiàn)了匹配的C板延遲器的軸上延遲和LCoS的A板延遲，旋轉(zhuǎn)軸能夠以+45°的方位角63固定。對于“超值補(bǔ)償”的情況，極角傾斜比名義上的情況大。此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸從S偏振軸和P偏振軸的平分線偏轉(zhuǎn)φob，給出了四個(gè)局部最優(yōu)定位，如61和62示出了其中的兩個(gè)。通過選擇方位角的補(bǔ)償，能夠獲得較佳的補(bǔ)償結(jié)果，其中所得的補(bǔ)償器慢軸被定向?yàn)楦咏黈GP的P偏振而不是S偏振。因此，圖6中的“第一最佳方案”61相對于“第二最佳方案”62更好。在表1中給出了在所有四個(gè)象限之上的任意LCoS慢軸方位的解空間(具體指的是VAN型成像器LC傾斜的正傾斜)。在具有方位角公差δ的光系統(tǒng)中，LCoS慢軸名義上排列在S和P平面的平分線處，其中δ可以是±20°，更優(yōu)選為±10°，進(jìn)一步更優(yōu)選為±5°。該公差角度對由方程式(4)預(yù)測的方位角偏移量有小的影響；它是對LCoS A板延遲的cos2(2δ)修正，其中該函數(shù)對小角度相當(dāng)不敏感。對于給定LCoS慢軸排列，兩個(gè)優(yōu)選轉(zhuǎn)軸可能不會(huì)產(chǎn)生同等的對比效果；這兩個(gè)優(yōu)選方案之一對于與+45°和-45°WGP傾斜的兩種情況配對可能是最好的(在多面板光引擎的不同顏色通道中)。
表1LCoS對傾斜的-C板延遲補(bǔ)償器的方位解空間相反地，對于LCoS板，其快/慢軸與±45°方向相排列有小方位角偏差，傾斜的-C板補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)軸可在與LCoS部件的快軸相同的象限內(nèi)被固定在±45°，假定傾斜方位被控制，這樣相對于LCoS板的A板延遲，該傾斜產(chǎn)生較小的軸上延遲。這被稱為“低補(bǔ)償值”方案，由于相對方位角同步(clocking)，對于往返穿過兩個(gè)階段的光，補(bǔ)償產(chǎn)生接近零的全部凈延遲。在圖7中，說明了這種補(bǔ)償方案的相對方位角。實(shí)質(zhì)上，LCoS板75的剩余延遲ΓLC被用于補(bǔ)償-C板軸上延遲ΓTR74。LCoS慢軸76和快軸73相關(guān)于PBS平板典型地非常接近±45°方位角，因?yàn)楸粚?shí)施的電控制雙折射(ECB)LC器件必須通過在灰度狀態(tài)中驅(qū)動(dòng)穿過LCoS單元的電壓來產(chǎn)生。然而，LCoS制造過程經(jīng)常引起慢/快軸與理想“S”和“P”平分線準(zhǔn)線的小偏差72(φob)(比如，至多±10°)。“補(bǔ)償器”和“補(bǔ)償?shù)摹逼骷淖饔每梢员环D(zhuǎn)正是由于方位角偏差72的存在。圍繞轉(zhuǎn)軸71實(shí)施-C延遲器的平面外傾斜70，基本上對開S-和P-平面對準(zhǔn)。在將傾斜-C板引入LCoS系統(tǒng)的情況下，可以因較小軸上延遲要求而減少傾斜角。因傾斜光學(xué)元件的使用而可節(jié)省一些空間，也可降低圖象質(zhì)量損傷。傾斜-C板的軸上延遲與LCoS軸偏移量及LCoS A-延遲相關(guān)，可通過下列的近似式表示[62]φob≈cos-1(ΓTR/ΓLC)/2， (5)[63]其中，ΓTR和ΓLC與前面定義的相同，只是ΓTR＜ΓLC。在匹配值補(bǔ)償?shù)那闆r下，雙折射補(bǔ)償器還可以是+C板延遲器，其實(shí)施傾斜的轉(zhuǎn)動(dòng)軸然后將基本上被定位為與面板的慢軸平行的方向。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)軸成為傾斜的+C板延遲器的快軸。一般而言，+C板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸接近S極化，而不是P極化，以使得到的傾斜+C板的慢軸對準(zhǔn)靠近WGP的P平面。表2中列出了在傾斜角處具有+C板延遲器的超過補(bǔ)償值(over-value-compensation)的一般情況。此外，取決于WGP的排列，兩個(gè)優(yōu)選方案不可能產(chǎn)生相同的對比效果，其中的一個(gè)可能優(yōu)于另一個(gè)。對于使用+C板延遲補(bǔ)償器的低于補(bǔ)償值(under-value-compensation)的情形在這里沒有示出。通常，轉(zhuǎn)動(dòng)軸和LCoS慢軸被定位在同一象限內(nèi)。
表2LcoS對傾斜的+C板延遲補(bǔ)償器的方位解空間。在優(yōu)選實(shí)施例中，C板延遲器由在透明基片上的雙折射抗發(fā)射結(jié)構(gòu)(formbirefringent anti-reflection，F(xiàn)BAR)涂層制造。介電涂層C板利用兩種或多種不同折射率材料的一系列交替的薄膜層，以及按照LCoS引擎的反射幾何學(xué)要求而產(chǎn)生低反射系數(shù)的所得到的介電堆。在圖8中示出了由介電形成雙折射涂層可獲得凈延遲的例子。在10°入射角(angle of incidence，AOI)處或相當(dāng)此，-C板延遲補(bǔ)償器的極化傾斜角θt，可以獲得近似2nm軸上延遲，以補(bǔ)償LCoS顯示器。-C板延遲器的理論延遲曲線和實(shí)驗(yàn)測量值之間有相當(dāng)好的一致性。延遲曲線以及因此給定傾斜角度要求的凈延遲，可以通過電介質(zhì)設(shè)計(jì)任意量身定做。傾斜的-C的軸上和離軸凈延遲被實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。“D55”FBAR設(shè)計(jì)目標(biāo)是在λ＝633nm處，C板延遲為-110nm。該模擬假定，在偏離法線7°幾何處安裝C板延遲器。λ＝633nm的主光射線以7°極化角入射，以及它看到近似1.4nm單通道凈延遲。主光線的凈延遲在第二通道上加倍。對于正極性AOI光線，第一通道入射(光)以比傾斜角高的AOI照射到傾斜板上，以及凈延遲數(shù)量比主光線的凈延遲大得多。在離開LCoS板的反射情況下，這些光線被折回到與傾斜-C板相對的方位，以使第二通道AOI及因此相對于第一通道，凈延遲值被降低。對于第一通道中的負(fù)極性AOI光線，會(huì)出現(xiàn)類似的雙通道折回現(xiàn)象。結(jié)果是產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的自鏡像、對稱延遲曲線。圖9中曲線示出沿單入射平面(對應(yīng)于-C板延遲器的傾斜平面)的凈延遲曲線。在整個(gè)觀察錐體(例如，在空氣中在AOI對LCoS器件法線的達(dá)到±12°處的f/2.4LCoS系統(tǒng))上，LCoS器件的凈延遲由于極化和方位視角的作用而改變。相關(guān)的慢/快軸也由于視角的作用而改變。然而，需設(shè)計(jì)具有適當(dāng)-C延遲且傾斜適于引入合適數(shù)量的軸上延遲的傾斜-C板，來匹配對于每個(gè)光線角的LCoS凈延遲。雙通道傾斜-C板的慢軸基本上垂直于LCoS器件的慢軸。圖10在(a)中示出LCoS模型的模擬雙通道凈延遲，及在(b)中示出LCoS模型的慢軸方位，該LCoS模型在＝633nm處具有1.4nm A板延遲和250nm C板延遲。法向入射光線的慢軸相對于(w.r.t.)反射觀察方向被定向在近似-45°(如圖10(b)中所示或相對于透射觀察方向?yàn)?45°)。這意味，相對于主光線，F(xiàn)BAR-C板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其也是它的慢軸必須被排列在相對于RH-XYZ坐標(biāo)集中的透射觀察方向的135°處。這應(yīng)用于匹配值補(bǔ)償?shù)臉?biāo)稱情形中。相應(yīng)的凈延遲和7°傾斜FBAR-C板中的延遲器慢軸方位分別被示出在圖11(a)和(b)中。曲線中的模糊是同時(shí)對一個(gè)入射面內(nèi)觀察光錐采樣的偽影，且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至矩形樣本柵格，用于繪制和錐形加權(quán)對比計(jì)算。注意的是，傾斜的FBAR-C板的延遲曲線匹配于靠近的LCoS的延遲曲線。FBAR-C板中的慢取向相對于反射觀察方向具有法向(nominal)45°(如圖11(b)中所示或相對于透射觀察方向?yàn)?45°)。這意味，在延遲補(bǔ)償器和LCoS階段中，整個(gè)錐體中的每個(gè)光線被交替延遲較多然后較少，或者反之亦然(v.v.)，，而與延遲的數(shù)量無關(guān)。所得的LCoS板黑暗狀態(tài)是極好的。在圖12中給出通過在全反射雙通道中的一套交叉偏振光鏡的黑暗狀態(tài)泄漏密度。模仿了～80,000∶1的粗略雙通道對比。整個(gè)結(jié)構(gòu)的反射也是非常低的。然而，使用傾斜排列的延遲器補(bǔ)償器，雜散反射光中的僅僅部分被有限系統(tǒng)數(shù)值孔徑所俘獲。假定6,000∶1的基線光系統(tǒng)對比，傾斜-C板和VAN模型LCoS的組合給出大約5,300∶1的完全開至完全關(guān)的對比率。只有C板補(bǔ)償器相對于LCoS板是傾斜的。該板的傾斜引入如由主光線所見的凈延遲，其數(shù)量用來校正LCoS板的剩余A板延遲。C板上的形成雙折射涂層仍舊為離軸性能提供合適的C板校正。這種結(jié)構(gòu)允許僅僅單個(gè)C板部件提供軸上和離軸LCoS延遲補(bǔ)償，以獲得高對比度圖像。理論模仿和經(jīng)驗(yàn)測量都確認(rèn)這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高對比度。圖13中示出的曲線是理論計(jì)算，該計(jì)算示出由于顯示板A板延遲的作用的期望對比率。盡管未傾斜C板補(bǔ)償適合非常小的LCoS A板延遲(例如，＜0.5nm)，計(jì)算的結(jié)果示出對于公共LCoS A板延遲值(至多2nm)，通過傾斜排列C板可以獲得明顯增加的對比度。在這個(gè)模仿中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸被固定在45°，以及傾斜角還被固定在板外7°處。C板FBAR涂層設(shè)計(jì)在630nm波長處具有-110nm C板延遲。在7°傾斜處的軸上延遲近似為1.4nm。因此，只有具有剩余A板延遲～1.4nm的LCoS板可被正確地補(bǔ)償。然而，可以根據(jù)分析看出，可使用單個(gè)補(bǔ)償器以固定傾斜角可明顯地補(bǔ)償大范圍的板延遲。用于具有非常高或低的A板延遲(例如，大于2.5nm或小于0.5nm)的板，傾斜必須被調(diào)整，或者轉(zhuǎn)動(dòng)軸必須被改變，或者-C板的值必須被調(diào)整，或者三者的組合被調(diào)整。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識到，通過當(dāng)-C板的凈延遲對LC裝置的A板延遲過度補(bǔ)償時(shí)，傾斜補(bǔ)償器板和/或轉(zhuǎn)動(dòng)(也就是順時(shí)針)，固定值補(bǔ)償板可被調(diào)整以匹配板延遲。圖14中給出略微傾斜的將FBAR-C板配對到VAN模型LCoS的數(shù)值容差結(jié)果。該圖示出對比度的變化，所述對比度作為-C板補(bǔ)償器板外傾斜度和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的函數(shù)。通過調(diào)整板的轉(zhuǎn)動(dòng)，LCoS板的過補(bǔ)償值(Over-value compensation)可以以固定傾斜角度被優(yōu)化。在這種LCoS和FBAR設(shè)計(jì)例子中，使用以7°的板傾斜和以45°的轉(zhuǎn)動(dòng)(繞LCoS板的快軸轉(zhuǎn)動(dòng))可以獲得高對比度。以9°板傾斜并繞LCoS快軸的平行排列軸以±25°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，獲得高對比度。在利用WGP的實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，近似20°的優(yōu)化轉(zhuǎn)動(dòng)軸同樣給出較好的對比度。在這里實(shí)施的數(shù)值模型中，WGP-PBS被模制成漏偏光器，該漏偏光器具有大約450∶1透射偏振常數(shù)和30∶1反射偏振常數(shù)。前置偏光器和凈化檢偏器被模制成偏振常數(shù)為1000∶1的部件，該部件被用于以法向入射至圓錐軸。在這些理想情況下，對于給定的LCoS慢軸排列，在四個(gè)局部對比最大值(傾斜的C板轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩個(gè)方位被定位在兩個(gè)相鄰象限的每個(gè))中每個(gè)之間存在有可以忽略不計(jì)的差異。在實(shí)際光系統(tǒng)中，WGP相關(guān)于Z軸被排列在-45°或+45°處，以及除了其主要的二次衰減(diattenuation)功能之外，WGP是具有寄生延遲特性的衍射部件。校驗(yàn)傾斜C板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的光學(xué)排列的快速方法是收集實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)。這里使用的所有方位角(經(jīng)驗(yàn)的和數(shù)值模型)被引用至RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)。在指定裝置模型時(shí)，RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)被定位為入射束；在考慮到透射場時(shí)，RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)被定位為透射束；在考慮到反射或雙通過透射場時(shí)，RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)被定位為返回束。作為這種慣例的結(jié)果，在透射和入射側(cè)的坐標(biāo)集是彼此一致的，但是反射側(cè)的坐標(biāo)集相對入射坐標(biāo)集具有左右鏡像性能。在橢圓偏振和延遲的說明中，圓本征偏振(eigenpolarization)的標(biāo)記號被一致的使用在入射、透射和反射側(cè)中。RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)被示出在圖18(a)中。在相對于考慮正面的入射束而指定歐拉角(用于單軸媒質(zhì)的兩個(gè)角和用于雙軸媒質(zhì)的三個(gè)角)時(shí)，坐標(biāo)軸表示RH-XYZ。在該文獻(xiàn)上下文中，各個(gè)單軸層的偏振和方位角由(θc，φc)來表示。在從入射側(cè)觀察反射(或雙通道透射)裝置時(shí)，通過翻轉(zhuǎn)X軸方向RH-XYZ系統(tǒng)被保持。反射觀察的RH-XYZ坐標(biāo)集等同于如定位入射束的LH-XYZ坐標(biāo)集(也就是，考慮入射的背面)。這被示出在圖18(b)中。在RH-XYZ和LH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)(整體定義，如它們均被定位為入射)中，從正向X軸的逆時(shí)針(CCW)轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角被定義為正的。例如，這種軸方位被用于描述延遲器的快/慢軸。用于在光錐中闡明觀察面，透射觀察面與入射面對齊。然而，用于反射(或雙通道透射)系統(tǒng)，觀察面具有與入射面180°的偏移量(用于360°方位角范圍和至90°極角范圍)。在已指定的XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的慣例情況中，傾斜-C板延遲器補(bǔ)償器的所有可能結(jié)構(gòu)和LCoS方位被表示在圖19(a)-(d)中，以用于EGP被相關(guān)于Z軸定位在-45的情況中。光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被命名為500、520、540和560。這對應(yīng)于LcoS SA分別被定位在3象限(504)、1象限(524)、4象限(544)和2象限(564)，如被d定位至LH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)。該平面的SA方位被假定實(shí)質(zhì)上對分系統(tǒng)的S和P偏振方向(例如，在平分線的10內(nèi))。傾斜C板的SA對應(yīng)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸，以實(shí)現(xiàn)平面外傾斜。該軸位于X-Y平面中。類似地，在WDP相關(guān)于z軸被定位在+45°時(shí)，四種可能的LCoS平面SA方位，連同16個(gè)可能的傾斜C板SA方位一起被示出在圖20(a)-(d)中。結(jié)構(gòu)600、620、640和660分別是結(jié)構(gòu)500、520、540和560的鏡像圖像(關(guān)于y軸)。結(jié)構(gòu)600、620、640和660的LCoS平面SA方位分別被定位在4象限(604)、2象限(624)、3象限(644)和1象限(664)。注意的是，盡管具有CCW正方位角規(guī)定的LH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)適用于傾斜C板和LCoS慢軸的方位的描述，但是實(shí)際上指示的方位表示LCoS裝置的光軸相關(guān)于RH-XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)傾向Z方向。傾斜的C板延遲補(bǔ)償器的傾斜面距離轉(zhuǎn)軸又一90°CCW，以及該傾斜面傾斜向+Z軸。在四種可能的傾斜C板方位的每處，系統(tǒng)對比性能已經(jīng)以各個(gè)給定LCoS SA方位(四種之外)和各個(gè)WGP方位(兩種之外)用實(shí)驗(yàn)方法估計(jì)。實(shí)驗(yàn)使用f/2.4會(huì)聚光錐。有32種可能的結(jié)構(gòu)，包括三種部件(WGP、傾斜的C板和LCoS)的方位。在這些實(shí)驗(yàn)中，我們實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)500s和600s的鏡像參數(shù)的使用，以及消除16種非獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。以λ＝550nm為中心的綠波帶被選擇。我們期望，在三種顏色波帶的每個(gè)中，對比率對傾斜的-C板方位的相對依賴是近似相似的(可能在藍(lán)波段略微惡化些)。在這些實(shí)驗(yàn)中使用的VAN模式LCoS具有在λ＝550nm處的大約2nm的A板和250nm的C板。-C板延遲器以大約20極角傾斜。該設(shè)計(jì)以-195nm C板延遲單通道為目標(biāo)。在～20°傾斜處的凈延遲在λ＝550nm處為大約10.5nm。在圖21中示出凈延遲分布。在圖22中說明以至多20°束錐、在0至360°觀察面上的單通道凈延遲圖。使用PR-705輻射計(jì)，收集實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果。在關(guān)燈和開燈狀態(tài)處的強(qiáng)度在綠色波段(λ＝490至620nm)被光適應(yīng)的加權(quán)。這些結(jié)果被列舉在表3中，用于結(jié)構(gòu)500、520、540和560。考慮到光設(shè)置的對稱性，結(jié)構(gòu)600、620、640和660的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從結(jié)構(gòu)500s中得出。這些對比結(jié)果被列表在表4中。對于光學(xué)結(jié)構(gòu)500s和600s，在綠波帶，沒有調(diào)整延遲補(bǔ)償器的相應(yīng)的板對比率的范圍從1200∶1到2300∶1。
表3500s系列光結(jié)構(gòu)在綠波帶的實(shí)驗(yàn)對比測量結(jié)果。
表4600s系列光結(jié)構(gòu)在綠波帶的實(shí)驗(yàn)對比測量結(jié)果。取決于多面板LCoS系統(tǒng)如何被配置，承擔(dān)傾斜C板慢軸的四個(gè)解中任意一個(gè)或多個(gè)的最佳拾取。作為例子，顯示系統(tǒng)銷售商想要保持WGP的方位在各個(gè)顏色波帶中排列的彈性，從而僅僅有一種LCoS慢軸被選擇。在這種情形中，傾斜C板延遲器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸是最優(yōu)的，此時(shí)它被排列以與P偏振軸最接近。延遲補(bǔ)償器的慢軸基本上平行于P偏振軸，用于延遲器凈延遲和LCoS A板延遲的大的失諧，這兩個(gè)定位主射線。以這種方法，兩種WGP方案中每個(gè)的對比性能的不同被最小化。在各個(gè)局部最佳狀態(tài)的1/8周期中用于傾斜C板的轉(zhuǎn)軸的優(yōu)化排列空間被列表在表5中，用于所有八個(gè)光結(jié)構(gòu)，其取決于LCoS SA方位被分組為四類。
表5層疊有傾斜C板延遲補(bǔ)償器的VAN-LCoS板的最佳補(bǔ)償?shù)姆轿唤欠秶渲懈鱾€(gè)方位角范圍從最接近P偏振軸展開為幾乎45°。引入與S和P偏振平分線的名義上的0.1度偏差。在另一方面，如果給定的彩色信道被配置以與一個(gè)WGP方位一起工作，且兩個(gè)LCoS慢軸方位被提供以用于可比較的對比度性能，將從系列500s和600s內(nèi)進(jìn)行選擇。作為例子，如果45°和-135°。LCoS慢軸方位均要求用于-45°排列的WGP系統(tǒng)，則可以從結(jié)構(gòu)500和540中選擇傾斜C板的最優(yōu)慢軸定位。根據(jù)表3中實(shí)驗(yàn)對比入口，分別提供6400∶1和6800∶1對比度的方位507和546為分別用于結(jié)構(gòu)500和540的最優(yōu)拾取。類似地，可以建立在相鄰象限中的用于其它兩個(gè)慢軸方位的最優(yōu)C板延遲轉(zhuǎn)動(dòng)軸。最優(yōu)解要求C板慢軸被定位以實(shí)質(zhì)上平行于S偏振的選擇機(jī)會(huì)，所述S偏振垂直向上指向光結(jié)構(gòu)500s和垂直向下指向光結(jié)構(gòu)600s。另一情形可包括在最弱對比度通道(典型的藍(lán)通道)處加大對比以及在最優(yōu)對比通道(典型的綠和紅通道)處交換對比，以用于全面的無彩色的黑色狀態(tài)。因?yàn)閷?shí)質(zhì)上的貧乏的表現(xiàn)光學(xué)裝置，特別是交叉偏振器和WGP部件，藍(lán)通道中的對比典型地是差的。在這種情況中，用于藍(lán)通道的C板延遲器將圍繞大致上平行于S偏振的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述S偏振垂直地向上指向光學(xué)結(jié)構(gòu)500s和垂直地向下指向光學(xué)結(jié)構(gòu)600s，而藍(lán)和紅通道的轉(zhuǎn)動(dòng)軸將實(shí)質(zhì)上被排列以平行于P偏振(每個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)兩個(gè)選擇機(jī)會(huì))。相關(guān)于C板轉(zhuǎn)動(dòng)軸的排列的非均等對比性能是WGP部件中雙折射的結(jié)果。雖然，完整的數(shù)值模型是最終目標(biāo)，但是可以容易地實(shí)現(xiàn)對解空間的快速實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。對很小的對比值為5000∶1而言，這些對比數(shù)的誤差和可重復(fù)性為大約±200點(diǎn)，也就是±4％。相對對比值明顯地超過這個(gè)容限，所相對對比值述作為被觀察到的傾斜C板的慢軸的函數(shù)。其他實(shí)施例可包含無機(jī)雙折射晶體的使用，該晶體被切割為C板。只有C板的延遲被利用，以這種方式還可在微顯示成像器的平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)數(shù)量的凈延遲，以及提供合適數(shù)量的平面外延遲。這種傾斜晶體C板起到與Berek補(bǔ)償器相同的功能。具有小的負(fù)雙折射的單晶體板將是合適的(例如，具有Δn＝-0.01的單晶體MgF2)。需要的板厚度將在數(shù)十微米的范圍內(nèi)，以傳遞大約200至500nm的-C板延遲。本發(fā)明的另一實(shí)施例尋求將C板150(例如FBAR涂層板或晶體板)夾持在楔形基片之間。該實(shí)施例被示出在圖15中。被夾持部件的外表面153基本上是平行的且有AR涂層，以及延遲器組件被排列以大致上平行于LCoS臺階154。這降低了圖象質(zhì)量損傷，因第一通道光束151和第二通道光束152中的視差。在這種情況中，相對于夾持的C板，軸上延遲通過以主光線的非零入射角被引入。+C和-C板可以以這種方式被利用，但是只有-C板能夠同時(shí)地補(bǔ)償LCoS黑色板的板內(nèi)和板外延遲。傾斜+C板的軸上性能可與補(bǔ)償LCoS的傾斜-C板一樣好地被實(shí)現(xiàn)。然而，離軸射線將比單獨(dú)的LCoS板看到更大凈延遲。該+C板結(jié)構(gòu)僅僅對非常有限的錐入射角是有用的。示出在圖16中的另一實(shí)施例，使用嵌入在楔形基片之間的傾斜+C板160，以校正剩余A板延遲，以及-C板在法線入射外表面163上以校正LC平面164內(nèi)的C板延遲。第一通過束和第二通過束分別被161和162指示。在浸入或非浸入C板延遲器的所有應(yīng)用中，C板延遲器部件的有效轉(zhuǎn)動(dòng)軸必須既不平行WGP的P偏振又不平行WGP的S偏振。其慢/快軸被排列以平行于顯示器系統(tǒng)的S-和P-面的延遲器部件(傾斜的和不傾斜的)具有軸上延遲效果，其被兩種束傳播模式的缺少而取消。盡管使用傾斜FBAR-C板的模擬和實(shí)驗(yàn)利用反射VAN模式LCoS成像器，所述傾斜FBAR-C板作為微顯示投影系統(tǒng)的補(bǔ)償器的，但傾斜板補(bǔ)償器也適于透射微顯示投影系統(tǒng)。傾斜的-C板延遲器從單個(gè)部件中產(chǎn)生軸上延遲和離軸延遲。軸上延遲可被用于取消透射式顯示板的剩余A板延遲，諸如TN模式LCD和VAN模式LCD。注意的是，透射顯示板近似是其LC層的兩倍厚，因此傾斜C板所要求的軸上延遲的數(shù)量是顯著大的。成像器板和傾斜的-C板補(bǔ)償器在被用在單通道透射時(shí)，很可能面對不對稱延遲曲線與錐角的問題。在TN模式板的情況中，在板關(guān)閉狀態(tài)(panel off-state)中的小數(shù)量的圓周延遲沒有有諸如傾斜-C板的線性延遲器所補(bǔ)償。將傾斜C板結(jié)合在透射光系統(tǒng)中的本發(fā)明的實(shí)施例被說明在圖17中。在錐光400中，從前級光管(或諸如蠅眼陣列之類的其它均衡器)輸出的光錐被前置偏振器401線性偏振。這在中偏振器420的傳遞軸在整個(gè)選換上可被隨意排列，更通常地在±45°、0°或90°。該說明使用0°偏振入射420。通過前置偏振器的光照射在透射LCD成像器404上。該成像器具有慢軸430，其被排列以相對前置偏振器透射軸以±45°偏離方位角435。然后，光經(jīng)后檢偏器405進(jìn)入該系統(tǒng)，其透射軸421被排列以垂直于前置偏振器軸420。一級或多級調(diào)整延遲補(bǔ)償器403被插入在前置偏振器401和后檢偏器405之間。在成像器之前或成像器之后或兩者之后，可以排列調(diào)整延遲器部件。至少一個(gè)調(diào)整延遲器部件利用傾斜安裝的只有C板的延遲器。該傾斜的部件被示出在光系統(tǒng)400中，該光系統(tǒng)400被定位在成像器之前。411和412的組合非零傾斜確定440方位角的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。對于傾斜的-C板延遲器，相關(guān)聯(lián)的角度445名義上垂直成像器慢軸435；或者傾斜的+C板延遲器，相關(guān)聯(lián)的角度445名義上平行于成像器慢軸435。延遲補(bǔ)償?shù)墓矊?shí)施為過同步(over-clock)C板延遲器慢軸，通過執(zhí)行過補(bǔ)償值方案(over-value compensation scheme)從平行或垂直排列至成像器慢軸。如果透射板是VAN式成像器，則必須施加-C板的傾斜，以使在傾斜的-C板處、沿給定錐入射的方位角平面的光線還經(jīng)歷相對正單軸VAN-LC材料的特定軸(e波)的較大角度差，該光線比主光線看到大的AOI。取決于補(bǔ)償功效，單通道透射系統(tǒng)將產(chǎn)生一些方位角。上面要求還有助于減輕使用傾斜-C板延遲器和傾斜的的LC排列的不理想的效果。如果透射板是扭轉(zhuǎn)向列(TN)成像器，其中總的扭轉(zhuǎn)角小于或等于大約90度，則圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸必須實(shí)施-C板延遲器的傾斜，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸基本上正交于TN扭轉(zhuǎn)角范圍的平分線。傾斜的C板延遲的大小和極角傾斜的大小必須被調(diào)整，以使傾斜-C板延遲器的錐光偏振儀凈延遲圖的不對稱和TN單元很好地匹配。取決于補(bǔ)償功效，單通道透射系統(tǒng)將產(chǎn)生某些方位角。上面的要求有助于減輕在黑暗狀態(tài)中的TN單元內(nèi)使用傾斜的-C板延遲器和傾斜的的LC排列及扭轉(zhuǎn)的不理想的效果。在上面參考各種示范性實(shí)施例，已經(jīng)描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，不脫離本發(fā)明的范圍可對示范性實(shí)施例作出改變和變化。例如，多種部件可被以替換的方式來實(shí)施，諸如，例如通過提供其它光學(xué)結(jié)構(gòu)或布置。取決于具體應(yīng)用或考慮到與該系統(tǒng)的工作相關(guān)聯(lián)的因素，這些替換可適當(dāng)?shù)乇贿x擇。此外，這些和其它改變或變化被用于被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如下面的權(quán)利要求書所表達(dá)的。總之，公開一種液晶顯示投影儀，其包括光源，光照明系統(tǒng)，其用于將有光源發(fā)射的光會(huì)聚至要求的光路，該光路具有主軸；液晶顯示板，其被定位在板平面內(nèi)且在其中具有慢軸和快軸，用于光調(diào)制由光照明系統(tǒng)會(huì)聚的光；投影透鏡，用于放大和投影由液晶顯示板調(diào)制的光；第一偏振裝置，被設(shè)置以接收由光照明系統(tǒng)會(huì)聚的光，用于以近似法線入射將具有第一線性偏振軸的第一線性偏振光傳遞在液晶顯示板上；第二偏振裝置，被設(shè)置以接收由液晶顯示板調(diào)制的光，用于發(fā)射具有第二線性偏振軸的第二線性偏振光，以及輸出相同的偏振光給投影透鏡；以及具有單軸C對稱的延遲補(bǔ)償板，其相對于傾斜軸成銳角離開板平面，以及被設(shè)置在液晶顯示板和第一或第二偏振裝置之間，其中傾斜軸平行于板平面；其中延遲補(bǔ)償板的慢軸或快軸與傾斜軸對準(zhǔn)；其中傾斜軸被定位于近似平行于液晶顯示板的慢軸或快軸；以及其中傾斜軸沒有平行于第一和第二線性偏振軸。該液晶顯示投影儀可具有透射或反射液晶顯示板，具有第一和第二偏振裝置，該第一和第二偏振裝置被結(jié)合進(jìn)偏振分光器，具有與主軸成大約45度定向的分束表面，分別被設(shè)置成透射式和反射式；以及其中第一和第二線性偏振軸是正交的。該液晶顯示投影儀可使用硅上垂直排列的向列液晶(VAN-LCoS)板。延遲補(bǔ)償板可具有成形雙折射抗反射涂層，該層具有大量無機(jī)透明層，沉積在第一表面和第二表面中至少一個(gè)上，具有+C板延遲或-C板延遲。延遲補(bǔ)償板的傾斜角被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)延遲補(bǔ)償板補(bǔ)償延遲的量大于液晶顯示板的剩余延遲的量。圍繞主軸的傾斜軸的方位角定位被選擇，以使在液晶顯示板中產(chǎn)生的圖像在第二偏振裝置的出口側(cè)具有最佳對比度。優(yōu)選地，延遲補(bǔ)償板的慢軸與第一線性偏振軸成大約45度或大約135度角。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示投影儀，包括光源；光照明系統(tǒng)，其用于將所述光源發(fā)射的光會(huì)聚至要求的光路，該光路具有主軸；液晶顯示板，其被定向在板平面內(nèi)且在其中具有慢軸和快軸，用于光調(diào)制由所述光照明系統(tǒng)會(huì)聚的光；投影透鏡，用于放大和投影由所述液晶顯示板調(diào)制的光；第一偏振裝置，被設(shè)置以接收由所述光照明系統(tǒng)會(huì)聚的光，用于以近似法線入射將具有第一線性偏振軸的第一線性偏振光傳遞到所述液晶顯示板上；第二偏振裝置，被設(shè)置以接收由所述液晶顯示板調(diào)制的光，用于發(fā)射具有第二線性偏振軸的第二線性偏振光，以及輸出該偏振光給投影透鏡；以及具有單軸C對稱的延遲補(bǔ)償板，其相對于傾斜軸成銳角離開板平面，以及被設(shè)置在所述液晶顯示板和所述第一或第二偏振裝置之間，其中所述傾斜軸平行于板平面；其中所述延遲補(bǔ)償板的慢軸或快軸與所述傾斜軸對準(zhǔn)；其中所述傾斜軸被定向于近似平行于所述液晶顯示板的慢軸或快軸；以及其中所述傾斜軸不平行于所述第一和第二線性偏振軸。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述液晶顯示板是透射式液晶顯示板。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述液晶顯示板是反射式液晶顯示板；其中所述第一和第二偏振裝置被結(jié)合進(jìn)偏振分光器，具有與主軸成大約45度定向的分束表面，分別被設(shè)置成透射式和反射式；以及其中第一和第二線性偏振軸是正交的。
4.依據(jù)權(quán)利要求3所述的液晶顯示投影儀，其中所述液晶顯示板是硅上垂直排列的向列液晶(VAN-LCoS)板。
5.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述延遲補(bǔ)償板具有成形雙折射抗反射涂層，該層具有多個(gè)無機(jī)透明層，沉積在入口表面和出口表面中至少一個(gè)上。
6.依據(jù)權(quán)利要求5所述的延遲補(bǔ)償板，其中所述成形雙折射抗反射涂層具有+C板延遲或-C板延遲。
7.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述傾斜角被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)延遲補(bǔ)償板補(bǔ)償延遲的量大于液晶顯示板的剩余延遲的量。
8.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中圍繞主軸的傾斜軸的方位角定向被選擇，以使在液晶顯示板產(chǎn)生的圖像在第二偏振裝置的出口側(cè)具有最佳對比度。
9.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述延遲補(bǔ)償板的慢軸與第一線性偏振軸成大約45度或大約135度角。
10.依據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示投影儀，其中所述延遲補(bǔ)償板被夾在兩個(gè)楔形棱鏡之間，每個(gè)楔形棱鏡具有約等于所述傾斜角的楔形角，使得所述兩個(gè)楔形棱鏡和所述延遲補(bǔ)償板形成一個(gè)具有平行面的光學(xué)元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種C板補(bǔ)償器，用于在投影顯示系統(tǒng)中補(bǔ)償硅上反射液晶(LCoS)顯示或透射液晶(LC)顯示中剩余的A板和C板延遲。該C板結(jié)合成形雙折射涂層，該板的延遲量可通過相對于顯示板(X－Y)平面傾斜而被調(diào)整。所述傾斜板以預(yù)定的大小從顯示板的慢軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)被描述以用于選擇傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)角，以使由補(bǔ)償板產(chǎn)生的顯示系統(tǒng)的對比度達(dá)到最優(yōu)。
文檔編號G03B21/14GK1869762SQ20061008067
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者譚金良, 布雷特·J.·布爾揚(yáng)斯, 卡倫·丹尼斯·亨德里克斯, 大衛(wèi)·M.·西蒙, 托馬斯·梅爾 申請人:Jds尤尼弗思公司